IL CALORE la TERMODINAMICA

IL CALORE la TERMODINAMICA
(parte 3) A cura di: Ing. S. Inzerillo Ing. C. Florio Geom. S. Dessy P.I. M. Santarelli

IL VAPORE PER LA PROPULSIONE NAVALE
I fenomeni di generazione del vapore Considerando che gli stati di aggregazione con cui si presenta la materia sono sostanzialmente tre: Il passaggio di stato che principalmente interessa per la propulsione navale è quello da acqua (water) a vapore (steam). Esso può avvenire in due modi: - per EVAPORAZIONE. Tale fenomeno avviene solo sulla superficie o ‘’pelo libero dell’acqua’’ e per un grande intervallo di temperature (per pressioni relativamente basse) - per EBOLLIZIONE. Tale fenomeno avviene a ben precise temperature e all’interno di tutta la massa liquida.

I fenomeni di generazione del vapore - EVAPORAZIONE Il fenomeno della evaporazione avviene quando le condizioni del fluido sulla superficie sono tali che le sue molecole possiedono un'energia cinetica tanto alta da vincere le forze di legame che le tengono unite tra loro e, di conseguenza le molecole passano in fase vapore. Il processo di evaporazione è più marcato nei liquidi volatili (idrocarburi leggeri, benzina, alcool etilico, ecc.), rispetto a quelli poco volatili perché densi (nafta, olio ecc.). A differenza di questi ultimi l'acqua ha una volatilità intermedia. Il fenomeno dell’evaporazione è fortemente influenzato fa i seguenti due fattori principali: la temperatura: maggiore è la temperatura, maggiore è la quantità di fluido che passerà in fase vapore (quindi il fluido più acquisisce calore, più evapora); la superfice di scambio esterna: maggiore è la superficie su cui si distribuisce il liquido, minore è lo spessore del liquido sulla sua superficie, maggiore è la quantità di liquido che passa in fase gassosa.

I fenomeni di generazione del vapore - EBOLLIZIONE Per poter fare avvenire il fenomeno dell’ebollizione è necessario, come noto, fornire, in modo continuo e regolare, calore all’acqua mantenendola a pressione costante. cedendo calore all'acqua, detta in questa fase ACQUA COMPRESSA (compressed water), la sua temperatura cresce fino a un preciso valore, detto TEMPERATURA DI EQUILIBRlO (equilibrium temperature) o di SATURAZIONE (saturation temperature) o di EBOLLIZIONE (boiling temperature) o di VAPORlZZAZIONE (vaporization temperature), in cui compare una prima bolla di vapore, stato in cui l'acqua è detta ACQUA SATURA (saturated water);

I fenomeni di generazione del vapore - EBOLLIZIONE continuando a cedere calore, altra acqua diventa vapore ma la temperatura resta costante, poiché l'energia fornita è spesa per compiere il lavoro di dilatazione dell'acqua che man mano diventa sempre in maggior quantità vapore (maggior volume). Durante tale passaggio di stato il sistema è bifasico ed è detto MISCELA ACQUA-VAPORE (water/steam mixture) o VAPORE SATURO UMIDO (wet saturated steam) perché composto da vapore saturo e acqua liquida satura.

I fenomeni di generazione del vapore - EBOLLIZIONE Continuando a cedere calore, tutta l’acqua diventa vapore e, nello specifico il sistema è tutto VAPORE SATURO SECCO (dry saturated steam). Continuando a cedere calore, il vapore sale di temperatura e si dice SURRlSCALDATO (superheated steam), poiché si trova una temperatura superiore a quella di equilibrio con la sua pressione.

