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Ciclo di RankineQuesta voce o sezione sull'argomento fisica non cita le fonti necessarie o quelle presenti sono insufficienti.
  Il ciclo di Rankine è un ciclo termodinamico endoreversibile creato da William Rankine, composto da due isoentropiche e due isobare. Il suo scopo è quello di trasformare il calore in lavoro. È alla base del funzionamento del motore a vapore di qualsiasi tipo. CaratteristicheQuesto ciclo è adottato nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica con turbina a vapore ed utilizza come fluido motore il vapore acqueo, sia in forma liquida che sotto forma aeriforme. Per tale uso l'acqua è opportunamente demineralizzata e degasata. Originariamente era l'unico tipo di ciclo termodinamico impiegato anche nella trazione ferroviaria e nella propulsione navale, ambiti in cui oggi sta cadendo in disuso, soppiantato dal motore Diesel e dal gruppo turbogas con ciclo Brayton-Joule; è invece tuttora indispensabile per gli apparati motori ad energia nucleare (centrali elettriche, sottomarini e portaerei). Utilizzi attuali minori, in diffusione, sono la generazione elettrica con potenze limitate (5 - 500 kW), con macchina alternativa (a pistoni) di ultima generazione a ciclo chiuso, mediante utilizzo di materiali di alta tecnologia (superleghe, compositi, ceramiche) che hanno ovviato a limiti dei motori a combustione esterna di questo tipo: scambio termico molto efficiente, avviamento (vaporizzazione) estremamente veloce, estrema semplificazione strutturale. Tale tecnologia non esclude anche l'utilizzo alla trazione meccanica dei mezzi medio - piccoli. Un indubbio vantaggio, analogo a tutti i sistemi di generazione esotermica, è il fatto che la sorgente di calore non è legata strettamente ad un combustibile specifico. Il ciclo può essere:
Nel secondo caso abbiamo che il ciclo si compone di quattro organi:
Per evitare l'usura delle palette negli ultimi stadi e, soprattutto, mantenere elevato il rendimento di espansione in turbina, si cerca di avere un titolo di vapore saturo il più elevato possibile (approssimativamente il rendimento della turbina cala di una quantità pari alla percentuale di liquido saturo di fine espansione). Si è soliti, per aumentare il rendimento del ciclo, anche "spillare" una certa portata di vapore (che può arrivare fino all'80%) per preriscaldare l'acqua in ingresso alla caldaia, con un metodo noto come rigenerazione termica.
Il vapore che esce dal condensatore come liquido saturo entra in seguito nella pompa per ripetere il ciclo. Il ciclo di Rankine semplice prevede l'azione della pompa per elevare la pressione, quindi un riscaldamento isobaro fino ad ottenere vapore saturo secco quindi espanso in turbina e fatto poi condensare isotermobaricamente. Questo tipo di ciclo non può essere usato con espansione classica a turbina in quanto a fine espansione si ha un titolo di vapore troppo basso (inferiore al valore di 0,88, considerato limite): la presenza elevata di liquido va infatti a danneggiare le palettature degli stadi di bassa pressione della turbina; il ciclo veniva quindi utilizzato in applicazioni a bassa temperatura di vapore (circa 300 °C) oppure quando l'espansore era una macchina a pistoni (vecchie locomotive e navi). Per elevare il titolo del vapore in uscita dalla turbina si ricorre perciò al ciclo Rankine a vapore surriscaldato. Limiti di applicazione del ciclo Rankine ad acquaEsiste un limite nelle applicazioni del ciclo Rankine dovuto alla temperatura del vapore d'acqua quando si utilizzano involucri contenenti il fluido in acciaio, o con turbine in acciaio legato. L'acciaio subisce a temperature superiori a circa 565-580 °C una riduzione delle caratteristiche meccaniche (detta scorrimento viscoso). Tale riduzione è particolarmente aggravata in presenza di ionizzazione del vapore, (in particolare nelle centrali nucleari) dato che in tal caso si enfatizza la progressiva penetrazione dell'idrogeno atomico (H+) nel reticolo cristallino del metallo, causandone l'infragilimento. Rankine con altri fluidiIl ciclo Rankine non è legato ad un fluido specifico, anche se l'acqua ed il suo vapore, opportunamente depurati, si sono rivelati abbastanza versatili. Sono stati realizzati cicli Rankine per liquidi organici (ORC), come il toluene o altri idrocarburi a medio-basso peso molecolare, che hanno temperature di cambiamento di stato più basse, e questo, se da un lato permette un minore dislivello termico, e quindi una minore energia estraibile, permette anche di utilizzare potenzialmente fonti termiche di minor livello, come il calore raccolto da pannello solare termico. In egual maniera sono immaginabili applicazioni del ciclo con fluidi evaporanti a temperature superiori a quelle dell'acqua, come ad esempio di mercurio, ovviamente se saranno risolti i problemi legati a tali temperature di esercizio, ed alla azione di tali fluidi. Voci correlate
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