Come realizzare una turbina a vapore. Prospettive per l'utilizzo di centrali elettriche con fluidi di lavoro bassobollenti

A volte è sorprendente quanto le persone siano disposte a basare l’universalità della loro conoscenza del mondo che li circonda su esempi tratti dalla vita quotidiana.

Ad esempio, quando tutti sentono le parole "La nostra locomotiva sta volando in avanti", molto probabilmente apparirà davanti ai loro occhi la seguente immagine:

Ora - immagina ipoteticamente che invece della solita acqua per una locomotiva a vapore, versiamo il freon nella locomotiva, lo facciamo bollire nella caldaia e esercitiamo pressione sui pistoni della locomotiva. Cosa cambierà nell'immagine in alto?
(spoiler:La locomotiva non emetterà più fumo dal camino. Che non è fumo, ma vapore acqueo. Che, in realtà, sono minuscole goccioline di acqua liquida condensate a seguito dell'espansione del vapore acqueo.)

Il freon, a differenza dell'acqua, quando espanso in una turbina o in un motore a vapore, non condensa allo stato liquido. Questa è la sua differenza termodinamica fondamentale rispetto all'acqua, che, come capiremo di seguito, consente di eseguire con i freon alcuni trucchi ingegneristici che non possono essere eseguiti con l'acqua.

La condensazione dell'acqua in un motore a vapore alternativo alla fine del ciclo di espansione del vapore è, in linea di principio, innocua. In definitiva, Steampunk è in qualche modo impensabile senza un allegro trenino che corre da qualche parte in bellissime nuvole di vapore acqueo (più precisamente, condensa d'acqua, ma questo, spero, sia già chiaro a tutti coloro che leggono).

All'interno di una turbina a vapore che ruota ad alta velocità, la condensazione del vapore acqueo negli ultimi stadi non porta a nulla di buono. Questo è il motivo per cui le centrali termoelettriche sono estremamente riluttanti a scendere al di sotto del 30% del loro valore nominale: in tali modalità operative, la condensazione del vapore acqueo negli ultimi stadi delle turbine a vapore porta alle seguenti tristi conseguenze:

Come puoi vedere, anche l'acciaio di alta qualità viene letteralmente "corroso" dalla condensa dell'acqua: nella realtà delle moderne turbine a vapore, minuscole goccioline a volte si schiantano contro le loro pale a velocità vicine a quella del suono.

Qual è la ragione di questa qualità unica del freon?
Qui dovremo immergerci un po 'nella termodinamica: cercherò solo di presentare tutti i dettagli dei processi nel modo più accessibile possibile per il lettore impreparato. Se, nel processo di presentazione di battute e battute termodinamiche, le vele intellettuali di qualcuno si bloccano improvvisamente - puoi immediatamente saltare alle conclusioni. Sono alla fine dell'articolo, in grassetto. ;)

Qualsiasi motore termico funziona nell'ambito di una certa termodinamica ciclo. Se parliamo di "regime minimo diesel - 400 giri / min", ciò significa che il nostro motore diesel riesce a completare 400 cicli termodinamici intitolati al compagno Diesel in 1 minuto. Questi cicli Diesel nel nostro motore comprendono in sequenza la fase di aspirazione dell'aria, la sua fase di compressione, l'iniezione di carburante diesel, la fase di corsa di potenza e la fase di rimozione dei prodotti della combustione dai cilindri del motore. Allo stesso tempo, il motore Diesel svolge un lavoro utile soltanto durante la fase di corsa di potenza, mentre tutte le altre fasi sono necessarie solo per garantire il funzionamento del dispositivo stesso.

Diagramma T-s di un ciclo Diesel ideale. Il lavoro utile è svolto nella sezione CD. Il significato del diagramma T-s è spiegato di seguito nel testo.

All'aumentare del numero di giri, aumenta il numero di cicli Diesel per unità di tempo e possiamo estrarre più potenza dal motore, anche se la potenza rimane invariata in ciascun ciclo.

Il ciclo ideale di un motore termico è il cosiddetto Ciclo di Carnot. Questo è il caso ideale di un motore termico, "l'alfa e l'omega" della termodinamica applicata, il suo Santo Graal e cavallo sferico - allo stesso tempo. In realtà, non è implementato da nessuna parte, ma l'astrazione di questo ciclo è molto importante per valutare tutte le idee applicate, proprio come, ad esempio, l'astrazione di un punto matematico è importante per dimostrare tutti i teoremi di geometria.
Ciclo di Carnot

Lo scienziato francese Sadi Carnot propose questo ciclo per valutare i motori termici a metà del XIX secolo. Il ciclo implica che l'espansione, la compressione, il trasferimento di energia al fluido di lavoro e l'assunzione di energia in eccesso da esso durino il più a lungo possibile (idealmente indefinitamente) e senza perdite aggiuntive dovute all'attrito, perdita di energia attraverso le pareti del volume di lavoro, ecc. È chiaro che è impossibile implementare un tale ciclo nel quadro di un vero motore termico - e, di conseguenza, in effetti, l'umanità usa modi rapidi e sporchi sotto forma di veri cicli termodinamici, che a uno grado o altro sono surrogati del ciclo di Carnot ideale.

