2.Esercizi sulle macchine a ciclo diretto e inverso
2.1 Macchine a ciclo diretto
2.1.1 Una macchina termica funziona secondo un ciclo Otto, ed è caratterizzata da un rapporto volumetrico di compressione pari a 8. L'aria entra nel cilindro alla temperatura di 300 K e alla pressione di 1 bar. Ipotizzando che il ciclo sia ad aria standard, e sapendo che il lavoro ottenuto in fase di espansione è pari a 500 kJ/kg, determinare la temperatura massima che viene raggiunta nel ciclo, la quantità di calore che è necessario somministrare, e il rendimento termico del ciclo.
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2.1.2 Una macchina funziona secondo un ciclo Brayton ad aria standard, caratterizzato da un rapporto manometrico di compressione pari a 8. All'ingresso nel compressore la temperatura è di 300 K e la pressione di 1 bar. Sapendo che il calore somministrato è pari a 800 kJ/kg determinare la temperatura all'ingresso della turbina, il lavoro utile netto e il rendimento termico. Inoltre, verificare che sia possibile operare la rigenerazione e, in caso affermativo, determinare il rendimento che è possibile ottenere nell'ipotesi che l'efficacia della rigenerazione sia dell'85%. (R. 1339.7 K; 358.8 kJ/kg; 44.8%; 56.7% )
2.1.3 Un ciclo Rankine a compressione di vapore d'acqua con risurriscaldamento opera fra la pressione di 50 bar in caldaia e 0.1 bar nel condensatore. Sapendo che la temperatura di ingresso nei due stadi della turbina è di 550 °C, determinare a che pressione deve essere operato il risurriscaldamento per garantire che all'uscita dalla turbina il contenuto di fase liquida sia inferiore al 6%. Calcolare inoltre il rendimento del ciclo.
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2.1.4 Un impianto a vapore consuma in caldaia 18 t/h di nafta (Potere calorifico Hi = 10000 kcal/kg); per la condensazione occorrono 17000 m3/h di acqua che subisce un riscaldamento di 6°C. Calcolare la potenza utile e il rendimento termico dell'impianto assumendo che la caldaia abbia un rendimento di combustione del 95%.
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2.1.5 Un impianto di turbina a gas, a ciclo aperto, ha le seguenti caratteristiche: p1 = 1 atm, T1 = 15 °C, b=7, T3 = 750 °C. Tracciare il ciclo ideale e calcolarne il rendimento. Conoscendo la potenza fornita dal ciclo P = 2.5 MW, calcolare il consumo di combustibile Hi = 9500 kcal/kg, la potenza del compressore, e la potenza della turbina. (R. 42.65%; 524 kg/h; 2.349 MW; 4.849 MW)
2.2 Macchine a ciclo inverso
2.2.1 Un frigorifero utilizza il refrigerante R-134a e funziona fra una temperatura esterna di 15°C e una temperatura di cella di 5°C. Se la portata del refrigerante è 0.05 kg/s, determinare: a) La potenza termica sottratta alla cella; b) La potenza del compressore; c) La potenza termica ceduta all’ambiente; d) Il COP. (R. 8.25 kW; -1.25 kW; -9.50 kW; 6.60)
2.2.2 Una pompa di calore utilizza il refrigerante R-134a e funziona fra una temperatura esterna di 10°C e una temperatura dell’ambiente da riscaldare di 20°C. Determinare: a) La portata massica necessaria per fornire all’ambiente 10.8 kW; b) Il COP. (R. 0.06 kg/s; 9)
2.2.3 Un frigorifero industriale utilizza il refrigerante R-134a e deve mantenere una cella ad una temperatura di -25°C. Sapendo che la potenza termica che entra nell'ambiente da raffreddare è di 14400 kcal/h, e che all'interno del condensatore il refrigerante si trova ad una pressione di 7 bar, determinare: a) la potenza richiesta dal compressore per poter funzionare; b) la massima temperatura che si può avere nell'ambiente in cui si trova il condensatore per garantire il funzionamento ottimale del ciclo; c) il COP. (R. -5.11 kW; 21.7°C; 3.3)
2.2.4 Un condizionatore da finestra impiega il refrigerante R-134a, assorbe una potenza elettrica di 1,0 kW (assumere il rendimento elettrico pari al 95%), con una portata di refrigerante di 0.04 kg/s. Nell'ipotesi che l'evaporatore funzioni ad una temperatura di 0°C, determinare: a) la temperatura del refrigerante all'uscita del condensatore; b) la potenza termica sottratta all'ambiente da refrigerare. (R. 36.3°C; 5.90 kW)
2.2.5 Nell'ipotesi che il condizionatore dell'esercizio precedente possa funzionare da pompa di calore, determinare la massima potenza termica che il dispositivo può fornire all'ambiente da riscaldare, e il COP corrispondente. (R. 6.85 kW; 7.21)
