IT201900015776A1 - Thermal machine configured to carry out thermal cycles and method for carrying out thermal cycles - Google Patents
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
- F01K21/00—Steam engine plants not otherwise provided for
- F01K21/04—Steam engine plants not otherwise provided for using mixtures of steam and gas; Plants generating or heating steam by bringing water or steam into direct contact with hot gas
Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
annessa a domanda di brevetto per BREVETTO D’INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo: attached to a patent application for an INDUSTRIAL INVENTION PATENT entitled:
“Macchina termica configurata per realizzare cicli termici e metodo per realizzare cicli termici” "Thermal machine configured to perform thermal cycles and method for creating thermal cycles"
La presente invenzione ha per oggetto una macchina termica, comprendente una unità motrice dotata di sistema di trasmissione del moto, e un ciclo termico combinato, funzionante con una miscela di gas e vapore acqueo, allo scopo di ottenere una maggiore potenza unitaria, un sensibile aumento dei rendimenti complessivi ed una efficiente lubrificazione delle parti mobili dell’unità motrice. La presente invenzione riguarda inoltre un metodo per la realizzazione di cicli termici. La macchina termica è impiegabile, in generale, per la produzione di energia meccanica. La presente invenzione trova particolare collocazione nella produzione di energia elettrica in impianti di generazione, oppure nella produzione combinata di energia elettrica e termica mediante impianti di co-generazione e microcogenerazione. Inoltre, la presente invenzione può trovare applicazione nel campo dell’autotrazione e nel settore motoristico in generale. The present invention relates to a thermal machine, comprising a drive unit equipped with a motion transmission system, and a combined thermal cycle, operating with a mixture of gas and water vapor, in order to obtain a greater unitary power, a significant increase overall performance and efficient lubrication of the moving parts of the drive unit. The present invention also relates to a method for carrying out thermal cycles. The thermal machine can be used, in general, for the production of mechanical energy. The present invention finds particular place in the production of electrical energy in generation plants, or in the combined production of electrical and thermal energy by means of co-generation and micro-cogeneration plants. Furthermore, the present invention can find application in the automotive field and in the motor industry in general.
Alcune considerazioni storiche relative ai cicli termodinamici, nonché alcune soluzioni note, sono descritte nelle domande di brevetto pubblicate con i numeri WO2015/114602A1 e WO2019/008457, a nome della stessa Richiedente. Some historical considerations relating to thermodynamic cycles, as well as some known solutions, are described in the patent applications published with the numbers WO2015 / 114602A1 and WO2019 / 008457, in the name of the same Applicant.
Complessivamente, sono state sviluppate macchine termiche funzionanti con diversificati cicli termodinamici ed altre sono ancora oggi in fase sperimentale. Tuttavia, la Richiedente ha riscontrato che anche le soluzioni già industrializzate presentano molte limitazioni. Ciò vale, in particolare per i motori impiegati per azionare generatori elettrici autonomi di piccola-media potenza (ad esempio al di sotto di 50 KWh). Overall, thermal machines operating with diversified thermodynamic cycles have been developed and others are still in the experimental phase today. However, the Applicant has found that even the already industrialized solutions have many limitations. This applies, in particular, to motors used to drive autonomous small-medium power electric generators (for example below 50 KWh).
Nella odierna realtà pratica, per l’azionamento di generatori elettrici, vengono abitualmente impiegate le seguenti unità motrici: In today's practical reality, the following drive units are usually used to drive electric generators:
- motori endotermici alternativi, che risultano meccanicamente complicati, sono rumorosi, sono particolarmente inquinanti e richiedono molta manutenzione; - alternative endothermic engines, which are mechanically complicated, are noisy, are particularly polluting and require a lot of maintenance;
- motori Stirling che, pur essendo meno inquinanti, per avere un buon rendimento complessivo devono tipicamente funzionare a bassa velocità e quindi sono molto pesanti ed ingombranti; - Stirling engines which, despite being less polluting, to have a good overall efficiency must typically operate at low speed and are therefore very heavy and bulky;
- turbine a gas, che oltre ad essere particolarmente inquinanti, nelle piccole taglie non sono economicamente competitive; - gas turbines, which in addition to being particularly polluting, are not economically competitive in small sizes;
- espansori, funzionanti con ciclo di Rankine o Rankine-Hirn, i quali, data la necessità di dover utilizzare un generatore di vapore di una certa dimensione, sono particolarmente competitivi solo in applicazioni cogenerative fisse e richiedono ulteriori innovazioni tecnologiche per poter essere proficuamente impiegati anche in applicazioni mobili di piccola taglia. - expanders, operating with Rankine or Rankine-Hirn cycle, which, given the need to use a steam generator of a certain size, are particularly competitive only in stationary cogeneration applications and require further technological innovations in order to be profitable also in small mobile applications.
La Richiedente ha tuttavia riscontrato che le soluzioni note non sono esenti da inconvenienti e sono migliorabili sotto diversi aspetti. The Applicant has however found that the known solutions are not free from drawbacks and can be improved under various aspects.
Infatti, in generale tutte le soluzioni note, oltre a problemi di inquinamento, basso rendimento, complessità meccanica e alti costi di manutenzione, presentano anche un rapporto costo-beneficio non particolarmente soddisfacente, cosa quest’ultima che ha limitato moltissimo la diffusione della cogenerazione nel mercato dei condomini e delle abitazioni civili. In fact, in general all the known solutions, in addition to pollution problems, low efficiency, mechanical complexity and high maintenance costs, also have a cost-benefit ratio that is not particularly satisfactory, which has greatly limited the spread of cogeneration in the market of condominiums and residential buildings.
La Richiedente ha anche osservato che se si vuole estendere l’impiego di tali macchine termiche all’autotrazione ed alla microcogenerazione in ambito domestico, la compattezza e l’efficienza complessiva delle stesse risultano fondamentali. The Applicant also noted that if you want to extend the use of these thermal machines to automotive and micro-cogeneration in the home, their compactness and overall efficiency are fundamental.
In questa situazione lo scopo alla base della presente invenzione, nei suoi vari aspetti e/o forme realizzative, è mettere a disposizione un raccordo per il collegamento di tubazioni che possa essere in grado di ovviare ad uno o più degli inconvenienti citati. In this situation, the object underlying the present invention, in its various aspects and / or embodiments, is to provide a fitting for connecting pipes that may be able to overcome one or more of the aforementioned drawbacks.
In particolare, la Richiedente si è posta l’obiettivo di proporre una nuova "macchina termica" in grado di funzionare con un innovativo ciclo termico combinato a gas e vapore acqueo, tramite il quale è possibile usufruire di maggiore energia, recuperandola nelle stesse fasi del ciclo, con notevole aumento della potenza unitaria e del rendimento complessivo, risolvendo anche il grosso problema della lubrificazione delle parti mobili dell’unità motrice. In particular, the Applicant has set itself the objective of proposing a new "thermal machine" capable of operating with an innovative thermal cycle combined with gas and water vapor, through which it is possible to use more energy, recovering it in the same phases of the cycle, with a notable increase in unit power and overall efficiency, also solving the big problem of lubricating the moving parts of the drive unit.
E’ inoltre scopo della presente invenzione realizzare una macchina termica che presenti un'elevata affidabilità di funzionamento. It is also the object of the present invention to create a thermal machine that has a high operating reliability.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione una macchina termica caratterizzato da una struttura semplice e razionale. A further object of the present invention is to provide a thermal machine characterized by a simple and rational structure.
Ulteriore scopo alla base della presente invenzione, nei suoi vari aspetti e/o forme realizzative, è quello di ovviare ad uno o più degli svantaggi delle soluzioni note, rendendo disponibile una nuova "macchina termica", in grado di utilizzare molteplici sorgenti termiche e capace di generare energia meccanica (Lavoro), potendo essere impiegata in qualsiasi luogo e per qualsiasi uso, e preferibilmente per la produzione di energia elettrica. A further purpose underlying the present invention, in its various aspects and / or embodiments, is to obviate one or more of the disadvantages of the known solutions, making available a new "thermal machine", capable of using multiple thermal sources and capable of to generate mechanical energy (Work), which can be used in any place and for any use, and preferably for the production of electricity.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di mettere a disposizione una macchina termica caratterizzata da un elevato rendimento termodinamico e da un ottimo rapporto peso-potenza. A further object of the present invention is to provide a heat engine characterized by a high thermodynamic efficiency and an excellent weight-power ratio.
Un ulteriore scopo della presente invenzione è quello di poter realizzare una macchina termica caratterizzata da un ridotto costo di produzione. A further object of the present invention is that of being able to produce a thermal machine characterized by a reduced production cost.
Ulteriore scopo della presente invenzione è quello di creare soluzioni alternative, rispetto alla tecnica nota, nella realizzazione di macchine termiche, e/o aprire nuovi campi progettuali. A further object of the present invention is to create alternative solutions, with respect to the known art, in the construction of thermal machines, and / or to open up new design fields.
Tali scopi, e altri eventuali, che meglio risulteranno nel corso della seguente descrizione, vengono sostanzialmente raggiunti da una macchina termica secondo una o più delle unite rivendicazioni, ciascuna delle quali presa da sola (senza le relative dipendenze) o in qualsiasi combinazione con le altre rivendicazioni, nonché secondo i seguenti aspetti e/o forme realizzative, variamente combinati, anche con le suddette rivendicazioni. These objects, and any other objects, which will become clearer in the course of the following description, are substantially achieved by a thermal machine according to one or more of the attached claims, each of which taken alone (without its related dependencies) or in any combination with the others. claims, as well as according to the following aspects and / or embodiments, variously combined, also with the aforementioned claims.
Aspetti dell’invenzione sono qui di seguito elencati. Aspects of the invention are listed below.
In un suo primo aspetto, l’invenzione riguarda una macchina termica configurata per realizzare un ciclo termico, la macchina termica operando con un fluido termico e comprendendo un’unità motrice e un circuito motore. In its first aspect, the invention relates to a thermal machine configured to create a thermal cycle, the thermal machine operating with a thermal fluid and comprising a drive unit and a motor circuit.
In un aspetto l’unità motrice comprende: In one aspect, the drive unit includes:
- un involucro delimitante al proprio interno almeno una camera operativa: - organi di trasformazione dell’energia di detto fluido termico, mobilmente alloggiati all’interno di detta almeno una camera operativa e configurati per trasformare l’energia di detto fluido termico in energia meccanica, secondo un ciclo operativo; - an enclosure delimiting inside at least one operating chamber: - members for transforming the energy of said thermal fluid, movably housed inside said at least one operating chamber and configured to transform the energy of said thermal fluid into mechanical energy, according to an operating cycle;
- un albero di uscita operativamente collegato a detti organi di trasformazione dell’energia e configurato per ricevere detta energia meccanica e fornire in uscita un moto rotatorio preferibilmente a velocità angolare costante. - an output shaft operatively connected to said energy transformation members and configured to receive said mechanical energy and provide a rotary motion at output preferably at constant angular speed.