Per facilità di calcolo, tutti i cicli termodinamici sono disegnati in coordinate speciali "temperatura-entropia" (T-s), in cui è conveniente analizzarli e confrontarli tra loro. Il nostro standard, il ciclo Carnot-old-vintage-style, è bello e laconico:

Ciclo di Carnot. AB - trasferimento di energia al fluido di lavoro, BV - espansione del fluido di lavoro, VG - apporto di energia dal fluido di lavoro, AG - compressione del fluido di lavoro.

Il ciclo di Carnot permette di ottenere massima efficienza motore termico a determinate temperature del riscaldatore e del frigorifero. Se qualcuno vuole capire il perché, può studiare autonomamente tutti i cicli termodinamici inventati dall'uomo e confrontarli con l'idea di Sadi Carnot. Per la nostra comprensione puramente applicata, è sufficiente sapere che questa efficienza massima è determinata dal rapporto tra le aree dei rettangoli ABVG (questo è il lavoro utile del ciclo) e ABS2S1 (questa è l'energia totale spesa nel ciclo). Perciò, che più il ciclo reale è vicino al “rettangolo di Carnot”, maggiore è l’efficienza che possiamo aspettarci da un tale ciclo. Il lavoro utile nel ciclo Carnot, come nel ciclo Diesel, viene eseguito solo in una sezione: sul rettilineo BV. A proposito, col senno di poi, guardando il diagramma del ciclo Diesel in coordinate T-s, puoi capire perché amiamo così tanto il vecchio: il suo diagramma, sebbene non sia un rettangolo di Carnot, si sforza di esserlo.

Quindi, se vogliamo aumentare l’efficienza dei motori termici (e ricordiamo che l’efficienza dell’energia primaria comunque inevitabilmente calerà e quindi in futuro dovremo lottare per ogni percentuale di efficienza nella successiva trasformazione energia primaria), quindi dalla matematica termodinamica abbiamo solo tre modi per farlo:

1. Aumentare la temperatura del riscaldatore (aumentare il rettangolo ABCD).
2. Abbassare la temperatura del liquido di raffreddamento (ridurre il rettangolo ÂГS1S2).
3. Utilizzare più cicli termodinamici “rettangolari”.

Il classico fluido di lavoro - l'acqua, ora ampiamente utilizzato nelle turbine termiche - ha una curva molto spiacevole nelle coordinate T-s (temperatura-entropia). Qui sotto, nelle immagini potete vedere tutto chiaramente, ma vi spiegherò tutto “sulle dita”.

Si cerca di eseguire il più possibile il processo di espansione del vapore di qualsiasi sostanza, sia essa acqua o qualsiasi fluido di lavoro organico isoentropico, cioè da eseguire praticamente senza perdite meccaniche o termiche. Nel diagramma T-s questo processo corrisponde a verticale dritto, il che significa che il nostro ciclo in questa parte ripeterà bene il “rettangolo di Carnot ideale”. Un processo isoentropico corrisponde a un processo adiabatico ideale, cioè al processo di libera espansione di un gas o vapore. Ecco un esempio di un vero ciclo Rankine, ora utilizzato nelle turbine a vapore. A differenza del ciclo Diesel, che è legato ad ogni giro del motore a combustione interna, i cicli turbina non sono periodici, cioè mostrano solo il movimento medio dell'intero fluido di lavoro nel ciclo. Ma per la termodinamica questo non ha alcun ruolo:

Il ciclo Rankine di una turbina a vapore sull'acqua si trova all'interno della curva rossa 1-2-3-4. Espansione del vapore - sezione 3-4.

Nella vita reale, sia i motori a pistoni che le turbine non espandono il gas e il vapore in modo isoentropico, quindi il processo per ottenere energia utile dal ciclo avviene con perdite e la linea retta verticale di espansione adiabatica sul grafico devia leggermente alla sua estremità inferiore verso Giusto. Nel primo grafico la fase di lavoro utile nel ciclo di una macchina a pistoni o turbina è la curva 3-4.

Poiché il processo di espansione adiabatica avviene nel vapore e nel gas con simultaneo perdita sia di pressione che di temperatura - è così che funziona il mondo - quindi prima o poi il vapore del fluido di lavoro risulta raffreddato alla temperatura di condensazione (vapore dal camino di una locomotiva a vapore). In questo caso, superare il “punto di rugiada” (punto 4 del primo grafico) significa che non è possibile eseguire ulteriore lavoro con il vapore, poiché qualsiasi ulteriore espansione del vapore causerà solo la sua condensazione (come mostrato dalla linea 4-1) . È impossibile evitare il punto di rugiada quando si lavora sull'acqua: all'interno della "montagna di rottura", che è inoltre disegnata sul diagramma T-s dell'acqua, l'acqua rimane volentieri sia allo stato di vapore che a quello liquido.

Pertanto, nel momento in cui il vapore supera il “punto di rugiada” dal meccanismo di funzionamento (turbina o cilindro), è consigliabile rimuoverlo e utilizzarlo ulteriormente o in uno scambiatore di calore o in un condensatore, chiudendo il ciclo termodinamico.

