Ciclo Rankine
Che cos'è il ciclo Rankine?
Il ciclo Rankine rappresenta il ciclo più semplice che caratterizza il funzionamento delle macchine a vapore, siano esse di tipo alternativo oppure di tipo rotativo (turbine a vapore).
Il fluido operante è costituito da acqua che durante il ciclo viene fatta vaporizzare nel generatore, espandere nella motrice e in seguito ricondotta allo stato iniziale di liquido.
Si supponga che l'unità di massa del fluido operante all'inizio del ciclo Rankine si trovi nello stato fisico rappresentato, nel diagramma p-v , dal punto 1 della figura seguente:
Il ciclo Rankine è costituito dalle seguenti trasformazioni:
- 1→2: compressione a volume costante dell'acqua dalla pressione di alimentazione a quella di esercizio del generatore di vapore;
- 2→3: riscaldamento dell'acqua dalla temperatura iniziale Ti a quella di ebollizione Te;
- 3→4: trasformazione a pressione e temperatura costanti da liquido a vapore saturo secco;
- 4→5: surriscaldamento a pressione costante del vapore saturo secco dalla temperatura Te a quella di surriscaldamento Ts;
- 5→6: espansione adiabatica che realizza la fase di lavoro utile ceduto all'esterno: si passa da vapore surriscaldato (5) a vapore saturo secco (6) oppure a vapore saturo umido a titolo x (all'interno delle curve limiti);
- 6→1: condensazione del vapore a pressione e temperatura costanti in una apparecchiatura detta condensatore, nella quale si fa circolare dell'acqua (proveniente, per esempio, da un fiume) che sottrae calore al fluido.
Il ciclo così completato deve essere considerato come un ciclo teorico, specialmente per quanto riguarda la trasformazione 5→6 che nella pratica è una politropica, in quanto non potrà mai essere una adiabatica perfetta.
Impianto a vapore e fasi del ciclo Rankine
Le fasi del ciclo Rankine avvengono in apparecchiature diverse che costituiscono nel loro insieme uno schema elementare di impianto a vapore:
- fase 1→2 di compressione fornita da una pompa che eleva la pressione al valore di quella di esercizio del generatore;
- fase 2→3 di riscaldamento dell'acqua dalla temperatura di alimentazione Ti, a quella di ebollizione Te;
- fase 3→4 di trasformazione del liquido in vapore saturo secco: le fasi 1→2 e 2→3 avvengono nel generatore di vapore nel quale la pressione è mantenuta rigorosamente costante;
- fase 4→5 di surriscaldamento del vapore che avviene in una apparecchiatura, detta surriscaldatore, situata all'interno del generatore stesso;
- fase 5→6 di espansione che è la principale del ciclo: tale fase avviene nella motrice (può essere una macchina alternativa o una turbina) e realizza la fase di lavoro utile ceduto all'esterno;
- fase 6→1 di sottrazione di calore, a pressione costante, nel condensatore con la condensazione del vapore scaricato dalla motrice.
Ciclo di Rankine semplificato
Per semplicità, il ciclo Rankine viene rappresentato facendo coincidere la linea di trasformazione 1→2, supposta a volume costante, con la curva limite inferiore per cui il tratto 1→3 della curva rappresenta contemporaneamente la fase di mandata dell'acqua in caldaia e quella di riscaldamento dell'acqua fino alla temperatura di ebollizione.
Questa variante è giustificata dal fatto che l'acqua viene spinta dalla pompa attraverso apparecchiature (situate all'interno del generatore), dette preriscaldatori d'acqua, nelle quali, a spese dei prodotti della combustione (fumi caldi), la temperatura del liquido si innalza fino a un valore prossimo a quello di ebollizione corrispondente alla pressione di esercizio (caso teorico).
Nel diagramma p-v il ciclo Rankine semplificato è rappresentato di seguito:
In esso si ha:
- fase 1→2: fase di mandata dell'acqua in caldaia e riscaldamento della stessa fino alla temperatura di ebollizione Te (si ha aumento di pressione e temperatura);
- fase 2→3: fase di vaporizzazione dell'acqua in caldaia a pressione e temperatura costante;
- fase 3→4: fase di surriscaldamento del vapore saturo secco dalla temperatura Te fino a quella prefissata Ts sempre a pressione costante;
- fase 4→5: fase di espansione adiabatica del vapore nella motrice;
- fase 5→1: fase di condensazione, a temperatura e pressione costanti, del vapore scaricato dalla motrice.
L'area H245F rappresenta il lavoro ottenuto e l'area H15F il lavoro speso per riportare l'acqua nelle condizioni iniziali: l'area del ciclo 1245 rappresenta il lavoro utile.
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