In un aspetto l’involucro, delimitante al proprio interno detta almeno una camera operativa, presenta: In one aspect, the enclosure, which delimits internally called at least one operating room, has:
- un primo ingresso in comunicazione di fluido con un primo condotto di ingresso per ricevere da esso un flusso di detto fluido termico in aspirazione in detta almeno una camera operativa; - a first inlet in fluid communication with a first inlet duct for receiving therefrom a flow of said thermal fluid in suction into said at least one operating chamber;
- una prima uscita in comunicazione di fluido con un primo condotto di uscita per inviare ad esso un flusso di detto fluido termico in compressione fuoriuscente da detta almeno una camera operativa; - a first outlet in fluid communication with a first outlet conduit for sending to it a flow of said thermal fluid in compression emerging from said at least one operating chamber;
- un secondo ingresso in comunicazione di fluido con un secondo condotto di ingresso per ricevere da esso un flusso di detto fluido termico in carico da espandere in detta almeno una camera operativa; - a second inlet in fluid communication with a second inlet duct for receiving therefrom a flow of said thermal fluid under load to be expanded in said at least one operating chamber;
- una seconda uscita in comunicazione di fluido con un secondo condotto di uscita per inviare ad esso un flusso di detto fluido termico in scarico fuoriuscente da detta almeno una camera operativa. - a second outlet in fluid communication with a second outlet conduit for sending to it a flow of said thermal discharge fluid coming out of said at least one operating chamber.
In un aspetto il circuito motore si sviluppa tra detti primo ingresso e secondo ingresso e dette prima uscita e seconda uscita e comprende detto primo condotto di ingresso, detto primo condotto di uscita, detto secondo condotto di ingresso e detto secondo condotto di uscita. In one aspect, the motor circuit develops between said first inlet and second inlet and said first outlet and second outlet and comprises said first inlet duct, said first outlet duct, said second inlet duct and said second outlet duct.
In un aspetto il circuito motore realizza un ciclo continuo di flusso di fluido termico attraverso detta almeno una camera operativa dell’unità motrice, in cui: In one aspect, the motor circuit carries out a continuous cycle of thermal fluid flow through said at least one operating chamber of the motor unit, in which:
- detto secondo condotto di uscita inizia da detta seconda uscita dell’involucro dell’unità motrice e termina collegandosi con continuità con (ossia confluisce all’inizio di) detto primo condotto di ingresso, quest’ultimo terminando in detto primo ingresso dell’involucro dell’unità motrice, il secondo condotto di uscita e il primo condotto di ingresso realizzando un primo ramo chiuso del circuito motore; - said second outlet conduit starts from said second outlet of the motor unit casing and ends by connecting continuously with (i.e. it flows at the beginning of) said first inlet conduit, the latter ending in said first inlet of the casing of the drive unit, the second outlet conduit and the first inlet conduit forming a first closed branch of the motor circuit;
- detto primo condotto di uscita inizia da detta prima uscita dell’involucro dell’unità motrice e termina collegandosi con continuità con (ossia confluisce all’inizio di) detto secondo condotto di ingresso, quest’ultimo terminando in detto secondo ingresso dell’involucro dell’unità motrice, il primo condotto di uscita e il secondo condotto di ingresso realizzando un secondo ramo chiuso del circuito motore. - said first outlet conduit starts from said first outlet of the motor unit casing and ends by connecting continuously with (i.e. it flows at the beginning of) said second inlet conduit, the latter ending in said second inlet of the casing of the the drive unit, the first outlet conduit and the second inlet conduit forming a second closed branch of the motor circuit.
In un aspetto la macchina termica comprende un riscaldatore operativamente attivo, lungo detto secondo ramo chiuso del circuito motore, tra detto primo condotto di uscita e detto secondo condotto di ingresso, configurato per riscaldare il fluido termico circolante nel secondo ramo. In one aspect, the heat engine comprises an operatively active heater, along said second closed branch of the motor circuit, between said first outlet pipe and said second inlet pipe, configured to heat the thermal fluid circulating in the second branch.
In un aspetto la macchina termica comprende un condensatore, operativamente interposto, lungo detto primo ramo chiuso del circuito motore, tra detto secondo condotto di uscita e detto primo condotto di ingresso, configurato per raffreddare il fluido termico circolante nel primo ramo. In one aspect, the thermal engine comprises a condenser, operatively interposed along said first closed branch of the motor circuit, between said second outlet pipe and said first inlet pipe, configured to cool the thermal fluid circulating in the first branch.
In un aspetto la macchina termica comprende un separatore di condensa, posto a valle del condensatore lungo detto primo condotto di ingresso, dove l’acqua presente nel fluido termico viene condensata e separata dall’aria, prima che il fluido termico raggiunga detto primo ingresso di aspirazione in detta almeno una camera operativa. In one aspect, the thermal machine comprises a condensate separator, located downstream of the condenser along said first inlet duct, where the water present in the thermal fluid is condensed and separated from the air, before the thermal fluid reaches said first inlet. suction in said at least one operating chamber.
In un aspetto la macchina termica comprende una pompa (preferibilmente ad alta pressione), configurata per prelevare l’acqua di condensa precedentemente estratta dall’aria tramite il separatore di condensa e per inviarla in una conduttura di vaporizzazione confluente in detto secondo ramo, in un punto di detto primo condotto di uscita a monte di detto riscaldatore. In one aspect, the thermal machine comprises a pump (preferably at high pressure), configured to withdraw the condensate water previously extracted from the air through the condensate separator and to send it to a vaporization duct that flows into said second branch, in a point of said first outlet duct upstream of said heater.
In un aspetto la macchina termica comprende un vaporizzatore, collocato nella macchina termica in modo tale da intercettare, da un suo lato ad alta temperatura (o primo lato), detto secondo condotto di uscita a valle dell’unità motrice e a monte del condensatore e, da un suo lato a bassa temperatura (o secondo lato), detta conduttura di vaporizzazione. In one aspect, the thermal engine comprises a vaporizer, located in the thermal engine in such a way as to intercept, on one of its high temperature side (or first side), said second outlet duct downstream of the drive unit and upstream of the condenser and, on one side of it at low temperature (or second side), called vaporization duct.
In un aspetto il vaporizzatore è configurato per riscaldare e vaporizzare l’acqua di condensa circolante in detta conduttura di vaporizzazione prima che confluisca in detto secondo ramo. In one aspect, the vaporizer is configured to heat and vaporize the condensate water circulating in said vaporization duct before it flows into said second branch.
In un aspetto la macchina termica comprende un iniettore, posto al termine di detta conduttura di vaporizzazione e configurato per iniettare nel secondo ramo, a monte del riscaldatore, una predefinita quantità di vapore acqueo, in grado di aumentare la potenza unitaria dell’unità motrice e di assicurare la lubrificazione di detti organi di trasformazione dell’energia mobilmente alloggiati in detta almeno una camera operativa. In one aspect, the thermal engine comprises an injector, placed at the end of said vaporization duct and configured to inject into the second branch, upstream of the heater, a predefined quantity of water vapor, capable of increasing the unit power of the engine and to ensure the lubrication of said energy transformation members movably housed in said at least one operating chamber.
In un aspetto il vaporizzatore è operativamente interposto, sul suo lato a bassa temperatura, tra detta pompa ad alta pressione e detto iniettore, ed è operativamente interposto, sul suo lato ad alta temperatura, tra la seconda uscita dell’unità motrice, che espelle fluido termico esausto, e il condensatore, in modo tale che il vaporizzatore acquisisce energia-calore residua dal fluido termico esausto e la utilizza per preriscaldare il fluido termico in transito verso il riscaldatore. In one aspect, the vaporizer is operatively interposed, on its low temperature side, between said high pressure pump and said injector, and is operatively interposed, on its high temperature side, between the second outlet of the drive unit, which expels fluid. thermal fluid, and the condenser, in such a way that the vaporizer acquires residual heat-energy from the exhausted thermal fluid and uses it to preheat the thermal fluid in transit towards the heater.
In un aspetto il vaporizzatore è uno scambiatore di calore. In one aspect the vaporizer is a heat exchanger.
In un aspetto il vaporizzatore è uno scambiatore di calore dotato di due lati che intercettano - rispettivamente - il secondo condotto di uscita e la conduttura di vaporizzazione, in modo tale da trasferire calore dal fluido termico circolante nel secondo condotto di uscita al fluido (acqua) circolante nella conduttura di vaporizzazione. In one aspect, the vaporizer is a heat exchanger equipped with two sides which intercept - respectively - the second outlet duct and the vaporization duct, in such a way as to transfer heat from the thermal fluid circulating in the second outlet duct to the fluid (water) circulating in the vaporization duct.
In un aspetto il vaporizzatore determina un raffreddamento del fluido termico circolante nel secondo condotto di uscita e un corrispondente (in termini termodinamici) riscaldamento del fluido circolante nella conduttura di vaporizzazione. In one aspect, the vaporizer determines a cooling of the thermal fluid circulating in the second outlet conduit and a corresponding (in thermodynamic terms) heating of the fluid circulating in the vaporization conduit.
In un aspetto la macchina termica comprende un polmone di compensazione posizionato a valle di detta prima uscita dell’unità motrice lungo detto primo condotto di uscita e configurato per accumulare il fluido termico compresso per renderlo disponibile per il suo successivo uso, per equilibrare e ottimizzare il flusso di fluido termico circolante in detto circuito motore. In one aspect, the thermal engine comprises a compensation lung positioned downstream of said first output of the drive unit along said first output duct and configured to accumulate the compressed thermal fluid to make it available for its subsequent use, to balance and optimize the flow of thermal fluid circulating in said motor circuit.
In un aspetto il riscaldatore comprende un bruciatore con annessa camera di combustione, detto bruciatore essendo atto ad essere alimentato con una pluralità di tipologie di combustibile ed essendo configurato per fornire al riscaldatore l'energia termica necessaria al suo funzionamento. In one aspect, the heater comprises a burner with an adjoining combustion chamber, said burner being able to be fed with a plurality of types of fuel and being configured to supply the heater with the thermal energy necessary for its operation.
In un aspetto il riscaldatore comprende una valvola di iniezione configurata per gestire in modo controllato l’immissione di combustibile per alimentare detto bruciatore. In one aspect, the heater comprises an injection valve configured to manage in a controlled manner the injection of fuel to feed said burner.
In un aspetto, detto riscaldatore comprende un corpo di contenimento dotato di un ingresso di aria comburente, prelevata dall’ambiente, e alloggiante sia detto bruciatore, operativamente attivo lungo detto secondo ramo chiuso del circuito motore, sia detto condensatore, operativamente attivo lungo detto primo ramo chiuso del circuito motore, in modo tale che il calore prelevato da detto primo ramo tramite il condensatore venga trasferito all’aria comburente prima che questa raggiunga il bruciatore, favorendo il processo di combustione e il riscaldamento del fluido termico nel secondo ramo. In one aspect, said heater comprises a containment body equipped with an inlet of combustion air, taken from the environment, and housing both said burner, operationally active along said second closed branch of the motor circuit, and said condenser, operationally active along said first closed branch of the motor circuit, in such a way that the heat taken from said first branch through the condenser is transferred to the combustion air before it reaches the burner, favoring the combustion process and the heating of the thermal fluid in the second branch.
In un aspetto la macchina termica comprende un surriscaldatore posizionato a valle di detto bruciatore per sottrarre energia ai fumi caldi di combustione del bruciatore, e configurato per intercettare detta conduttura di vaporizzazione in una posizione a valle di detto lato a bassa temperatura del vaporizzatore e a monte di detto iniettore. In un aspetto detto surriscaldatore è configurato per trasferire l’energia sottratta ai fumi caldi di combustione del bruciatore all’acqua di condensa vaporizzata in uscita dal vaporizzatore, in modo tale da surriscaldarla prima che raggiunga l’iniettore. In un aspetto la macchina termica è dotata di un circuito di raffreddamento chiuso, distinto da detto circuito motore. In one aspect, the thermal machine comprises a superheater positioned downstream of said burner to extract energy from the hot combustion fumes of the burner, and configured to intercept said vaporization duct in a position downstream of said low temperature side of the vaporizer and upstream of said injector. In one aspect, the superheater is configured to transfer the energy extracted from the hot combustion fumes of the burner to the vaporized condensate water leaving the vaporizer, in such a way as to overheat it before it reaches the injector. In one aspect, the thermal engine is equipped with a closed cooling circuit, distinct from said motor circuit.