In questo momento la temperatura dell'acqua è già al di sotto del punto di ebollizione e quindi non è possibile utilizzare direttamente il calore rimasto nel fluido di lavoro per scopi diversi dal riscaldamento o dalla fornitura di acqua calda alla popolazione.

Per aumentare l'efficienza del classico ciclo Rankine sull'acqua, è necessario escogitare vari "trucchi" oltre alla consueta espansione del vapore saturo: surriscaldare ulteriormente il vapore, installare un secondo surriscaldamento del vapore dopo la prima fase di l'espansore, azionano il vapore in modo incompleto e utilizzano parte del calore del vapore per “riscaldare” il vapore che entra nell'acqua del ciclo.
Tutte queste possibilità possono essere viste chiaramente qui:

Surriscaldamento del vapore

Doppio surriscaldamento del vapore

Doppio surriscaldamento del vapore con rigenerazione

Con tali "trucchi" cercano di "stringere" in qualche modo il brutto diagramma del ciclo di Rankine per l'acqua nell'area al rettangolo ideale del ciclo di Carnot. Tuttavia, non assomiglia molto a un rettangolo...

Ma i refrigeranti organici (freon e idrocarburi) si rivelano molto più interessanti a questo riguardo dell'acqua: la loro espansione quasi isoentropica in una macchina a pistoni o in una turbina non porta alla regione del vapore saturo (la "montagna di rottura" sull'acqua T-s grafico), ma alla regione del vapore surriscaldato. La montagna risulta non solo “gobba”, ma anche “ubriaca”:

Il ciclo Rankine sul pentano è una curva 1-2-3-4-5-6-7. 5-6 - espansione del fluido di lavoro attraverso una turbina o un pistone. 6-7 - recupero di calore attraverso uno scambiatore di calore. Come puoi vedere, il ciclo è quasi un rettangolo!

Cos'è il vapore surriscaldato? Questo è vapore che, anche con il desiderio più ardente, non può condensarsi in liquido. Vuoi un esempio? Ghiaccio secco. A pressione atmosferica, l’anidride carbonica può essere allo stato gassoso (vapore surriscaldato) o solido (ghiaccio secco). Tutti i tentativi di trasformarlo allo stato liquido non avranno successo. Lei non vuole questo. Pertanto, a quanto pare, l'idrocarburo non è solo un carburante, ma anche un ottimo fluido di lavoro per un motore termico!

Cioè, se usi il ciclo Rankine su freon (o idrocarburi), non devi preoccuparti affatto della condensazione del fluido di lavoro nelle turbine. Inoltre, per chiudere questo ciclo, è addirittura necessario rimuovere artificialmente il calore dai freon costruendo uno scambiatore di calore dopo il dispositivo di espansione: una turbina o un pistone.

Nel processo di recupero del calore e della sua selezione dal vapore pentano surriscaldato, avviene l'evaporazione “libera” della porzione successiva del fluido di lavoro, necessaria per avviare il ciclo di lavoro successivo, ovvero non è necessario spendere ulteriori e considerevoli energia su questo, come avviene nel caso dell’acqua.

Pertanto, per il ciclo Rankine organico è meglio avere un buon scambiatore-recuperatore, e l'espansore (turbina, pistone) può essere di qualità molto media (e quindi può essere economico e di piccole dimensioni) - purché tale l'espansore non forza la pompa a pompare una quantità eccessiva di fluido di lavoro.

Inoltre, poiché uno scambiatore di calore solitamente non contiene parti mobili o rotanti, è molto più semplice farlo bene rispetto ad una macchina a pistoni o ad una turbina.

Pertanto si possono trarre le seguenti conclusioni:

1. I freon, a causa del loro basso punto di ebollizione, possono fondamentalmente funzionare con temperature molto più basse dei riscaldatori (questo è molto importante!) e dei refrigeratori (questo è molto importante per la Russia!).
2. I freon non creano problemi con la condensa del fluido di lavoro all'interno delle parti di lavoro dei motori termici.
3. I freon rendono possibile realizzare motori termici economici, semplici e facilmente scalabili a piccole dimensioni.

Dopo aver terminato la teoria, nel materiale successivo passiamo alla pratica. In cui apprendiamo del soleggiato Israele, della nebbiosa Alaska e di 5 centrali nucleari della società Gazprom. ;)

Centrale termica contiene un impianto di turbina a vapore con generatore elettrico e sistema di alimentazione elettrica, caratterizzato dal fatto di essere dotato di uno stadio a freon contenente una turbina a freon, una torre di raffreddamento con ventilatore a secco, una pompa ed un evaporatore, installati in serie, collegati idraulicamente e formanti un circuito a freon di una centrale termoelettrica. Sullo stesso albero si trovano la turbina a vapore, il generatore elettrico e la turbina a vapore a freon. Il risultato tecnico del modello di utilità proposto è la realizzazione di una centrale termoelettrica ad alto rendimento e di ingombro ridotto.