I fenomeni di generazione del vapore - EBOLLIZIONE TRASFORMAZIONE DI ACQUA COMPRESSA IN VAPORE SURRISCALDATO Il diagramma mostra come, durante il riscaldamento dell'acqua compressa, la temperatura aumenti a partire dalla temperatura dell’acqua di alimento Ta fino a quello di equilibrio TE, per poi restare invariata durante il passaggio di stato e riprendere ad aumentare durante il surriscaldamento del vapore fino al valore Tsurr, mentre la pressione (fatte salve le perdite di carico) rimane costante. È da notare che nella realizzazione del processo di vaporizzazione a pressioni crescenti, la temperatura di equilibrio cresce perché il passaggio di stato da acqua a vapore avviene con forte aumento di volume che viene ostacolato dalla pressione esterna.

I fenomeni di generazione del vapore - EBOLLIZIONE LE TABELLE PER IL SISTEMA ACQUA VAPORE Le tabelle di equilibrio riportano, in funzione della pressione assoluta: la temperatura di equilibrio TE; i volumi specifici vL dell'acqua satura e vv del vapore saturo secco.

Utilizzo tecnico della generazione del vapore Lo schema proposto è in pratica la semplificazione del funzionamento di una caldaia (generatore di vapore) ove l’acqua di alimento (demineralizzata appositamente prodotta dal dissalatore/depuratore di bordo) viene pressurizzata e pompata dalla pompa alimento all’interno dei fasci tubieri della caldaia ove, mediante i gas combusti della combustione, si realizza una continua cessione di calore all'acqua, mantenuta a pressione costante dalla pompa all’interno dei fasci tubieri che sono continuamente investiti da un flusso termico  che viene trasmesso loro per tutta la loro lunghezza.

Utilizzo della generazione del vapore Se invece si sottrae calore al vapore surriscaldato, questo calerà di temperatura fino a diventare saturo secco alla stessa temperatura della precedente vaporizzazione, detta però TEMPERATURA DI CONDENSAZIONE (condensation temperature) o DI RUGIADA (dew point). Continuando a sottrarre calore, il vapore condenserà a temperatura costante fino a diventare tutto ACQUA SATURA O ACQUA DI CONDENSA (condensation water). Sottraendo ulteriormente calore all'acqua satura, questa cala di temperatura e prende il nome di ACQUA SOTTORAFFREDDATA (undercooled water). Tale trasformazione, complessivamente è quella che si realizza all’interno di CONDENSATORE

Utilizzo tecnico della generazione del vapore Condensatore di vapore: Il vapore entra dalla parte superiore del condensatore (di colore rosso sullo schema «termico») e percorrendo all’interno del corpo del condensatore cede il suo calore ai fasci tubieri che sono percorsi da acqua di mare (fredda). Il vapore quindi si raffredda e condensa all’interno del corpo del condensatore e si raccoglie al fondo dello stesso. L’acqua di mare riscaldata, avente comunque temperature non elevate poiché essa sorre in contro corrente ed in ingenti quantità all’interno dei fasci tubieri, viene rilasciata in mare.

Utilizzo tecnico della generazione del vapore In generale, quindi, il processo di generazione del vapore è utilizzato quale processo principale di propulsione per le turbo-navi che hanno i motori (a vapore) e che sono essenzialmente costituiti da: una caldaia per la generazione del vapore; una macchina motrice (generalmente una turbina) che utilizza il vapore (o meglio la trasformazione del vapore all’interno della macchina) per fornire il lavoro meccanico di propulsione (forza motrice o momento motore); apparato condensatore che calore ritrasforma il vapore in acqua. L’acqua usata per i cicli, infatti è acqua demineralizzata per cui prodotto appositamente ed in modo costoso, per cui è necessario recuperarla

Utilizzo tecnico della generazione del vapore Lo schema semplificato della propulsione a vapore si può così di seguito riportato:

Utilizzo tecnico della generazione del vapore Lo schema semplificato della propulsione a vapore TURBO- ALTERNATIVA

Utilizzo tecnico della generazione del vapore Lo schema semplificato della propulsione a vapore di una TURBONAVE

Utilizzo tecnico della generazione del vapore Lo schema semplificato della propulsione nucleare a vapore di una TURBONAVE (es. rompighiaccio, portaerei, navi da guerra ecc.)

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