In un aspetto il circuito di raffreddamento comprende un primo recuperatore di calore, collocato nel corpo di contenimento del riscaldatore in una posizione a valle del condensatore e a monte del bruciatore, rispetto alla direzione del flusso di aria comburente nel riscaldatore. In one aspect, the cooling circuit comprises a first heat recovery unit, located in the containment body of the heater in a position downstream of the condenser and upstream of the burner, with respect to the direction of the flow of combustion air in the heater.
In un aspetto il circuito di raffreddamento comprende una unità di raffreddamento (intercapedine) operativamente associata all’involucro dell’unità motrice. In one aspect, the cooling circuit includes a cooling unit (cavity) operatively associated with the drive unit casing.
In un aspetto il circuito di raffreddamento comprende una pluralità di condutture di raffreddamento colleganti in serie, a formare un percorso circolare, detto primo recuperatore di calore e detta unità di raffreddamento, dette condutture di raffreddamento portando una quantità di fluido di raffreddamento (preferibilmente acqua). In one aspect, the cooling circuit comprises a plurality of cooling pipes connected in series, to form a circular path, said first heat recovery unit and said cooling unit, said cooling pipes carrying a quantity of cooling fluid (preferably water) .
In un aspetto dette condutture di raffreddamento sono disposte nella macchina termica in modo tale da: In one aspect, said cooling pipes are arranged in the heat engine in such a way as to:
- interagire con detta unità di raffreddamento, dove il fluido di raffreddamento a bassa temperatura preleva calore dall’involucro dell’unità motrice, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura, e - interacting with said cooling unit, where the low-temperature cooling fluid draws heat from the drive unit casing, cooling it, and consequently reaches a high temperature, and
- interagire con detto primo recuperatore di calore, dove il fluido di raffreddamento ad alta temperatura cede calore al flusso di aria comburente, riscaldandolo, e conseguentemente torna in bassa temperatura. - interacting with said first heat recovery unit, where the high temperature cooling fluid transfers heat to the combustion air flow, heating it, and consequently returns to low temperature.
In un aspetto il circuito di raffreddamento comprende una pompa di raffreddamento, posta in detto circuito di raffreddamento e operativamente attiva su una conduttura di detta pluralità di condutture di raffreddamento per determinare una circolazione di detto fluido di raffreddamento nel circuito di raffreddamento. In one aspect, the cooling circuit comprises a cooling pump, located in said cooling circuit and operatively active on a duct of said plurality of cooling ducts to cause a circulation of said cooling fluid in the cooling circuit.
In un aspetto, detto circuito di raffreddamento comprende un secondo recuperatore di calore, collocato nel corpo di contenimento del riscaldatore in una posizione a valle del bruciatore, e preferibilmente a valle di detto surriscaldatore, lungo il percorso di uscita dei fumi caldi di combustione del riscaldatore. In one aspect, said cooling circuit comprises a second heat recovery unit, located in the containment body of the heater in a position downstream of the burner, and preferably downstream of said superheater, along the exit path of the hot combustion fumes of the heater. .
In un aspetto detta pluralità di condutture di raffreddamento collega in serie, in detto percorso circolare, detto primo recuperatore di calore, detta unità di raffreddamento e detto secondo recuperatore di calore, quest’ultimo risultando interposto a valle dell’unità di raffreddamento e a monte del primo recuperatore di calore, lungo il verso di percorrenza del fluido di raffreddamento, in modo tale che: In one aspect, said plurality of cooling pipes connects in series, in said circular path, said first heat recuperator, said cooling unit and said second heat recuperator, the latter being interposed downstream of the cooling unit and upstream of the first heat recovery unit, along the direction of travel of the cooling fluid, so that:
- in detta unità di raffreddamento il fluido di raffreddamento a bassa temperatura preleva calore dall’involucro dell’unità motrice, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura; - in said cooling unit, the low-temperature cooling fluid takes heat from the drive unit casing, cooling it, and consequently reaches a high temperature;
- in detto secondo recuperatore di calore il fluido di raffreddamento ad alta temperatura acquisisce calore dai fumi caldi di combustione, raffreddandoli, e conseguentemente subisce un incremento di temperatura; - in said second heat recovery fluid, the high-temperature cooling fluid acquires heat from the hot combustion fumes, cooling them, and consequently undergoes an increase in temperature;
- in detto primo recuperatore di calore il fluido di raffreddamento ad alta temperatura cede calore al flusso di aria comburente, riscaldandolo, e conseguentemente torna in bassa temperatura. - in said first heat recuperator the high temperature cooling fluid transfers heat to the combustion air flow, heating it, and consequently returns to low temperature.
In un aspetto: In one aspect:
- detto primo recuperatore è configurato per raffreddare detto fluido di raffreddamento cedendo calore/energia a detta aria comburente; - said first recuperator is configured to cool said cooling fluid by transferring heat / energy to said combustion air;
- detta unità di raffreddamento è configurata per raffreddare l’unità motrice tramite trasferimento di calore/energia dall’unità motrice al fluido di raffreddamento, che subisce un incremento di temperatura; - said cooling unit is configured to cool the drive unit by transferring heat / energy from the drive unit to the cooling fluid, which undergoes a temperature increase;
- detto secondo recuperatore è configurato per riscaldare detto fluido di raffreddamento acquisendo calore/energia dai fumi caldi di combustione. - said second recuperator is configured to heat said cooling fluid by acquiring heat / energy from the hot combustion fumes.
In un aspetto la macchina termica è dotata di un circuito idraulico ausiliario comprendente un recuperatore ausiliario, collocato nel corpo di contenimento del riscaldatore in una posizione a valle del bruciatore, e preferibilmente a valle di detto surriscaldatore, lungo il percorso di uscita dei fumi caldi di combustione del riscaldatore. In one aspect, the thermal machine is equipped with an auxiliary hydraulic circuit comprising an auxiliary recuperator, located in the containment body of the heater in a position downstream of the burner, and preferably downstream of said superheater, along the exit path of the hot fumes. combustion of the heater.
In un aspetto il circuito idraulico ausiliario comprende una pluralità di condutture ausiliarie configurate per attraversare detto recuperatore ausiliario e per essere collegate con uno o più impieghi ausiliari, preferibilmente utenze di riscaldamento ambientale e/o unità di produzione di acqua calda sanitaria. In one aspect, the auxiliary hydraulic circuit comprises a plurality of auxiliary pipes configured to pass through said auxiliary recuperator and to be connected with one or more auxiliary uses, preferably environmental heating users and / or domestic hot water production units.
In un aspetto il circuito idraulico ausiliario comprende una pompa ausiliaria, posta in detto circuito idraulico ausiliario e operativamente attiva su una conduttura di detta pluralità di condutture ausiliarie per determinare una circolazione in detto circuito ausiliario. In one aspect, the auxiliary hydraulic circuit comprises an auxiliary pump, located in said auxiliary hydraulic circuit and operatively active on a duct of said plurality of auxiliary ducts to cause circulation in said auxiliary circuit.
In un aspetto detto recuperatore ausiliario è configurato per recuperare energia dai fumi di combustione e per trasmetterla al fluido circolante in detto circuito ausiliario, detta energia essendo quindi disponibile per detti impieghi ausiliari. In one aspect, said auxiliary recuperator is configured to recover energy from the combustion fumes and to transmit it to the fluid circulating in said auxiliary circuit, said energy therefore being available for said auxiliary uses.
In un aspetto la macchina termica comprende un ventilatore posto in corrispondenza di detto ingresso di aria comburente di detto corpo di contenimento del riscaldatore e configurato per prelevare aria comburente dall’ambiente e inviarla forzatamente a detto bruciatore per alimentare il processo di combustione. In one aspect, the heat engine comprises a fan located at said combustion air inlet of said heater containment body and configured to take combustion air from the environment and forcibly send it to said burner to feed the combustion process.
In un aspetto la macchina termica comprende una o più valvole di non ritorno poste lungo le condutture del circuito motore della macchina termica e configurate per favorire la circolazione del fluido termico in modo unidirezionale e impedire il deflusso del fluido termico in direzione opposta. In one aspect, the thermal engine comprises one or more non-return valves located along the ducts of the thermal engine's motor circuit and configured to favor the circulation of the thermal fluid in a unidirectional manner and prevent the outflow of the thermal fluid in the opposite direction.
In un aspetto, detti organi di trasformazione dell’energia sono configurati per trasformare l’energia di detto fluido termico in energia meccanica secondo un ciclo operativo che prevede una sequenza di fasi di: In one aspect, said energy transformation organs are configured to transform the energy of said thermal fluid into mechanical energy according to an operating cycle that includes a sequence of phases of:
- aspirazione di fluido termico in detta almeno una camera operativa; - suction of thermal fluid in said at least one operating chamber;
- compressione del fluido termico in detta almeno una camera operativa e travaso del fluido termico; - compression of the thermal fluid in said at least one operating chamber and transfer of the thermal fluid;
- carico di fluido termico in detta almeno una camera operativa ed espansione del fluido termico in detta almeno una camera operativa; - loading of thermal fluid in said at least one operating chamber and expansion of the thermal fluid in said at least one operating chamber;
- scarico di fluido termico da detta almeno una camera operativa. - discharge of thermal fluid from said at least one operating chamber.
In un aspetto detti organi di trasformazione dell’energia comprendono uno o più, preferibilmente una pluralità di, pale o pistoni o organi equivalenti. In one aspect, said energy transformation members comprise one or more, preferably a plurality of blades or pistons or equivalent members.
In un aspetto, detta unità motrice è un motore a due tempi oppure un motore a quattro tempi, oppure un motore alternativo, oppure un motore rotativo. In one aspect, said drive unit is a two-stroke engine or a four-stroke engine, or a reciprocating engine, or a rotary engine.
In un aspetto detta unità motrice è un motore termico comprendente un compressore, svolgente dette fasi di aspirazione e compressione, e un espansore, svolgente dette fasi di espansione e scarico. In one aspect, said drive unit is a heat engine comprising a compressor, carrying out said suction and compression phases, and an expander, carrying out said expansion and discharge phases.
In un aspetto detto compressore e detto espansore sono tra loro meccanicamente indipendenti oppure collegati tramite organi di trasmissione. In one aspect, said compressor and said expander are mechanically independent from each other or connected by means of transmission members.
In un aspetto detto compressore è un compressore rotativo multistadio e detto espansore è un espansore a turbina. In one aspect said compressor is a multistage rotary compressor and said expander is a turbine expander.
In un aspetto, detta almeno una camera operativa comprende: In one aspect, said at least one operating chamber comprises:
- una prima camera, dotata di detto primo ingresso e di detta prima uscita, nella quale avvengono l’aspirazione del fluido termico e la compressione del fluido termico; - a first chamber, equipped with said first inlet and said first outlet, in which the suction of the thermal fluid and the compression of the thermal fluid take place;
- una seconda camera, distinta da detta prima camera, dotata di detto secondo ingresso e di detta seconda uscita, nella quale avvengono il carico del fluido termico compresso, l’espansione del fluido termico e lo scarico del fluido termico. - a second chamber, distinct from said first chamber, equipped with said second inlet and said second outlet, in which the compressed thermal fluid is loaded, the thermal fluid expansion and the thermal fluid discharged.