Il modello di utilità proposto si riferisce all'ingegneria termoelettrica e può essere utilizzato nelle centrali elettriche per produrre energia elettrica.

Una centrale termoelettrica è nota [Kutateladze S.S., Rosenfeld L.M. / Brevetto 941517] comprendente una turbina a vapore freon con generatore elettrico, condensatore, pompa e scambiatore di calore.

Tuttavia, questa installazione è a bassa potenza, funziona con parametri di vapore bassi e presenta indicatori tecnici ed economici bassi.

Inoltre, è nota una centrale termoelettrica [Dobroumov L.A., Telyakova T.V.. Impianti con turbine a vapore per centrali termiche e centrali nucleari: Catalogo industriale / Ed. V.N. Butina. - M.: Casa editrice TsNIITEITYAZHMASH, 1994. - 96 p.] che è un prototipo del modello di utilità proposto e contiene un'installazione di turbina a vapore con un generatore elettrico e un sistema di alimentazione elettrica. L'unità turbina a vapore è collegata idraulicamente all'evaporatore.

Tuttavia, il prototipo presenta degli svantaggi: a causa delle proprietà fisiche dell'acqua, la condensazione del vapore acqueo non è consentita a temperature inferiori a 273 K, il che provoca una bassa efficienza; elevate portate volumetriche specifiche di vapore acqueo determinano ingombri notevoli.

L'obiettivo del modello di utilità proposto è quello di realizzare una centrale termoelettrica ad alto rendimento e di ingombro ridotto.

Il compito è raggiunto dal fatto che la centrale termica, contenente un generatore elettrico con un sistema di alimentazione elettrica, è dotata di uno stadio a freon, che si trova sullo stesso albero con il generatore elettrico, e del circuito a freon dell'energia termica l'impianto è uno stadio freon, una torre di raffreddamento con ventola a secco, una pompa e un evaporatore, installati in serie, collegati idraulicamente.

Il disegno mostra uno schema a blocchi dell'impianto proposto.

La centrale termoelettrica proposta contiene un'unità turbina a vapore e uno stadio a freon. Un impianto a turbina a vapore con sistema di alimentazione elettrica è costituito da una turbina a vapore (1), un generatore elettrico (2), un evaporatore (3), riscaldatori a bassa pressione (4), un disaeratore (5), riscaldatori ad alta pressione (6) , e una caldaia (7). Lo stadio del freon è costituito da una turbina a freon (8), una torre di raffreddamento con ventola a secco (9) e una pompa (10) installata in serie e collegata idraulicamente. In questo caso, sullo stesso albero si trovano la turbina a vapore, il generatore elettrico e il gruppo turbina a vapore a freon.

Questa installazione funziona come segue: il vapore acqueo entra nella turbina a vapore (1), quindi il vapore entra nell'evaporatore (3), dove si condensa a causa del freon che entra nell'evaporatore (3), quindi il vapore condensato (acqua) va a nei riscaldatori a bassa pressione (4 ), poi nel disaeratore (5) e poi nei riscaldatori ad alta pressione (6) e successivamente nella caldaia (7). Secondo il ciclo del freon, il freon che entra nell'evaporatore (3) si trasforma in uno stato di vapore a causa dei parametri del vapore acqueo, quindi il vapore del freon entra nella turbina del freon (8), il freon esaurito viene condensato in una torre di raffreddamento con ventola a secco (9) e alimentato da una pompa (10) all'evaporatore (3), formando così un circuito chiuso del freon.

Pertanto, la centrale termoelettrica proposta, rispetto al prototipo: ha uno stadio a freon, che utilizza il freon come fluido di lavoro; A causa delle proprietà fisiche del freon, rispetto all'acqua, è garantito un basso consumo volumetrico specifico di freon, che porta ad una riduzione delle dimensioni. Grazie alla condensazione del vapore freon a temperature inferiori a 273 K è garantita un'elevata efficienza.

La società Infinity Turbine ha rilasciato un generatore elettrico a microturbina funzionante nel ciclo Rankine organico. Molti si chiederanno: “Cos’è comunque il ciclo Rankine organico?” Per cominciare, ricordiamo cos'è un ciclo Rankine ordinario e non organico.

Il ciclo Rankine è il processo termodinamico più comune nelle centrali termoelettriche. Infatti, tutti i generatori a turbina a vapore delle centrali termoelettriche funzionano secondo il ciclo Rankine o sue varianti. Innanzitutto l'acqua viene riscaldata ed evapora, quindi il vapore viene surriscaldato, il vapore surriscaldato si espande e fa ruotare la turbina, il vapore di scarico viene condensato con l'ausilio di acqua di raffreddamento, il vapore condensato viene compresso per essere fornito al generatore di vapore.

Nel ciclo Rankine organico (ORC), invece dell'acqua, come fluido di lavoro vengono utilizzati liquidi organici che bollono a temperature più basse. I liquidi organici hanno pesi molecolari più elevati, che rallentano la velocità delle turbine. Ad esempio, possono essere utilizzati freon simili a quelli utilizzati nella tecnologia della refrigerazione. Grazie all'uso di tale fluido di lavoro, diventa possibile utilizzare fonti di calore a bassa temperatura (70 - 90ºС). Questi possono essere sistemi di accumulo del calore come stagni solari, torri di raffreddamento, geyser, collettori solari e persino sistemi di riscaldamento. L'efficienza di tali generatori è bassa, ma a causa del basso costo di questo tipo di calore e dell'elevata efficienza complessiva del sistema, tali generatori possono occupare la loro nicchia.

