Il ciclo Rankine è un ciclo termodinamico endoreversibile, molto utilizzato nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica.
Nel passato, il ciclo Rankine, è stato ampiamente utilizzato per sviluppare il motore a vapore. In ambito ferroviario, ha consentito il notevole successo delle locomotrici a vapore.
Il principio di funzionamento, del ciclo Rankine, è basato sulla capacità di trasformare il calore in lavoro meccanico.
La conversione, del calore in lavoro, avviene attraverso un ciclo termodinamico composto attraverso quattro trasformazioni.
Nello specifico, due trasformazione sono eseguite con Entropia costante, dove con il termine Entropia s’indica il grado di disordine del sistema.
Le altre due trasformazioni, definite isobare, sono eseguite a pressione costante.
Nelle centrali termoelettriche, il ciclo Rankine consente di trasformare il calore in energia elettrica.
Fornendo calore all’acqua, considerato il fluido di lavoro più economico e con le proprietà termodinamiche più note, è generato vapore ad alta pressione.
Il vapore generato è convogliato e fatto espandere nelle turbine.
L’espansione del vapore provoca la rotazione delle turbine e dei generatori elettrici, necessari per la produzione di energia elettrica.
Energia con un ciclo reversibile:
Il ciclo Rankine è un ciclo termodinamico, utilizzato in numerose applicazioni industriali ed energetiche.
Si basa su una trasformazione termodinamica endoreversibile, quindi reversibile termicamente, che è alla base del suo funzionamento.
Durante questa trasformazione il fluido di lavoro, che solitamente è acqua, passa attraverso quattro fasi principali:
- Compressione Isoentropica:
In questa fase, l’acqua è pompata da uno stato di bassa pressione a uno stato di pressione più alta.
Questa prima fase, consente di aumentare l’energia termica del sistema.
- Riscaldamento isobaro:
L’acqua è riscaldata a pressione costante nella caldaia o nel generatore di vapore.
Durante questo processo, l’acqua si trasforma in vapore ad alta pressione e temperatura.
- Espansione Isoentropica:
Il vapore, ad alta pressione, è fatto espandere attraverso una turbina.
L’espansione causa la produzione di lavoro meccanico, che può essere utilizzato per generare energia meccanica.
- Raffreddamento Isobaro:
Il vapore, in uscita dalla turbina, passa attraverso un condensatore, dove è raffreddato e trasformato nuovamente in acqua liquida.
Questa fase asporta il calore residuo, attraverso un circuito di raffreddamento.
Elementi fondamentali per un ciclo efficiente:
Il ciclo Rankine è ampiamente utilizzato nelle centrali termoelettriche per la produzione di energia elettrica.
Caratterizzato da un buon livello di efficienza, il ciclo termodinamico endoreversibile deve essere gestito attraverso un sistema composto di elementi fondamentali:
- Caldaia o Generatore di Vapore:
Consente il riscaldamento dell’acqua a pressione costante, convertendola in vapore ad alta temperatura e pressione.
- Turbina:
Permette l’espansione del vapore ad alta pressione, generando lavoro meccanico utilizzabile.
- Condensatore:
Raffredda il vapore in uscita dalla turbina, trasformandolo nuovamente in acqua liquida. Questo processo dissipa il calore residuo in un circuito di raffreddamento.
- Pompa:
La pompa comprime l’acqua, a bassa pressione, prima di essere immessa nella caldaia per essere riscaldata.
Vantaggioso e affidabile:
Uno dei principali vantaggi del ciclo Rankine, è la sua capacità di raggiungere elevati livelli di efficienza termodinamica, specialmente quando ben ottimizzato.
L’efficienza è fondamentale nella produzione di energia, e il ciclo Rankine è molto efficiente nella conversione dell’energia termica in lavoro meccanico e in seguito in energia elettricità.
Flessibile nell’adattarsi a diverse fonti di calore, le applicazioni del ciclo Rankine spaziano dalle centrali a carbone e gas, alle energie rinnovabili come l’energia solare concentrata e l’energia geotermica.
Versatile ed efficiente, il ciclo termodinamico endoreversibile è idoneo per una vasta gamma di applicazioni industriali ed energetiche.
Caratterizzato da elevata stabilità operativa, è particolarmente adatto a carichi variabili e a diversi regimi di funzionamento.
Ciò contribuisce a garantire una fornitura affidabile di energia, particolarmente importante in ambienti critici come le centrali nucleari.
Innovazione del ciclo Rankine:
Il ciclo Renkine è ampiamente utilizzato nelle centrali termoelettriche, che prevedono l’utilizzo dei combustibili fossili come vettori energetici primari.
Per limitare le emissioni inquinanti, prodotte dalla combustione dei combustibili fossili, il ciclo Rankine può essere associato con vettori energetici green come l’Idrogeno o l’energia solare concentrata.
Attraverso l’utilizzo d’innovativi generatori di energia elettrica, alimentati con calore a bassa temperatura, è possibile produrre energia elettrica, attraverso il ciclo Rankine, utilizzando il cascame termico come sorgente d’alimentazione.
Gianni Truini