In un aspetto detta unità motrice è un’unità motrice a flusso intermittente, in cui: - detta prima camera è una camera operativa a volume variabile, configurata per operare una aspirazione di fluido e una compressione di fluido; In one aspect, said drive unit is an intermittent flow drive unit, in which: - said first chamber is a variable volume operating chamber, configured to operate a fluid suction and fluid compression;
- detta seconda camera è una camera operativa a volume variabile, configurata per operare una espansione di fluido e uno scarico di fluido. - said second chamber is a variable volume operating chamber, configured to operate a fluid expansion and fluid discharge.
In un aspetto (alternativo al precedente) detta unità motrice è un’unità motrice a flusso continuo, in cui: In one aspect (alternative to the previous one) said drive unit is a continuous flow drive unit, in which:
- detta prima camera è strutturata per realizzare un compressore, configurato per operare una aspirazione di fluido e una compressione di fluido; - said first chamber is structured to realize a compressor, configured to perform a suction of fluid and a compression of fluid;
- detta seconda camera è strutturata per realizzare una turbina, configurata per operare una espansione di fluido e uno scarico di fluido. - said second chamber is structured to realize a turbine, configured to operate a fluid expansion and a fluid discharge.
In un aspetto, detto primo ingresso e detto secondo ingresso coincidono e in cui detta prima uscita e detta seconda uscita coincidono. In one aspect, said first inlet and said second inlet coincide and in which said first outlet and said second outlet coincide.
In un aspetto la macchina termica comprende un generatore elettrico, ad esempio un alternatore, collegato con detto albero di uscita in modo tale da ricevere detto moto rotatorio preferibilmente a velocità angolare costante e generare corrente elettrica destinata ad alimentare una utenza esterna. In one aspect, the thermal machine comprises an electric generator, for example an alternator, connected to said output shaft in such a way as to receive said rotary motion preferably at constant angular speed and generate electric current intended to supply an external user.
In un aspetto, detto fluido termico è una miscela comprendente un gas e vapore acqueo o acqua, in cui detto gas è preferibilmente aria e/o elio e/o altro fluido gassoso compatibile con il vapore acqueo o l’acqua, e detto ciclo termico realizzato dalla macchina termica è un ciclo termico combinato. In one aspect, said thermal fluid is a mixture comprising a gas and water vapor or water, wherein said gas is preferably air and / or helium and / or other gaseous fluid compatible with water vapor or water, and said thermal cycle achieved by the thermal engine is a combined thermal cycle.
In un suo aspetto indipendente, la presente invenzione riguarda un metodo per realizzare un ciclo termico, il metodo operando con un fluido termico e comprendendo le fasi di: In an independent aspect, the present invention relates to a method for carrying out a thermal cycle, the method operating with a thermal fluid and comprising the steps of:
- predisporre una macchina termica, preferibilmente secondo una o più degli aspetti sopra; - providing a thermal machine, preferably according to one or more of the above aspects;
- eseguire le seguenti fasi: - perform the following steps:
- avviare detta unità motrice, mettendo in movimento detti organi di trasformazione dell’energia di detto fluido termico; - start up said drive unit, putting in motion said organs for transforming the energy of said thermal fluid;
- attivare detto riscaldatore per riscaldare il fluido termico in detto circuito motore; - activating said heater to heat the thermal fluid in said motor circuit;
- attivare un ciclo operativo comprendente le fasi di: - activate an operating cycle including the phases of:
- aspirare detto fluido termico in detta almeno una camera operativa attraverso detto primo ingresso; - sucking said thermal fluid into said at least one operating chamber through said first inlet;
- comprimere detto fluido termico in detta almeno una camera operativa e travasare detto fluido termico da detta prima uscita; - compressing said thermal fluid in said at least one operating chamber and transferring said thermal fluid from said first outlet;
- riscaldare il fluido termico circolante in detto secondo ramo del circuito motore tramite detto riscaldatore; - heating the thermal fluid circulating in said second branch of the motor circuit by means of said heater;
- caricare detto fluido termico in detta almeno una camera operativa attraverso detto secondo ingresso ed espandere detto fluido termico in detta almeno una camera operativa; - loading said thermal fluid into said at least one operating chamber through said second inlet and expanding said thermal fluid into said at least one operating chamber;
- scaricare detto fluido termico da detta almeno una camera operativa attraverso detta seconda uscita; - discharging said thermal fluid from said at least one operating chamber through said second outlet;
in cui dette fasi del ciclo operativo di aspirare, comprimere, caricare e scaricare il fluido termico determinano una trasformazione dell’energia di detto fluido termico in energia meccanica. in which said phases of the operating cycle of sucking, compressing, loading and discharging the thermal fluid result in a transformation of the energy of said thermal fluid into mechanical energy.
In un aspetto il metodo comprende la fase di trasferire detta energia meccanica generata da detti organi di trasformazione a detto albero di uscita, che fornisce in uscita un moto rotatorio preferibilmente a velocità angolare costante. In one aspect, the method comprises the step of transferring said mechanical energy generated by said transformation members to said output shaft, which provides at output a rotary motion preferably at constant angular speed.
In un aspetto il metodo comprende le seguenti fasi: In one aspect the method comprises the following steps:
- il fluido termico in uscita da detta seconda uscita dell’unità motrice transita nel secondo condotto di uscita del primo ramo del circuito motore e attraversa il lato ad alta temperatura del vaporizzatore; - the thermal fluid leaving said second output of the drive unit passes through the second output duct of the first branch of the engine circuit and crosses the high temperature side of the vaporizer;
- il fluido termico prosegue nel primo ramo e raggiunge il condensatore dove viene raffreddato; - the thermal fluid continues in the first branch and reaches the condenser where it is cooled;
- il fluido termico prosegue nel primo ramo e raggiunge il separatore di condensa dove l’acqua presente nel fluido termico viene condensata e separata dall’aria, prima che il fluido termico raggiunga detto primo ingresso dell’unità motrice; - the thermal fluid continues in the first branch and reaches the condensate separator where the water present in the thermal fluid is condensed and separated from the air, before the thermal fluid reaches said first inlet of the drive unit;
- l’acqua di condensa precedentemente estratta dall’aria tramite il separatore di condensa viene prelevata ed inviata, tramite la pompa ad alta pressione, in una conduttura di vaporizzazione confluente in detto secondo ramo, in un punto di detto primo condotto di uscita a monte del riscaldatore; - the condensate water previously extracted from the air through the condensate separator is taken and sent, by means of the high-pressure pump, into a vaporization duct that flows into said second branch, at a point of said first outlet duct upstream of the heater;
- l’acqua di condensa circolante nella conduttura di vaporizzazione attraversa il lato a bassa temperatura del vaporizzatore, dove viene riscaldata e vaporizzata prima che confluisca in detto secondo ramo; - the condensate water circulating in the vaporization duct passes through the low temperature side of the vaporizer, where it is heated and vaporized before it flows into said second branch;
- una predefinita quantità di vapore acqueo viene iniettata nel secondo ramo, a monte del riscaldatore, tramite l’iniettore, detta quantità di vapore acqueo essendo in grado di aumentare la potenza unitaria dell’unità motrice e di assicurare la lubrificazione di detti organi di trasformazione dell’energia mobilmente alloggiati in detta almeno una camera operativa. - a predefined quantity of water vapor is injected into the second branch, upstream of the heater, through the injector, said quantity of water vapor being able to increase the unit power of the drive unit and to ensure the lubrication of said transformation members energy movably housed in said at least one operating chamber.
In un aspetto il metodo comprende le seguenti fasi: In one aspect the method comprises the following steps:
- l’acqua di condensa, dopo aver attraversato il lato a bassa temperatura del vaporizzatore, dove viene riscaldata e vaporizzata, prosegue nella conduttura di vaporizzazione e raggiunge il surriscaldatore, posto a monte dell’iniettore, che trasferisce calore all’acqua di condensa vaporizzata in modo tale da surriscaldarla prima che raggiunga l’iniettore. - the condensate water, after passing through the low temperature side of the vaporizer, where it is heated and vaporized, continues in the vaporization duct and reaches the superheater, located upstream of the injector, which transfers heat to the vaporized condensate water so that it overheats before it reaches the injector.
In un aspetto il metodo comprende le seguenti fasi: In one aspect the method comprises the following steps:
- predisporre un circuito di raffreddamento, comprendente il primo recuperatore, l’unità di raffreddamento, la pluralità di condutture di raffreddamento e la pompa di raffreddamento; - prepare a cooling circuit, including the first recuperator, the cooling unit, the plurality of cooling pipes and the cooling pump;
- eseguire le fasi di: - carry out the steps of:
- il fluido di raffreddamento a bassa temperatura interagisce con l’unità di raffreddamento, dove preleva calore dall’involucro dell’unità motrice, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura; - the low-temperature cooling fluid interacts with the cooling unit, where it draws heat from the drive unit casing, cooling it, and consequently reaches a high temperature;
- il fluido di raffreddamento ad alta temperatura interagisce con il primo recuperatore di calore, dove cede calore al flusso di aria comburente, riscaldandolo, e conseguentemente si raffredda e torna in bassa temperatura; - the high temperature cooling fluid interacts with the first heat recovery unit, where it transfers heat to the combustion air flow, heating it, and consequently cools and returns to low temperature;
- attivare la pompa di raffreddamento per determinare la circolazione di fluido di raffreddamento nel circuito di raffreddamento. - activate the cooling pump to determine the circulation of cooling fluid in the cooling circuit.
In un aspetto il metodo comprende le seguenti fasi: In one aspect the method comprises the following steps:
- predisporre il secondo recuperatore nel circuito di raffreddamento; - prepare the second recovery unit in the cooling circuit;
- eseguire le fasi di: - carry out the steps of:
- nell’unità di raffreddamento il fluido di raffreddamento a bassa temperatura preleva calore dall’involucro dell’unità motrice, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura; - in the cooling unit, the low-temperature cooling fluid draws heat from the drive unit casing, cooling it, and consequently reaches a high temperature;
- nel secondo recuperatore di calore il fluido di raffreddamento ad alta temperatura acquisisce calore dai fumi caldi di combustione, raffreddandoli, e conseguentemente subisce un incremento di temperatura; - in the second heat recovery unit, the high temperature cooling fluid acquires heat from the hot combustion fumes, cooling them, and consequently undergoes an increase in temperature;
- nel primo recuperatore di calore il fluido di raffreddamento ad alta temperatura cede calore al flusso di aria comburente, riscaldandolo, e conseguentemente si raffredda e torna in bassa temperatura. - in the first heat recovery unit, the high temperature cooling fluid transfers heat to the combustion air flow, heating it, and consequently cools and returns to low temperature.
In un aspetto il metodo comprende le seguenti fasi: In one aspect the method comprises the following steps:
- predisporre detto circuito idraulico ausiliario, comprendente il recuperatore ausiliario, la pluralità di condutture ausiliarie e la pompa ausiliaria; - providing said auxiliary hydraulic circuit, comprising the auxiliary recuperator, the plurality of auxiliary pipes and the auxiliary pump;
- eseguire le fasi di: - carry out the steps of:
- recuperare dai fumi di combustione, tramite detto recuperatore ausiliario, una quantità di energia; - recovering a quantity of energy from the combustion fumes, through said auxiliary recuperator;
- trasmettere detta energia al fluido circolante in detto circuito ausiliario; - rendere disponibile detta energia per impieghi ausiliari. - transmitting said energy to the fluid circulating in said auxiliary circuit; - make this energy available for auxiliary uses.
In un aspetto relativo al metodo per realizzare un ciclo termico, detto fluido termico è una miscela comprendente un gas e vapore acqueo o acqua, in cui detto gas è preferibilmente aria e/o elio e/o altro fluido gassoso compatibile con il vapore acqueo o l’acqua, e in cui detto ciclo termico realizzato dal metodo è un ciclo termico combinato. In one aspect relating to the method for carrying out a thermal cycle, said thermal fluid is a mixture comprising a gas and water vapor or water, in which said gas is preferably air and / or helium and / or other gaseous fluid compatible with water vapor or water, and wherein said thermal cycle achieved by the method is a combined thermal cycle.