Schema di funzionamento della turbina ORC

Cosa significa efficienza totale?

Il fatto è che, ad esempio, quando un generatore ORC funziona in un sistema di riscaldamento, la fonte sarà il refrigerante di "mandata" e il raffreddamento sarà il refrigerante di "ritorno". Quelli. tutto il calore verrà comunque utilizzato dal sistema di riscaldamento. Quando un tale generatore funziona con un sistema di riscaldamento, il consumatore riceve la propria centrale termica affidabile ad alta efficienza.

Aspetto della microturbina Infinity Turbine IT10

Vantaggi

• Sono state create microturbine con una potenza di 2 kW o più! La gamma di potenza delle turbine di altri produttori parte solitamente da 100 kW.
• Velocità di rotazione della turbina 1800 - 3600 giri/min. La turbina è collegata direttamente (o tramite un giunto) ad un generatore elettrico convenzionale. Vengono utilizzati cuscinetti e lubrificanti regolari. Al contrario, le tipiche microturbine hanno una velocità di rotazione fino a 100mila giri al minuto. Ciò richiede uno sforzo enorme per sostenere la turbina. Vengono utilizzati cuscinetti ceramici o ad aria di precisione, lubrificanti, filtri dell'aria, ecc .
• Possibilità di molti anni di funzionamento senza manutenzione
• Funziona con una differenza di temperatura tra il riscaldatore e il frigorifero di 50 ºС

Applicazioni delle turbine a ciclo organico Renina

• Recupero di calore da gas, combustibili solidi, combustibili liquidi, centrali termoelettriche, centrali termoelettriche;
• Recupero di calore da centrali di compressione;
• Recupero di calore da processi industriali (metallurgia, fabbriche di laterizi, cemento, vetro, alcool, ecc.);
• Sfruttamento del calore di combustione proveniente da biomasse (pellet, torba);
• Recupero calore da impianti di incenerimento rifiuti, scarti di lavorazione del legno;
• Recupero del calore dai gas di petrolio combusti;
• Recupero di calore da generatori diesel e turbogeneratori;
• Recupero di calore dall'acqua calda di scarico;
• Sorgenti geotermiche;
• Gas di scarico;
• Recupero di calore da pozzi di gas e petrolio

Per gli amanti del fai da te

Nel video, il designer ha assemblato un'installazione con ORC in casa. L'installazione si basa su parti di serie di automobili e apparecchiature di refrigerazione: un compressore scroll di un condizionatore d'aria per auto, una turbina, un turbocompressore per auto, ecc.

Video in inglese

Attualmente, le fonti di energia meccanica nelle automobili sono principalmente motori a combustione interna. La conversione dell'energia del carburante in energia meccanica è associata a perdite significative, quindi è necessario innanzitutto trovare modi per ridurre queste perdite e ottenere la massima efficienza dell'energia contenuta nel carburante. A questo scopo occorre innanzitutto selezionare il ciclo termodinamico ottimale.

Un motore a combustione interna utilizza due diversi cicli termodinamici. Un motore a benzina funziona in modo tale che durante la fase di aspirazione viene aspirata nel cilindro una miscela aria-carburante, che viene poi compressa durante la fase di compressione, quindi, nel momento in cui il pistone si trova al punto morto superiore (PMS), viene acceso da una scintilla elettrica e si brucia. I gas generati durante la combustione si espandono a causa del calore rilasciato, la loro pressione aumenta e sotto l'influenza di questa pressione si verifica la corsa di lavoro del pistone. Quando il pistone si sposta successivamente al PMS, i gas di scarico vengono rimossi dal cilindro. Questo ciclo idealizzato (ciclo Otto) prevede il riempimento e la pulizia del cilindro con il pistone al punto morto e la combustione che avviene con il pistone al PMS.

Un altro ciclo termodinamico (ciclo Diesel) procede in modo simile, con l'unica differenza che la combustione non avviene a pistone fermo, ma durante il suo spostamento dal PMS in modo tale che la pressione dei gas durante il processo di combustione rimanga costante e solo dopo la completa combustione del combustibile inizia la loro espansione. Infatti, in entrambi i cicli descritti, la combustione avviene con pistone in movimento e variazione di pressione, cioè i cicli reali dei motori a combustione interna sono cicli con apporto di calore misto. Una discussione più dettagliata di entrambi i cicli e delle loro differenze può essere trovata nella letteratura specializzata.

Ciò che è importante è l’efficienza del motore, che mostra quanta energia del carburante viene convertita in lavoro meccanico. non tiene conto di e , quindi è il prodotto dell'indicatore e . Pertanto, è possibile ottenere un utilizzo più completo dell'energia del carburante migliorando non solo l'indicatore, ma anche l'efficienza meccanica.

