Efficienza termomeccanica del vapore surriscaldato

Nel post precedente è stato introdotto il concetto di efficienza termomeccanica del vapore saturo.
Il surriscaldamento del vapore, ovvero l'innalzamento della sua temperatura oltre quella di vaporizzazione, permette di incrementare l'energia potenziale meccanica a fronte di un'ulteriore immissione di energia termica. Si noti però che tale energia termica supplementare deve essere fornita a una temperatura più elevata rispetto a quella di vaporizzazione.

Nell'immagine che segue sono rappresentati gli andamenti relativi a due diversi valori di pressione minima (0,1bar e 1bar) per varie condizioni di surriscaldamento (200°C in colore blu, 300°C in colore nero, 400°C in colore verde, 500°C in colore rosso). La curva in colore azzurro e la curva in colore fucsia sono relative all'assenza di surriscaldamento (vapore saturo).

Efficienza termomeccanica del vapore saturo

Il ciclo Rankine permette di ottenere grandi volumi di fluido in pressione fornendo la maggior parte dell'energia sotto forma di calore.
La parte di calore che si trasforma in energia potenziale meccanica sfruttabile dipende sia da temperatura e pressione del vapore prodotto sia dalla pressione minima a cui si può spingere l'espansione.
Se il fluido alla fine dell'espansione viene scaricato nell'ambiente la pressione minima sarà quella atmosferica, se invece il circuito è chiuso la pressione minima potrà assumere anche un valore inferiore.
Dato un valore di pressione minima è possibile determinare l'efficienza di conversione termomeccanica in funzione del valore della pressione massima.
Nel grafico che segue sono rappresentati gli andamenti relativi a due diversi valori di pressione minima. Per la curva fucsia la pressione minima è di 1bar e il vapore viene generato fornendo calore all'acqua liquida che si trova inizialmente a una temperatura di 99,6°C e alla pressione di 1bar, per quella azzurra la pressione minima è di 0,1bar e il vapore viene generato fornendo calore all'acqua liquida che si trova inizialmente a una temperatura di 45,8°C e alla pressione di 0,1bar. A titolo di confronto nello stesso grafico è stato riportato anche l'andamento del rendimento di Carnot (la cosa è possibile in quanto in presenza di vapore saturo la pressione individua univocamente le temperature operative).

L'immagine che segue mostra l'andamento dell'efficienza di conversione termomeccanica in funzione del rapporto pressorio.

I grafici mostrati sono relativi a vapore nello stato di saturazione.
Naturalmente in presenza di surriscaldamento i grafici cambiano e questo sarà l'argomento del prossimo post.