Ciascuno dei suddetti aspetti dell’invenzione può essere preso da solo o in combinazione con una qualsiasi delle rivendicazioni o degli altri aspetti descritti. Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente dalla descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, tra cui anche una forma di esecuzione preferita, esemplari ma non esclusive, di una macchina termica in accordo con la presente invenzione. Each of the aforementioned aspects of the invention can be taken alone or in combination with any of the claims or other aspects described. Further characteristics and advantages will become clearer from the detailed description of some embodiments, including also a preferred embodiment, exemplary but not exclusive, of a thermal machine according to the present invention.
Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali: This description will be set out below with reference to the accompanying drawings, provided for indicative purposes only and, therefore, not limitative, in which:
- la figura 1 illustra schematicamente una prima possibile forma realizzativa di una macchina termica secondo la presente invenzione; Figure 1 schematically illustrates a first possible embodiment of a thermal machine according to the present invention;
- la figura 1A mostra un ingrandimento di una porzione della macchina termica di figura 1, e in particolare illustra l’unità motrice; - Figure 1A shows an enlargement of a portion of the heat engine of Figure 1, and in particular illustrates the drive unit;
- la figura 2 mostra la macchina termica di figura 1, con alcuni componenti aggiuntivi; - la figura 3 mostra la macchina termica di figura 2, con alcuni componenti aggiuntivi; - la figura 4 illustra schematicamente una ulteriore possibile forma realizzativa di una macchina termica secondo la presente invenzione; - figure 2 shows the heat engine of figure 1, with some additional components; - figure 3 shows the heat engine of figure 2, with some additional components; Figure 4 schematically illustrates a further possible embodiment of a thermal machine according to the present invention;
- la figura 5 illustra schematicamente una ulteriore possibile forma realizzativa di una macchina termica secondo la presente invenzione; Figure 5 schematically illustrates a further possible embodiment of a thermal machine according to the present invention;
- la figura 6 illustra schematicamente una ulteriore possibile forma realizzativa di una macchina termica secondo la presente invenzione; Figure 6 schematically illustrates a further possible embodiment of a thermal machine according to the present invention;
- la figura 7 illustra schematicamente una ulteriore possibile forma realizzativa di una macchina termica secondo la presente invenzione. Figure 7 schematically illustrates a further possible embodiment of a thermal machine according to the present invention.
Si osservi la presenza, nella descrizione dettagliata e nelle figure, di differenti possibili forme realizzative della macchina termica in accordo con la presente invenzione; ad esempio, la struttura della macchina termica può essere in accordo con: Note the presence, in the detailed description and in the figures, of different possible embodiments of the heat engine in accordance with the present invention; for example, the structure of the heat engine can be in accordance with:
- una prima configurazione funzionale (si vedano figure 1, 2 e 3), a ciclo operativo chiuso, in cui il fluido termico viene integrato con una iniezione di acqua condensata, avente come scopo primario la lubrificazione della camera operativa e degli organi di trasformazione dell’energia ed un aumento della potenza unitaria dell’unità motrice; - a first functional configuration (see Figures 1, 2 and 3), with a closed operating cycle, in which the thermal fluid is integrated with an injection of condensed water, having as its primary purpose the lubrication of the operating chamber and of the transformation organs of the 'energy and an increase in the unit power of the drive unit;
- una seconda configurazione funzionale (si veda in particolare figura 4), in cui il fluido termico viene integrato con iniezione di vapore acqueo surriscaldato, che oltre alla lubrificazione della camera operativa e degli organi di trasformazione dell’energia e al notevole aumento della potenza unitaria dell’unità motrice, consente anche un importante miglioramento del rendimento complessivo del ciclo termico; - a second functional configuration (see in particular figure 4), in which the thermal fluid is integrated with injection of superheated water vapor, which in addition to the lubrication of the operating chamber and the energy transformation organs and the considerable increase in unit power the drive unit also allows for an important improvement in the overall efficiency of the thermal cycle;
- una terza configurazione funzionale (si vedano le forme realizzative delle figure 5, 6 e 7), in cui il fluido termico viene integrato con iniezione di vapore acqueo surriscaldato che, oltre alla lubrificazione e all’aumento della potenza unitaria dell’unità motrice, consente un importante miglioramento del rendimento complessivo del ciclo termico, e inoltre è previsto (in accordo con diverse realizzazioni) anche il recupero termico/energetico dei fluidi in circolazione (come emergerà chiaramente nel prosieguo). - a third functional configuration (see the embodiments of figures 5, 6 and 7), in which the thermal fluid is integrated with the injection of superheated water vapor which, in addition to lubrication and increase of the unit power of the drive unit, it allows an important improvement of the overall efficiency of the thermal cycle, and moreover the thermal / energetic recovery of the fluids in circulation is also foreseen (in agreement with various realizations) (as will clearly emerge in the following).
La macchina termica della presente invenzione può essere implementata anche in accordo con una combinazione delle realizzazioni mostrate nelle figure. The heat engine of the present invention can also be implemented in accordance with a combination of the embodiments shown in the figures.
Con riferimento alle figure citate, con il numero di riferimento 200 è stata complessivamente indicata una macchina termica in accordo con la presente invenzione. In generale, lo stesso numero di riferimento è utilizzato per elementi uguali o simili, eventualmente nelle loro varianti realizzative. With reference to the aforementioned figures, the reference number 200 generally indicates a thermal machine in accordance with the present invention. In general, the same reference number is used for the same or similar elements, possibly in their embodiment variants.
La macchina termica 200 è anzitutto configurata per realizzare un ciclo termico, operando con un fluido termico, e comprende un’unità motrice 1 e un circuito motore 10. The thermal machine 200 is first of all configured to create a thermal cycle, operating with a thermal fluid, and includes a drive unit 1 and a motor circuit 10.
L’unità motrice 1 comprende un involucro 2, che delimita al proprio interno almeno una camera operativa 3, e organi di trasformazione dell’energia del fluido termico, mobilmente alloggiati all’interno della camera operativa 3 e configurati per trasformare l’energia termica del fluido termico in energia meccanica, secondo un ciclo operativo, che verrà illustrato in maggiore dettaglio nel prosieguo. The drive unit 1 comprises a casing 2, which delimits at least one operating chamber 3 inside it, and organs for transforming the energy of the thermal fluid, movably housed inside the operating chamber 3 and configured to transform the thermal energy of the thermal fluid in mechanical energy, according to an operating cycle, which will be illustrated in greater detail below.
L’unità motrice comprende un albero di uscita 8 operativamente collegato agli organi di trasformazione dell’energia e configurato per ricevere la suddetta energia meccanica e fornire in uscita un moto rotatorio preferibilmente a velocità angolare costante, utilizzabile da un dispositivo a valle dell’unità motrice (ad esempio un generatore elettrico). The drive unit comprises an output shaft 8 operatively connected to the energy transformation members and configured to receive the aforementioned mechanical energy and output a rotary motion preferably at constant angular speed, usable by a device downstream of the drive unit (for example an electric generator).
L’involucro 2, delimitante al proprio interno la camera operativa 3, presenta: Enclosure 2, which delimits the operating room 3 inside, has:
- un primo ingresso 4 in comunicazione di fluido con un primo condotto di ingresso 14 per ricevere da esso un flusso di fluido termico in aspirazione nella almeno una camera operativa 3; - a first inlet 4 in fluid communication with a first inlet conduit 14 for receiving therefrom a flow of thermal fluid in suction in the at least one operating chamber 3;
- una prima uscita 5 in comunicazione di fluido con un primo condotto di uscita 15 per inviare ad esso un flusso di fluido termico in compressione fuoriuscente dalla almeno una camera operativa 3; - a first outlet 5 in fluid communication with a first outlet duct 15 to send to it a flow of thermal fluid in compression emerging from the at least one operating chamber 3;
- un secondo ingresso 6 in comunicazione di fluido con un secondo condotto di ingresso 16 per ricevere da esso un flusso di fluido termico in carico da espandere nella almeno una camera operativa 3; - a second inlet 6 in fluid communication with a second inlet conduit 16 for receiving therefrom a flow of thermal fluid under load to be expanded in the at least one operating chamber 3;
- una seconda uscita 7 in comunicazione di fluido con un secondo condotto di uscita 17 per inviare ad esso un flusso di fluido termico in scarico fuoriuscente dalla almeno una camera operativa 3. - a second outlet 7 in fluid communication with a second outlet duct 17 to send to it a flow of thermal fluid in discharge coming out of the at least one operating chamber 3.
Gli ingressi, le uscite, i condotti di ingresso, i condotti di uscita e le operazioni compiute sul fluido nella camera operativa (ossia aspirazione, compressione, carico/espansione e scarico) sono illustrati schematicamente nelle figure, e in particolare in figura 1A. The inlets, outlets, inlet ducts, outlet ducts and the operations performed on the fluid in the operating chamber (i.e. suction, compression, loading / expansion and discharge) are schematically illustrated in the figures, and in particular in figure 1A.
Il suddetto circuito motore 10 si sviluppa tra il primo ingresso 4, il secondo ingresso 6, la prima uscita 5 e la seconda uscita 7 e comprende i suddetti primo condotto di ingresso 14, primo condotto di uscita 15, secondo condotto di ingresso 16 e secondo condotto di uscita 17. The aforementioned motor circuit 10 develops between the first inlet 4, the second inlet 6, the first outlet 5 and the second outlet 7 and comprises the aforementioned first inlet duct 14, first outlet duct 15, second inlet duct 16 and second outlet duct 17.
Preferibilmente il circuito motore 10 realizza un ciclo continuo di flusso di fluido termico attraverso la suddetta almeno una camera operativa 3 dell’unità motrice, in cui: Preferably the motor circuit 10 carries out a continuous flow cycle of thermal fluid through the aforementioned at least one operating chamber 3 of the motor unit, in which:
- il secondo condotto di uscita 17 inizia dalla seconda uscita 7 dell’involucro 2 dell’unità motrice e termina collegandosi, con continuità, con il primo condotto di ingresso 14, quest’ultimo terminando nel primo ingresso 4 dell’involucro 2 dell’unità motrice, il secondo condotto di uscita e il primo condotto di ingresso realizzando un primo ramo 11 chiuso del circuito motore; - the second outlet duct 17 starts from the second outlet 7 of the casing 2 of the drive unit and ends by connecting, with continuity, to the first inlet duct 14, the latter ending in the first inlet 4 of the casing 2 of the unit motor, the second outlet duct and the first inlet duct forming a first closed branch 11 of the motor circuit;
- il primo condotto di uscita 15 inizia dalla prima uscita 5 dell’involucro 2 dell’unità motrice e termina collegandosi, con continuità, con il secondo condotto di ingresso 16, quest’ultimo terminando nel secondo ingresso 6 dell’involucro 2 dell’unità motrice, il primo condotto di uscita e il secondo condotto di ingresso realizzando un secondo ramo 12 chiuso del circuito motore. - the first outlet duct 15 starts from the first outlet 5 of the casing 2 of the drive unit and ends by connecting, with continuity, to the second inlet duct 16, the latter ending in the second inlet 6 of the casing 2 of the unit motor, the first outlet duct and the second inlet duct forming a second closed branch 12 of the motor circuit.