Quando un motore a combustione interna funziona, 1/3 dell'energia del carburante viene convertita in energia meccanica, 1/3 viene trasferita all'ambiente mediante raffreddamento e 1/3 viene rilasciata come energia. Qualsiasi utilizzo delle perdite di calore degli ultimi due tipi significa risparmio energetico, uso più razionale della potenza del motore e migliore equilibrio termico della vettura.

Pertanto, l'utilizzo del calore assorbito dal liquido di raffreddamento, che in linea di principio deve essere rimosso dal motore per riscaldare l'abitacolo o la carrozzeria, è un tipico esempio di ciò che è necessario per il riscaldamento autonomo. Gli stessi esempi sono il riscaldamento con gas di scarico delle carrozzerie dei camion che trasportano merci congelate (minerali, carbone, liquidi), l'uso dell'energia dei gas di scarico per il riscaldamento e il riscaldamento con i gas di scarico per estrarne l'idrogeno.

Il ciclo di Carnot è spesso utilizzato come criterio per valutare i cicli termodinamici.

I requisiti di un ciclo di Carnot ideale non sono soddisfatti da nessuno dei cicli conosciuti (Otto, Diesel, Rankin, Stirling). Dall'analisi del ciclo di Carnot segue che l'efficienza del ciclo termodinamico dipende dalla differenza tra la temperatura massima T1 e la temperatura minima T2. Poiché la temperatura T2 può, nel caso più estremo, essere la temperatura ambiente, l'efficienza del ciclo termodinamico non raggiungerà mai il 100%.

La combustione del carburante direttamente nel cilindro consente di ottenere la massima differenza tra le temperature T 1 e T 2. o una turbina non sarà mai in grado di raggiungere l’efficienza di un motore a combustione interna, che si manifesta nel consumo specifico di carburante.

Quando si confrontano i cicli dei motori termici, vengono utilizzati tre tipi, che differiscono nel processo di modifica della pressione e della temperatura del gas nel cilindro:

• ciclo con fornitura di calore a volume costante e posizione del pistone al punto morto superiore (PMS);
• ciclo con apporto termico a pressione costante e volume variabile;
• ciclo con fornitura di calore mista, ovvero fornitura prima a volume costante e poi a pressione costante.

Nei cilindri dei motori termici si verificano cambiamenti di stato del gas, tra i quali i più importanti per il confronto sono i seguenti:

• compressione ed espansione adiabatica, in cui il calore non viene fornito o rimosso dal gas attraverso le pareti del cilindro;
• compressione ed espansione isotermica, in cui la temperatura del gas rimane costante;
• compressione ed espansione politropica, caratterizzata sia dall'apporto di calore al gas che dal rilascio di calore dal gas durante il processo.

Un esempio di processo politropico è la corsa di compressione di un motore a combustione interna. All'inizio di questa corsa, viene fornito calore al gas freddo che entra durante l'aspirazione dalle pareti calde del cilindro, e alla fine della corsa, il gas, riscaldato a seguito della compressione ad una temperatura superiore alla temperatura del pareti del cilindro, cede già calore alle pareti del cilindro.

Nel caso di cicli termodinamici ideali si assume che non vi sia scambio termico con le pareti del cilindro, cioè i processi siano di natura adiabatica.

Cicli dei motori a combustione interna

Come primo esempio si consideri un ciclo con apporto termico a volume costante, al quale il ciclo di funzionamento effettivo di un motore a benzina è abbastanza vicino. Questo ciclo è mostrato in Fig. 1, che mostra la variazione della pressione p nel cilindro in funzione del volume di gas V. Per chiarezza, un cilindro con pistone è mostrato schematicamente nella parte inferiore della figura. Diametro cilindro D, corsa pistone Z. La linea tratteggiata mostra le posizioni superiore (PMS) e inferiore (PMI) del pistone. Il volume della camera di combustione è V 2 e il rapporto di compressione

Per determinare il bilancio termico è necessario conoscere la quantità di calore fornito Qp e sottratto Q0. La cosiddetta efficienza termica è calcolata dalla formula

η = (Q p – Q 0)/Q p.

Cominciamo ad osservare l'andamento del ciclo in Fig. 1 dal punto 1 corrispondente alla posizione inferiore (PMI) del pistone. Man mano che si muove verso l'alto, la compressione adiabatica avviene fino al punto 2, corrispondente alla posizione alta (PMS) del pistone. Dal punto 2 al punto 3, con il pistone fermo, viene ceduto al gas il calore Q pV e la pressione del gas aumenta. Dal punto 3 il pistone si sposta al punto 4 (PMI) e avviene l'espansione adiabatica. Nel tratto dal punto 4 al punto 1, a pistone fermo, il calore Q 0V del gas viene ceduto alle pareti del cilindro. L'area ombreggiata del diagramma dell'indicatore indica il lavoro svolto A t .

Oltre al diagramma p-V descritto in Fig. La Figura 1 mostra lo stesso ciclo nelle coordinate temperatura T - entropia S.

