Il ciclo Rankine è un ciclo termodinamico fondamentale utilizzato per convertire il calore in lavoro meccanico. È ampiamente impiegato nelle centrali elettriche a vapore, nelle applicazioni industriali e in vari sistemi di generazione di energia. Il suo nome deriva da William John Macquorn Rankine, un ingegnere e fisico scozzese che ha contribuito in modo significativo allo sviluppo della termodinamica nel XIX secolo. Questo ciclo è particolarmente significativo per la sua capacità di operare a temperature elevate e per la sua efficienza energetica, rendendolo una scelta popolare per la produzione di energia elettrica.

Il ciclo Rankine è composto da quattro processi termodinamici principali: l'evaporazione, l'espansione, la condensazione e la compressione. Inizialmente, il fluido di lavoro, di solito acqua, viene riscaldato in una caldaia fino a diventare vapore. Durante questo processo, il calore fornito al fluido provoca un aumento dell'energia interna, trasformando l'acqua in vapore ad alta pressione e temperatura. Questo vapore viene quindi inviato a una turbina, dove si espande. Durante l'espansione, il vapore compie lavoro meccanico, generando energia elettrica. Dopo aver attraversato la turbina, il vapore a bassa pressione e temperatura entra in un condensatore, dove viene raffreddato e trasformato nuovamente in acqua. Il ciclo si completa quando l'acqua viene pompata di nuovo nella caldaia, ripristinando la pressione necessaria per il successivo riscaldamento.

Il ciclo Rankine può essere rappresentato graficamente su un diagramma pressione-volume (P-V) o su un diagramma temperatura-entropia (T-s). Questi diagrammi sono strumenti utili per visualizzare i vari stati del fluido di lavoro durante il ciclo e per analizzare le variazioni di energia. Le fasi del ciclo possono essere descritte in termini di entalpia, pressione e temperatura, e le relazioni tra queste variabili sono fondamentali per calcolare l'efficienza del ciclo.

Un aspetto importante del ciclo Rankine è la sua efficienza energetica, che può essere migliorata mediante l'uso di varianti come il ciclo Rankine rigenerativo e il ciclo Rankine a doppia espansione. Nel ciclo Rankine rigenerativo, parte del vapore caldo che esce dalla turbina viene utilizzato per preriscaldare l'acqua che entra nella caldaia, riducendo così la quantità di calore necessaria per trasformare l'acqua in vapore. Questo porta a un miglioramento dell'efficienza complessiva del ciclo. D'altra parte, nel ciclo Rankine a doppia espansione, il vapore viene espanso in due stadi attraverso due turbine, il che consente una maggiore estrazione di lavoro e una riduzione delle perdite di energia.

Il ciclo Rankine trova applicazione in diverse situazioni. Le centrali elettriche a ciclo Rankine sono tra le più comuni e utilizzano combustibili fossili, biomasse o energia geotermica per generare elettricità. Inoltre, il ciclo Rankine è utilizzato in impianti di cogenerazione, dove il calore residuo prodotto durante la generazione di energia elettrica viene utilizzato per riscaldare edifici o per processi industriali. Anche nei sistemi di raffreddamento, come le pompe di calore, il ciclo Rankine può essere adattato per trasferire calore da un ambiente a un altro.

Numerose formule sono associate al ciclo Rankine, utili per calcolare vari parametri, come il lavoro prodotto, il calore assorbito e l'efficienza. Una delle formule più importanti è quella che calcola l'efficienza termica del ciclo Rankine:

η = (W_netto / Q_in) = (h1 - h2) / (h1 - h4)

dove η è l'efficienza termica, W_netto è il lavoro netto prodotto dal ciclo, Q_in è il calore assorbito nella caldaia, h1 è l'entalpia del vapore in uscita dalla caldaia, h2 è l'entalpia del vapore in uscita dalla turbina, h4 è l'entalpia dell'acqua nel condensatore. Questa formula evidenzia l'importanza della differenza di entalpia tra i vari stati del fluido di lavoro nel ciclo.

Un'altra formula utile riguarda il lavoro prodotto dalla turbina:

W_turbina = h1 - h2

e il calore fornito dalla caldaia:

Q_in = h1 - h4

La conoscenza di queste formule consente di ottimizzare il ciclo e migliorare l'efficienza energetica delle centrali elettriche e degli impianti industriali.

Il ciclo Rankine ha una lunga storia di sviluppo, con contributi significativi da parte di diversi scienziati e ingegneri. Come già accennato, il ciclo prende il nome da William John Macquorn Rankine, ma altri ricercatori, come Rudolf Clausius e Sadi Carnot, hanno svolto un ruolo cruciale nello sviluppo della termodinamica e nella comprensione dei cicli termici. Clausius, in particolare, ha introdotto il concetto di entropia, che è fondamentale per analizzare l'efficienza dei cicli termodinamici, inclusa la comprensione dei limiti imposti dal secondo principio della termodinamica.

In tempi più recenti, gli sviluppi nella tecnologia delle turbine, nei materiali e nei sistemi di controllo hanno ulteriormente migliorato le prestazioni del ciclo Rankine. Le innovazioni nel campo della simulazione e della modellazione termodinamica hanno permesso di progettare impianti più efficienti e sostenibili. La crescente attenzione verso le fonti di energia rinnovabile ha portato anche all'applicazione del ciclo Rankine in contesti come l'energia geotermica e la cogenerazione da biomassa.

In sintesi, il ciclo Rankine rappresenta una delle pietre miliari della termodinamica e della produzione di energia. La sua struttura semplice e la sua versatilità lo rendono una scelta ideale per diverse applicazioni industriali e di generazione di energia. Attraverso l'ottimizzazione delle sue fasi e l'uso di varianti innovative, è possibile migliorare ulteriormente l'efficienza e la sostenibilità dei sistemi energetici moderni, contribuendo a un futuro più verde e sostenibile. La continua evoluzione delle tecnologie legate al ciclo Rankine promette di fornire soluzioni energetiche sempre più efficienti e rispettose dell'ambiente.