In sostanza il primo ramo è costituito dall’unione in serie del secondo condotto di uscita 17 e del primo condotto di ingresso 14, mentre il secondo ramo è costituito dall’unione in serie del primo condotto di uscita 15 e del secondo condotto di ingresso 16. Nel primo ramo vi è continuità (strutturale e di fluido) tra il secondo condotto di uscita 17 e il primo condotto di ingresso 14, mentre nel secondo ramo vi è continuità (strutturale e di fluido) tra il primo condotto di uscita 15 e il secondo condotto di ingresso 16. In essence, the first branch consists of the series union of the second outlet duct 17 and the first inlet duct 14, while the second branch consists of the series union of the first outlet duct 15 and the second inlet duct 16 . In the first branch there is continuity (structural and fluid) between the second outlet pipe 17 and the first inlet pipe 14, while in the second branch there is continuity (structural and fluid) between the first outlet pipe 15 and the second inlet duct 16.
Preferibilmente la macchina termica comprende un riscaldatore 41 operativamente attivo, lungo il secondo ramo 12 chiuso del circuito motore 10, tra il primo condotto di uscita 15 e il secondo condotto di ingresso 16, e configurato per riscaldare il fluido termico circolante nel secondo ramo. Preferably, the heat engine comprises a heater 41 which is operationally active, along the second closed branch 12 of the motor circuit 10, between the first outlet pipe 15 and the second inlet pipe 16, and configured to heat the thermal fluid circulating in the second branch.
Si osservi che, nel secondo ramo 12, il riscaldatore 41 è strutturalmente e operativamente interposto tra, e suddivide, il primo condotto di uscita 15 e il secondo condotto di ingresso 16. It should be noted that, in the second branch 12, the heater 41 is structurally and operationally interposed between and divides the first outlet duct 15 and the second inlet duct 16.
Preferibilmente la macchina termica 200 comprende un condensatore 43, operativamente interposto, lungo il primo ramo 11 chiuso del circuito motore 10, tra il secondo condotto di uscita 17 e il primo condotto di ingresso 14, e configurato per raffreddare il fluido termico circolante nel primo ramo 11. Preferably, the heat engine 200 comprises a condenser 43, operatively interposed along the first closed branch 11 of the motor circuit 10, between the second outlet pipe 17 and the first inlet pipe 14, and configured to cool the thermal fluid circulating in the first branch 11.
Si osservi che, nel primo ramo 11, il condensatore 43 è strutturalmente e operativamente interposto tra, e suddivide, il secondo condotto di uscita 17 e il primo condotto di ingresso 14. It should be noted that, in the first branch 11, the condenser 43 is structurally and operationally interposed between and divides the second outlet duct 17 and the first inlet duct 14.
Preferibilmente la macchina termica 200 comprende un separatore di condensa 93, posto a valle del condensatore 43 lungo il primo condotto di ingresso 14, dove l’acqua presente nel fluido termico viene condensata e separata dall’aria, prima che il fluido termico raggiunga il primo ingresso 4 di aspirazione nella camera operativa 3. Il separatore di condensa 93 consente quindi di separare la parte gassosa della miscela (aria e/o elio e/o altro gas compatibile) dalla parte liquida (acqua di condensa), in modo da renderli separatamente utilizzabili nel ciclo. Preferably the thermal machine 200 comprises a condensate separator 93, located downstream of the condenser 43 along the first inlet duct 14, where the water present in the thermal fluid is condensed and separated from the air, before the thermal fluid reaches the first suction inlet 4 in the operating chamber 3. The condensate separator 93 therefore allows to separate the gaseous part of the mixture (air and / or helium and / or other compatible gas) from the liquid part (condensate water), so as to make them separately usable in the cycle.
Preferibilmente la macchina termica comprende una pompa 94 (preferibilmente ad alta pressione), configurata per prelevare l’acqua di condensa precedentemente estratta dall’aria tramite il separatore di condensa 93 e per inviarla in una conduttura di vaporizzazione 20 confluente nel secondo ramo 12, in un punto del primo condotto di uscita 15 a monte del riscaldatore 41. Preferably the thermal machine comprises a pump 94 (preferably at high pressure), configured to withdraw the condensate water previously extracted from the air by means of the condensate separator 93 and to send it into a vaporization duct 20 confluent in the second branch 12, in a point of the first outlet duct 15 upstream of the heater 41.
Preferibilmente, come mostrato nelle figure, la macchina termica comprende un vaporizzatore 95, collocato in una posizione tale da: Preferably, as shown in the figures, the thermal machine comprises a vaporizer 95, placed in a position such as to:
- intercettare, da un suo lato ad alta temperatura (o primo lato), il secondo condotto di uscita 17 a valle dell’unità motrice 1 e a monte del condensatore 43; e - intercept, on its high temperature side (or first side), the second outlet duct 17 downstream of the drive unit 1 and upstream of the condenser 43; And
- intercettare, da un suo lato a bassa temperatura (o secondo lato), la conduttura di vaporizzazione 20. - intercept, on one side at low temperature (or second side), the vaporization duct 20.
Preferibilmente il vaporizzatore 95 è configurato per riscaldare e vaporizzare l’acqua di condensa circolante nella conduttura di vaporizzazione 20 prima che confluisca nel secondo ramo 12. Preferably, the vaporizer 95 is configured to heat and vaporize the condensate water circulating in the vaporization duct 20 before it flows into the second branch 12.
In sostanza, il vaporizzatore 95 (che costituisce un generatore di vapore acqueo) è in grado di sottrarre (nel suo lato ad alta temperatura) gran parte dell’energia termica residua contenuta nel fluido termico scaricato dalla seconda uscita 7 dopo l’espansione e di trasferirla (nel suo lato a bassa temperatura) all’acqua di condensa portata dalla conduttura di vaporizzazione, utilizzando così tale energia termica per generare vapore acqueo surriscaldato da reimmettere nel circuito motore. Basically, the vaporizer 95 (which constitutes a water vapor generator) is able to subtract (in its high temperature side) a large part of the residual thermal energy contained in the thermal fluid discharged from the second outlet 7 after expansion and transfer it (on its low temperature side) to the condensate water carried by the vaporization duct, thus using this thermal energy to generate superheated water vapor to be reintroduced into the motor circuit.
Preferibilmente la macchina termica comprende un iniettore 97, posto al termine della conduttura di vaporizzazione 20 e configurato per iniettare nel secondo ramo 12, a monte del riscaldatore 41, una predefinita quantità di vapore acqueo, in grado di aumentare la potenza unitaria dell’unità motrice 1 e di assicurare la lubrificazione di detti organi di trasformazione dell’energia mobilmente alloggiati nella camera operativa 3. Preferably, the thermal engine comprises an injector 97, located at the end of the vaporization duct 20 and configured to inject into the second branch 12, upstream of the heater 41, a predefined quantity of water vapor, capable of increasing the unit power of the drive unit. 1 and to ensure the lubrication of said energy transformation members movably housed in the operating chamber 3.
Preferibilmente il vaporizzatore 95 è operativamente interposto, sul suo lato a bassa temperatura, tra la pompa 94 e l’iniettore 97, ed è operativamente interposto, sul suo lato ad alta temperatura, tra la seconda uscita 7 dell’unità motrice 1, che espelle fluido termico esausto, e il condensatore 43, in modo tale che il vaporizzatore acquisisce energia-calore residua dal fluido termico esausto e la utilizza per preriscaldare il fluido termico in transito verso il riscaldatore 41. Preferably, the vaporizer 95 is operatively interposed, on its low temperature side, between the pump 94 and the injector 97, and is operatively interposed, on its high temperature side, between the second outlet 7 of the drive unit 1, which expels exhausted thermal fluid, and the condenser 43, in such a way that the vaporizer acquires residual heat-energy from the exhausted thermal fluid and uses it to preheat the thermal fluid in transit towards the heater 41.
Preferibilmente il vaporizzatore è uno scambiatore di calore, dotato di due lati che intercettano - rispettivamente - il secondo condotto di uscita 17 (a valle dell’unità motrice 1 e a monte del condensatore 43) e la conduttura di vaporizzazione 20, in modo tale da trasferire calore dal fluido termico circolante nel secondo condotto di uscita 17 (raffreddandolo) al fluido circolante nella conduttura di vaporizzazione 20 (riscaldandolo e vaporizzandolo). Preferably, the vaporizer is a heat exchanger, equipped with two sides which intercept - respectively - the second outlet duct 17 (downstream of the drive unit 1 and upstream of the condenser 43) and the vaporization duct 20, so as to transfer heat from the thermal fluid circulating in the second outlet conduit 17 (cooling it) to the fluid circulating in the vaporization conduit 20 (heating and vaporising it).
Si osservi che la funzione svolta dal vaporizzatore 95 è quella di consentire di recuperare il differenziale energetico tra la temperatura del fluido termico a fine espansione (scaricato dalla seconda uscita 7 della camera operativa) e la temperatura dello stesso alla quasi completa condensazione (misurata all’uscita del vaporizzatore sul secondo condotto di uscita 17), ovvero un differenziale molto elevato (ad esempio da una temperatura di 360°C ad una temper atura di 40°C ). Utilizzando tale differenziale energetico, il vaporizzatore è in grado di produrre vapore acqueo surriscaldato, interamente riutilizzabile nel circuito motore. It should be noted that the function performed by the vaporizer 95 is to allow to recover the energy differential between the temperature of the thermal fluid at the end of expansion (discharged from the second outlet 7 of the operating chamber) and the temperature of the same at almost complete condensation (measured at outlet of the vaporizer on the second outlet duct 17), i.e. a very high differential (for example from a temperature of 360 ° C to a temperature of 40 ° C). Using this energy differential, the vaporizer is able to produce superheated water vapor, which can be entirely reused in the motor circuit.
Si osservi che l’iniettore 97 è il punto in cui il condotto di vaporizzazione 20 confluisce nel secondo ramo 12 del circuito motore 10. L’iniettore 97 funge da “cassetta di miscelazione” che riceve il fluido termico in uscita (a seguito della compressione) dalla prima uscita 5 e portato dal condotto 15 (proveniente quindi dalla parte di compressione della camera operativa 3), e lo miscela con il vapore acqueo surriscaldato trasportato dal condotto di vaporizzazione 20 dopo il transito nel vaporizzatore 95. It should be observed that the injector 97 is the point where the vaporization duct 20 flows into the second branch 12 of the motor circuit 10. The injector 97 acts as a "mixing box" which receives the thermal fluid at the outlet (following compression ) from the first outlet 5 and carried by the duct 15 (thus coming from the compression part of the operating chamber 3), and mixes it with the superheated water vapor transported by the vaporization duct 20 after passing through the vaporizer 95.
Preferibilmente, come mostrato ad esempio in figura 2, la macchina termica comprende un polmone di compensazione 44 posizionato a valle della prima uscita 5 dell’unità motrice lungo il primo condotto di uscita 15 e configurato per accumulare il fluido termico compresso per renderlo disponibile per il suo successivo uso, per equilibrare e ottimizzare il flusso di fluido termico circolante nel circuito motore 10. Preferibilmente (si vedano figure 3-7) il riscaldatore comprende un bruciatore 40 con annessa camera di combustione 40A, configurato per essere alimentato con una pluralità di tipologie di combustibile e per fornire al riscaldatore 41 l'energia termica necessaria al suo funzionamento. Preferably, as shown for example in Figure 2, the thermal engine comprises a compensation lung 44 positioned downstream of the first outlet 5 of the drive unit along the first outlet duct 15 and configured to accumulate the compressed thermal fluid to make it available for the its subsequent use, to balance and optimize the flow of thermal fluid circulating in the motor circuit 10. Preferably (see Figures 3-7) the heater comprises a burner 40 with an attached combustion chamber 40A, configured to be fed with a plurality of types of fuel and to supply the heater 41 with the thermal energy necessary for its operation.