Per la nostra analisi è sufficiente determinare cosa si intende per valori di entropia S. L'entropia non può essere misurata direttamente, quindi siamo d'accordo che se viene fornito calore a una sostanza, l'entropia aumenta e quando il calore le viene rimosso diminuisce. I diagrammi in coordinate T-S serviranno solo per il confronto con il ciclo di Carnot, che rappresenta il massimo ciclo ottenibile in termini di efficienza.

Un altro ciclo termodinamico, in cui il calore viene fornito a pressione costante, è mostrato in Fig. 2. Questo ciclo è il più vicino al ciclo operativo effettivo di un motore diesel, soprattutto a basse velocità. Creando una certa legge di alimentazione del carburante, è possibile mantenere quasi costante la pressione massima nel cilindro durante la combustione.

Rispetto alla figura precedente, lo schema di Fig. 2 differisce in quanto dopo il completamento della corsa di compressione al punto 2, l'iniezione del carburante avviene mentre la corsa di espansione è già iniziata in modo che la pressione dei gas durante la combustione rimanga costante fino al punto 3, dopodiché inizia l'espansione adiabatica.

In realtà, la fornitura di calore non avviene solo a volume costante o solo a pressione costante. Il ciclo con fornitura di calore mista, mostrato in Fig., è il più vicino alle condizioni reali. 3. In questo caso, la fornitura di calore inizia al punto 2 dopo il completamento della compressione e la quantità di calore QpV viene fornita a volume costante ai punti 2, 3 e la sua ulteriore fornitura nella quantità di Q pp avviene a volume costante pressione fino al punto 3. Successivamente si verifica l'espansione adiabatica dal punto 3 al punto 4.

I cicli termodinamici sopra descritti in realtà non sono veri. Per confronto, presentiamo anche il ciclo di Carnot (Fig. 4), che garantisce il massimo utilizzo del calore fornito. Questo ciclo inizia, come gli altri, con la compressione adiabatica dal punto 1 al punto 2. Nel diagramma T-S questa compressione adiabatica è rappresentata come una linea retta verticale, poiché in questo caso l'entropia non cambia, ma aumenta solo la temperatura da T 2 a T 1. Al punto 2 inizia la fornitura di calore isotermico, che prosegue fino al punto 3. Poiché la temperatura non cambia, il volume deve quindi aumentare. Nel diagramma T-S, questo processo è rappresentato come una linea orizzontale a temperatura costante T 1. L'entropia del gas in quest'area aumenta.

Dal punto 3 al punto 4 avviene l'espansione adiabatica, rappresentata nel diagramma T-S dal segmento verticale 3-4. Segue la rimozione del calore a temperatura costante fino al punto 1. Il lavoro svolto in questo ciclo è rappresentato nel diagramma T-S dal rettangolo 1-2-3-4 e rappresenta il massimo sfruttamento possibile di calore nell'intervallo di temperature da T 1 a T 2. Tuttavia, è impossibile implementare nella pratica un simile ciclo.

In un motore a combustione interna, dopo che i gas si espandono dal cilindro, il calore in essi contenuto viene rimosso insieme ad essi. L'aria fredda proveniente dall'atmosfera circostante entra quindi nel cilindro. Per un motore a quattro tempi, ciò si ottiene aggiungendo una corsa di scarico e una corsa di aspirazione e, y, spurgando il cilindro quando il pistone si trova al PMI.

Motori a combustione esterna

Il motore Stirling è un motore a combustione esterna. Il fluido di lavoro (aria) riceve calore non attraverso la combustione diretta del carburante nel cilindro di lavoro, ma fornendolo dall'esterno attraverso le pareti. Questo è discusso più dettagliatamente nell'articolo "Motore Stirling". Per valutare un motore Stirling può essere utilizzato anche un ciclo con apporto di calore misto (vedi fig. 3), con l'eccezione che una parte del calore rimosso Q 0 quando si utilizza un rigeneratore viene restituita alla quantità totale di apporto di calore Q p . La variazione di pressione nel cilindro di un motore reale differisce in modo significativo dalla variazione di pressione in un ciclo termodinamico. Questo perché la combustione del carburante non avviene solo quando il pistone è al PMS o a pressione costante all'inizio della corsa di espansione. Le luci di scarico si aprono prima che il pistone raggiunga il PMI, e quindi la pressione a monte di esso è già inferiore a quella che sarebbe al PMI con la luce chiusa. Anche la compressione inizia solo dopo la chiusura della valvola di aspirazione, cioè dopo il PMI. Tuttavia, per i motori a quattro tempi, i diagrammi del ciclo termodinamico presentati sopra non rappresentano i processi di variazione di pressione durante le fasi di aspirazione e scarico, a causa della presenza dei quali gli angoli dei cicli termodinamici nei cicli operativi effettivi sono significativamente arrotondati vicino al PMS e BDC.

Poiché qui viene considerata solo una questione pratica: ridurre il consumo di carburante garantendo al tempo stesso un funzionamento efficiente ed economico dell'auto, sopra sono stati delineati solo i principi di base necessari per comprendere i cicli di funzionamento del motore.