Preferibilmente il riscaldatore 41 comprende una valvola di iniezione 91 configurata per gestire in modo controllato l’immissione di combustibile per alimentare il bruciatore. Preferably the heater 41 comprises an injection valve 91 configured to manage in a controlled manner the injection of fuel to feed the burner.
Preferibilmente, il riscaldatore 41 può comprendere un corpo di contenimento 50 dotato di un ingresso di aria comburente 51, tipicamente prelevata dall’ambiente, e alloggiante sia il bruciatore 40, operativamente attivo lungo il secondo ramo chiuso del circuito motore, sia il condensatore 43, operativamente attivo lungo il primo ramo (11) chiuso del circuito motore, in modo tale che il calore prelevato dal primo ramo tramite il condensatore venga trasferito all’aria comburente prima che questa raggiunga il bruciatore 40, favorendo il processo di combustione e il riscaldamento del fluido termico nel secondo ramo 12. Preferably, the heater 41 can comprise a containment body 50 equipped with an inlet of combustion air 51, typically taken from the environment, and housing both the burner 40, operationally active along the second closed branch of the motor circuit, and the condenser 43, operationally active along the first closed branch (11) of the motor circuit, so that the heat taken from the first branch through the condenser is transferred to the combustion air before it reaches the burner 40, favoring the combustion process and heating of the thermal fluid in the second branch 12.
Preferibilmente (si veda la forma realizzativa di figura 4) la macchina termica 200 comprende un surriscaldatore 96 posizionato a valle del bruciatore 40 per sottrarre energia ai fumi caldi di combustione del bruciatore, e configurato per intercettare la conduttura di vaporizzazione 20 in una posizione a valle del lato a bassa temperatura del vaporizzatore 95 e a monte dell’iniettore 97. Preferably (see the embodiment of Figure 4) the thermal machine 200 comprises a superheater 96 positioned downstream of the burner 40 to extract energy from the hot combustion fumes of the burner, and configured to intercept the vaporization duct 20 in a downstream position of the low temperature side of the vaporizer 95 and upstream of the injector 97.
Preferibilmente il surriscaldatore 96 è configurato per trasferire l’energia sottratta ai fumi caldi di combustione del bruciatore all’acqua di condensa vaporizzata in uscita dal vaporizzatore 95, in modo tale da surriscaldarla prima che raggiunga l’iniettore. Preferably the superheater 96 is configured to transfer the energy extracted from the hot combustion fumes of the burner to the vaporized condensate water coming out of the vaporizer 95, in such a way as to overheat it before it reaches the injector.
Preferibilmente (si veda la forma realizzativa di figura 5) la macchina termica 200 è dotata di un circuito di raffreddamento 60 chiuso, distinto dal circuito motore. Preferably (see the embodiment of Figure 5) the thermal machine 200 is equipped with a closed cooling circuit 60, distinct from the motor circuit.
Preferibilmente il circuito di raffreddamento 60 comprende un primo recuperatore di calore 98, preferibilmente collocato nel corpo di contenimento 50 del riscaldatore 41 in una posizione a valle del condensatore 43 e a monte del bruciatore 40, rispetto alla direzione del flusso di aria comburente nel riscaldatore. Preferably the cooling circuit 60 comprises a first heat recovery unit 98, preferably located in the containment body 50 of the heater 41 in a position downstream of the condenser 43 and upstream of the burner 40, with respect to the direction of the flow of combustion air in the heater.
Preferibilmente il circuito di raffreddamento comprende una unità di raffreddamento 2R operativamente associata all’involucro dell’unità motrice 1. Esemplarmente, l’unità di raffreddamento può essere un’intercapedine esternamente associata all’involucro dell’unità motrice, ad esempio a contatto con almeno una porzione dell’involucro. Preferably, the cooling circuit comprises a cooling unit 2R operatively associated with the casing of the drive unit 1. For example, the cooling unit can be an interspace externally associated with the casing of the drive unit, for example in contact with at least a portion of the envelope.
Preferibilmente il circuito di raffreddamento 60 comprende una pluralità di condutture di raffreddamento colleganti in serie, a formare un percorso circolare, il primo recuperatore di calore 98 e l’unità di raffreddamento 2R, tali condutture di raffreddamento portando una quantità di fluido di raffreddamento (preferibilmente acqua). Preferably the cooling circuit 60 comprises a plurality of cooling pipes connecting in series, to form a circular path, the first heat recovery unit 98 and the cooling unit 2R, these cooling pipes carrying a quantity of cooling fluid (preferably water).
Preferibilmente le condutture di raffreddamento sono disposte nella macchina termica in modo tale da: Preferably, the cooling pipes are arranged in the thermal machine in such a way as to:
- interagire con l’unità di raffreddamento 2R, dove il fluido di raffreddamento a bassa temperatura preleva calore dall’involucro dell’unità motrice, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura, e - interacting with the 2R cooling unit, where the low-temperature cooling fluid draws heat from the drive unit casing, cooling it, and consequently reaches a high temperature, and
- interagire con il primo recuperatore di calore 98, dove il fluido di raffreddamento ad alta temperatura cede calore al flusso di aria comburente, riscaldandolo, e conseguentemente torna in bassa temperatura. - interacting with the first heat recovery unit 98, where the high temperature cooling fluid transfers heat to the combustion air flow, heating it, and consequently returns to a low temperature.
Preferibilmente il circuito di raffreddamento 60 comprende una pompa di raffreddamento 99, posta nel circuito di raffreddamento e operativamente attiva su una conduttura di detta pluralità di condutture di raffreddamento per determinare una circolazione del fluido di raffreddamento nel circuito di raffreddamento. Preferably, the cooling circuit 60 comprises a cooling pump 99, located in the cooling circuit and operatively active on a duct of said plurality of cooling ducts to cause circulation of the cooling fluid in the cooling circuit.
Preferibilmente (si veda la forma realizzativa di figura 6) il circuito di raffreddamento comprende un secondo recuperatore di calore 100, preferibilmente collocato nel corpo di contenimento del riscaldatore in una posizione a valle del bruciatore 40, e preferibilmente a valle anche del surriscaldatore 96, lungo il percorso di uscita dei fumi caldi di combustione del riscaldatore. Preferably (see the embodiment of figure 6) the cooling circuit comprises a second heat recovery unit 100, preferably located in the containment body of the heater in a position downstream of the burner 40, and preferably also downstream of the superheater 96, along the exit path of the hot combustion fumes of the heater.
Preferibilmente la pluralità di condutture di raffreddamento collega in serie, in detto percorso circolare, il primo recuperatore di calore 98, l’unità di raffreddamento 2R e il secondo recuperatore di calore 100, quest’ultimo risultando interposto a valle dell’unità di raffreddamento 2R e a monte del primo recuperatore di calore 98, lungo il verso di percorrenza del fluido di raffreddamento, in modo tale che: Preferably, the plurality of cooling pipes connects in series, in said circular path, the first heat recovery unit 98, the cooling unit 2R and the second heat recovery unit 100, the latter being interposed downstream of the cooling unit 2R and upstream of the first heat recovery unit 98, along the direction of travel of the cooling fluid, so that:
- nell’unità di raffreddamento 2R il fluido di raffreddamento a bassa temperatura preleva calore dall’involucro dell’unità motrice, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura; - in the 2R cooling unit, the low temperature cooling fluid draws heat from the drive unit casing, cooling it, and consequently reaches a high temperature;
- nel secondo recuperatore di calore 100 il fluido di raffreddamento ad alta temperatura acquisisce calore dai fumi caldi di combustione, raffreddandoli, e conseguentemente subisce un incremento di temperatura; - in the second heat recovery unit 100 the high temperature cooling fluid acquires heat from the hot combustion fumes, cooling them, and consequently undergoes an increase in temperature;
- nel primo recuperatore di calore 98 il fluido di raffreddamento ad alta temperatura cede calore al flusso di aria comburente (prima che essa entri nel bruciatore 40), riscaldandolo, e conseguentemente torna in bassa temperatura. - in the first heat recovery unit 98 the high temperature cooling fluid transfers heat to the combustion air flow (before it enters the burner 40), heating it, and consequently returns to low temperature.
In tale configurato: In such configured:
- il primo recuperatore 98 raffredda il fluido di raffreddamento cedendo calore/energia all’aria comburente; - the first recuperator 98 cools the cooling fluid by transferring heat / energy to the combustion air;
- l’unità di raffreddamento 2R raffredda l’unità motrice 1 tramite trasferimento di calore/energia dall’unità motrice al fluido di raffreddamento, che subisce un incremento di temperatura; - the cooling unit 2R cools the drive unit 1 by transferring heat / energy from the drive unit to the cooling fluid, which undergoes a temperature increase;
- il secondo recuperatore 100 riscalda il fluido di raffreddamento acquisendo calore/energia dai fumi caldi di combustione. - the second recuperator 100 heats the cooling fluid by acquiring heat / energy from the hot combustion fumes.
Preferibilmente (si veda la forma realizzativa di figura 7) la macchina termica 200 è dotata di un circuito idraulico ausiliario comprendente un recuperatore ausiliario 101, preferibilmente collocato nel corpo di contenimento del riscaldatore in una posizione a valle del bruciatore 40, e preferibilmente a valle anche del surriscaldatore 96, lungo il percorso di uscita dei fumi caldi di combustione del riscaldatore. Preferably (see the embodiment of Figure 7) the thermal machine 200 is equipped with an auxiliary hydraulic circuit comprising an auxiliary recuperator 101, preferably located in the containment body of the heater in a position downstream of the burner 40, and preferably downstream also of the superheater 96, along the exit path of the hot combustion fumes of the heater.
Preferibilmente il circuito idraulico ausiliario comprende una pluralità di condutture ausiliarie configurate per attraversare il recuperatore ausiliario 101 e per essere collegate con uno o più impieghi ausiliari 103, preferibilmente utenze di riscaldamento ambientale e/o unità di produzione di acqua calda sanitaria. Preferably the auxiliary hydraulic circuit comprises a plurality of auxiliary pipes configured to pass through the auxiliary recuperator 101 and to be connected with one or more auxiliary uses 103, preferably environmental heating users and / or domestic hot water production units.
Preferibilmente il circuito idraulico ausiliario comprende una pompa ausiliaria 104, posta nel circuito idraulico ausiliario e operativamente attiva su una di dette condutture ausiliarie per determinare una circolazione nel circuito idraulico ausiliario. Preferibilmente il recuperatore ausiliario 101 è configurato per recuperare energia dai fumi di combustione e per trasmetterla al fluido circolante nel circuito idraulico ausiliario, tale energia essendo quindi disponibile per gli impieghi ausiliari 103. Preferably, the auxiliary hydraulic circuit comprises an auxiliary pump 104, located in the auxiliary hydraulic circuit and operatively active on one of said auxiliary pipes to cause circulation in the auxiliary hydraulic circuit. Preferably, the auxiliary recuperator 101 is configured to recover energy from the combustion fumes and to transmit it to the fluid circulating in the auxiliary hydraulic circuit, this energy therefore being available for auxiliary uses 103.
Preferibilmente la macchina termica 200 comprende un ventilatore 92 posto in corrispondenza dell’ingresso di aria comburente del corpo di contenimento 50 del riscaldatore e configurato per prelevare aria comburente dall’ambiente e inviarla forzatamente al bruciatore 40 per alimentare il processo di combustione. Preferably the heat engine 200 comprises a fan 92 placed at the combustion air inlet of the containment body 50 of the heater and configured to take combustion air from the environment and forcibly send it to the burner 40 to feed the combustion process.