In precedenza, per guidare l'auto veniva utilizzato un motore a vapore, di cui i designer non dimenticano oggi. Pertanto, spiegheremo brevemente i principi di funzionamento di una centrale elettrica a vapore utilizzando il ciclo Rankine.

Uno schema di tale installazione è mostrato in Fig. 5. Nella caldaia a vapore 1, l'acqua viene riscaldata fino al punto di ebollizione e il vapore saturo fluisce nel surriscaldatore 2, nel quale la temperatura del vapore aumenta. Il vapore surriscaldato entra quindi nella macchina a vapore 3, il cui cilindro è dotato di isolamento termico, dove avviene l'espansione adiabatica del vapore e, per questo motivo, viene eseguito lavoro.

Il vapore di scarico del motore entra nel condensatore 4, dove si condensa in acqua. L'acqua proveniente dal condensatore viene restituita alla caldaia vapore tramite la pompa di alimentazione 5.

Il lavoro utile di una macchina a vapore è determinato dalla differenza tra il lavoro svolto dalla macchina a vapore stessa e dalla pompa di alimentazione. Poiché il volume di acqua fornita dalla pompa alla caldaia è insignificante rispetto al volume di vapore in uscita dalla caldaia a pressione costante, a valori di pressione bassi il lavoro di questa pompa è molto piccolo e può essere ignorato. A differenza dei motori a combustione interna, dove il processo di combustione del carburante avviene direttamente nel cilindro di lavoro, un motore a vapore non ha una camera di compressione (combustione). Questa è una chiara vittoria poiché la camera di compressione è uno spazio di scarto che dovrebbe essere ridotto al minimo.

Una proprietà negativa di un motore a vapore è che il calore viene fornito al fluido di lavoro attraverso una parete metallica, che deve avere elevata resistenza al calore e resistenza. Nonostante attualmente le caldaie a vapore funzionino a pressioni superiori a 10 MPa e ad una temperatura del vapore di 470 °C, la temperatura del fluido di lavoro rimane quasi 2000 °C inferiore a quella di un motore a combustione interna. La temperatura minima T2 può essere la stessa per i cicli confrontati, poiché è praticamente la temperatura dell'aria ambiente. Per una macchina a vapore con condensatore il valore T 2 = 40 °C è facilmente raggiungibile.

Una buona turbina a vapore ha un rendimento di circa il 34% contro il 40% di un motore a combustione interna. Tuttavia, quando si utilizza una turbina a vapore, bisogna tenere conto che il rendimento della caldaia è di circa l'85%, quindi il rendimento complessivo della turbina a vapore nel suo complesso scende al 28,9%. Il carburante per caldaie è più economico del carburante per motori a base di petrolio, poiché come tale è possibile utilizzare il carbone. Il potere calorifico del carbone è tuttavia inferiore a quello del petrolio, ma se come combustibile per caldaie si utilizza gas naturale o olio combustibile, la differenza di costo rispetto al carbone è minima.

In un motore a combustione interna, i gas di scarico hanno una temperatura superiore a 1000 °C al termine del processo di espansione, ma in un motore a pistoni è molto difficile sfruttare il loro calore mediante un'ulteriore espansione.

Il trasferimento di gas con una temperatura di 1000 °C da un motore all'altro è associato a grandi perdite termiche e difficoltà tecniche. In particolare, un motore a pistoni con manovellismo classico, a causa delle sue dimensioni e del suo peso, non è adatto per un'ulteriore espansione dei gas di scarico a tale temperatura.

Una turbina a gas è la più adatta per sfruttare l'energia di grandi quantità di gas di scarico a una pressione relativamente bassa. Viene solitamente utilizzato per un ciclo ripetuto di espansione del gas e serve ad azionare un compressore centrifugo che fornisce aria al motore (motori sovralimentati a turbina a gas) o trasmette la sua potenza (ad esempio attraverso una trasmissione ad ingranaggi) direttamente all'albero motore (il cosiddetto motore turbocompound).

Per sfruttare il calore dei gas di scarico dei motori a combustione interna si può utilizzare anche il ciclo Rankine. I gas di scarico riscaldano un liquido (ad esempio il freon), i cui vapori entrano nel motore rotativo. Questo motore è più piccolo e meglio bilanciato di un motore a pistoni con meccanismo a manovella.

Il progetto di una tale centrale elettrica combinata (Fig. 6 e 7) è già in fase di test. Tuttavia, va tenuto presente che può utilizzare solo una certa parte dell'energia dei gas di scarico, corrispondente all'efficienza del ciclo Rankine.

Oltre allo schema descritto con un motore rotativo funzionante a freon, sono noti anche i test di un'installazione combinata, costituita da un motore a combustione interna di Mack (USA) con una potenza turbocompressa di 212 kW e una turbina a vapore, nella quale entrava il vapore da una caldaia riscaldata dal calore dei gas di scarico del motore. Il motore Mak installato su un camion a lungo raggio funziona per lo più a piena potenza ed è quindi il più adatto a sfruttare il calore dei gas di scarico. La turbina a vapore negli esperimenti ha sviluppato una potenza di 40 kW, che corrisponde ad un aumento della potenza e, di conseguenza, del rendimento dell'impianto del 19%.