Preferibilmente la macchina termica può comprendere una o più valvole di non ritorno, ad esempio di tipo noto, poste lungo le condutture del circuito motore della macchina termica e configurate per favorire la circolazione del fluido termico in modo unidirezionale e impedire il deflusso del fluido termico in direzione opposta. Preferibilmente, come illustrato schematicamente in figura 1A, gli organi di trasformazione dell’energia sono configurati per trasformare l’energia del fluido termico in energia meccanica secondo un ciclo operativo che prevede una sequenza di fasi di: Preferably, the thermal engine can comprise one or more non-return valves, for example of a known type, placed along the ducts of the motor circuit of the thermal engine and configured to favor the circulation of the thermal fluid in a unidirectional way and prevent the outflow of the thermal fluid. opposite direction. Preferably, as schematically illustrated in Figure 1A, the energy transformation organs are configured to transform the energy of the thermal fluid into mechanical energy according to an operating cycle that includes a sequence of phases of:
- aspirazione di fluido termico nella almeno una camera operativa 3 (tramite il primo ingresso 4); - suction of thermal fluid into at least one operating chamber 3 (through the first inlet 4);
- compressione del fluido termico nella almeno una camera operativa e travaso (ovvero fuoriuscita) del fluido termico (tramite la prima uscita 5); - compression of the thermal fluid in the at least one operating chamber and transfer (ie outflow) of the thermal fluid (through the first outlet 5);
- carico di fluido termico nella almeno una camera operativa 3 (tramite il secondo ingresso 6) ed espansione del fluido termico nella camera operativa; - loading of thermal fluid in the at least one operating chamber 3 (through the second inlet 6) and expansion of the thermal fluid in the operating chamber;
- scarico di fluido termico dalla almeno una camera operativa (tramite la seconda uscita 7). - discharge of thermal fluid from the at least one operating chamber (via the second outlet 7).
Preferibilmente gli organi di trasformazione dell’energia comprendono uno o più, preferibilmente una pluralità di, pale o pistoni o organi equivalenti. Preferably the energy transformation members comprise one or more, preferably a plurality of blades or pistons or equivalent members.
Esemplarmente, l’unità motrice può essere un motore a due tempi oppure un motore a quattro tempi, oppure un motore alternativo, oppure un motore rotativo. For example, the drive unit can be a two-stroke engine or a four-stroke engine, or a reciprocating engine, or a rotary engine.
Esemplarmente l’unità motrice è un motore termico comprendente un compressore, svolgente le fasi di aspirazione e compressione, e un espansore, svolgente le fasi di espansione e scarico. Il compressore e l’espansore possono essere tra loro meccanicamente indipendenti oppure collegati tramite organi di trasmissione. For example, the drive unit is a heat engine comprising a compressor, carrying out the suction and compression phases, and an expander, carrying out the expansion and discharge phases. The compressor and the expander can be mechanically independent from each other or connected through transmission components.
Esemplarmente il compressore è un compressore rotativo multistadio e l’espansore è un espansore a turbina. For example, the compressor is a multistage rotary compressor and the expander is a turbine expander.
In possibili forme realizzative, come quelle mostrate nelle figure, preferibilmente la suddetta almeno una camera operativa 3 comprende: In possible embodiments, such as those shown in the figures, preferably the aforesaid at least one operating chamber 3 comprises:
- una prima camera 3A, dotata del primo ingresso 4 e della prima uscita 5, nella quale avvengono l’aspirazione del fluido termico e la compressione del fluido termico; - a first chamber 3A, equipped with the first inlet 4 and the first outlet 5, in which the suction of the thermal fluid and the compression of the thermal fluid take place;
- una seconda camera 3B, distinta dalla prima camera, dotata del secondo ingresso 6 e della seconda uscita 7, nella quale avvengono il carico del fluido termico compresso, l’espansione del fluido termico e lo scarico del fluido termico. - a second chamber 3B, distinct from the first chamber, equipped with the second inlet 6 and the second outlet 7, in which the compressed thermal fluid is loaded, the thermal fluid expansion and the thermal fluid discharged.
In sostanza, la camera 3 è suddivisa in due sott-camere ciascuna delle quali destinata a svolgere una rispettiva metà del ciclo operativo. Basically, the chamber 3 is divided into two sub-chambers, each of which is intended to carry out a respective half of the operating cycle.
L’unità motrice 1 può essere un’unità motrice a flusso intermittente, in cui: Drive unit 1 can be an intermittent flow drive unit, in which:
- la prima camera 3A è una camera operativa a volume variabile, configurata per operare una aspirazione di fluido e una compressione di fluido; - the first chamber 3A is a variable volume operating chamber, configured to perform a suction of fluid and a compression of fluid;
- la seconda camera 3B è una camera operativa a volume variabile, configurata per operare una espansione di fluido e uno scarico di fluido. - the second chamber 3B is a variable volume operating chamber, configured to operate a fluid expansion and fluid discharge.
In alternativa, l’unità motrice 1 è un’unità motrice a flusso continuo, in cui: Alternatively, the drive unit 1 is a continuous flow drive unit, in which:
- la prima camera 3A è strutturata per realizzare un compressore, configurato per operare una aspirazione di fluido e una compressione di fluido; - the first chamber 3A is structured to make a compressor, configured to perform a suction of fluid and a compression of fluid;
- la seconda camera 3B è strutturata per realizzare una turbina, configurata per operare una espansione di fluido e uno scarico di fluido. - the second chamber 3B is structured to make a turbine, configured to operate a fluid expansion and fluid discharge.
In una possibile forma realizzativa (non mostrata), con singola camera operativa, il primo e il secondo ingresso coincidono tra loro, e la prima e la seconda uscita coincidono tra loro. In a possible embodiment (not shown), with a single operating chamber, the first and second inlets coincide with each other, and the first and second outlet coincide with each other.
Allo stato dell’arte, alcune tipologie note di motori endotermici (a combustione interna), con opportune modifiche meccaniche e funzionali, possono essere adattate per l’utilizzo come unità motrice 1. A titolo di esempio illustrativo, e non limitativo, si elencano i seguenti motori: In the state of the art, some known types of endothermic (internal combustion) engines, with appropriate mechanical and functional modifications, can be adapted for use as a power unit 1. By way of illustrative and non-limiting example, the following are listed following engines:
- motore alternativo a quattro tempi Diesel; - alternative four-stroke diesel engine;
- motore alternativo a quattro tempi Otto; - Otto four-stroke reciprocating engine;
- motore rotativo a quattro tempi Wankel; - Wankel four-stroke rotary engine;
- motore rotativo a quattro tempi Quasiturbine (brevetto US-2014-0140879-A1); Allo stato dell’arte, alcune altre tipologie di motori esotermici (a combustione esterna), con opportune modifiche meccaniche e funzionali, possono essere adattate per l’utilizzo come unità motrice 1. A titolo di esempio illustrativo, e non limitativo, si elencano i seguenti motori: - Quasiturbine four-stroke rotary engine (patent US-2014-0140879-A1); At the state of the art, some other types of exothermic (external combustion) engines, with appropriate mechanical and functional modifications, can be adapted for use as a power unit 1. By way of illustrative and non-limiting example, the following are listed following engines:
- motore rotativo RVE, formato da una sezione di Aspirazione-Compressione e da una o due sezioni di Espansione-Scarico, delimitate da quattro o sei pistoni scorrevoli, a velocità periodicamente variabile, all’interno di un unico cilindro anulare, così come già descritti nelle domande di brevetto WO2015/114602A1 e WO2019/008457, a nome della stessa Richiedente; - RVE rotary engine, formed by an Intake-Compression section and by one or two Expansion-Exhaust sections, delimited by four or six sliding pistons, with periodically variable speed, inside a single annular cylinder, as already described in patent applications WO2015 / 114602A1 and WO2019 / 008457, in the name of the same Applicant;
- motore alternativo a due cilindri Ericsson; - Ericsson two-cylinder reciprocating engine;
- motore rotativo Wankel, formato da un Compressore e da un Espansore, meccanicamente tra loro collegati tramite un qualsiasi sistema di trasmissione (brevetto: US3,426,525); - Wankel rotary motor, consisting of a Compressor and an Expander, mechanically connected to each other via any transmission system (patent: US3,426,525);
- motore rotativo a palette, formato da un Compressore e da un Espansore, meccanicamente tra loro collegati tramite un qualsiasi sistema di trasmissione (brevetto: DE4317690A1); - rotary vane motor, consisting of a Compressor and an Expander, mechanically connected to each other via any transmission system (patent: DE4317690A1);
- motore rotativo trilobato; formato da un Compressore e da un Espansore, meccanicamente tra loro collegati tramite un qualsiasi sistema di trasmissione (brevetto: US20110259002A1); - trilobate rotary engine; consisting of a Compressor and an Expander, mechanically connected to each other via any transmission system (patent: US20110259002A1);
- motore rotativo RVE, formato da un Compressore e da un Espansore, meccanicamente tra loro collegati tramite un opportuno sistema di trasmissione (brevetto: WO02084078A1); - RVE rotary motor, consisting of a Compressor and an Expander, mechanically connected to each other by means of an appropriate transmission system (patent: WO02084078A1);
- motore rotativo Scroll, formato da un Compressore e da un Espansore, meccanicamente tra loro collegati tramite un opportuno sistema di trasmissione (brevetto: US20050172622A1); - Scroll rotary motor, consisting of a Compressor and an Expander, mechanically connected to each other by means of an appropriate transmission system (patent: US20050172622A1);
- motore rotativo a Turbina multistadio, formato da un Compressore e da un Espansore, tra loro meccanicamente collegati tramite un opportuno sistema di trasmissione (brevetto: WO2012123500A2). - multistage rotary turbine engine, consisting of a compressor and an expander, mechanically connected to each other by means of an appropriate transmission system (patent: WO2012123500A2).
La macchina termica 200 può comprendere, preferibilmente, un generatore elettrico G, ad esempio un alternatore, collegato con l’albero di uscita 8 in modo tale da ricevere in ingresso il moto rotatorio (generato dall’unità motrice 1), preferibilmente a velocità angolare costante, e generare in uscita corrente elettrica destinata ad alimentare una utenza esterna. The thermal engine 200 can preferably comprise an electric generator G, for example an alternator, connected to the output shaft 8 in such a way as to receive the rotary motion (generated by the drive unit 1) at its input, preferably at angular speed. constant, and generate an electric current at the output to power an external user.
Il generatore elettrico G è configurato per trasformare il lavoro meccanico prodotto dall’unità motrice (in particolare dalla parte di espansione) in energia elettrica. Il generatore elettrico può anche essere predisposto per svolgere la funzione di motore di avviamento nella fase iniziale di messa in moto dell’unità motrice. The electric generator G is configured to transform the mechanical work produced by the drive unit (in particular from the expansion part) into electricity. The electric generator can also be set up to perform the function of a starter motor in the initial start-up phase of the drive unit.
Nell’ambito della presente invenzione, il suddetto fluido termico è una miscela comprendente un gas e vapore acqueo o acqua. In the context of the present invention, the aforementioned thermal fluid is a mixture comprising a gas and water vapor or water.
Il suddetto gas può essere aria oppure elio oppure un altro fluido gassoso (o miscela di fluidi gassosi) compatibile con il vapore acqueo o l’acqua, e il ciclo termico realizzato dalla macchina termica è un ciclo termico combinato. The aforementioned gas can be air or helium or another gaseous fluid (or mixture of gaseous fluids) compatible with water vapor or water, and the thermal cycle created by the heat engine is a combined thermal cycle.
Si precisa inoltre che, in una condizione di “riposo” della macchina termica, i fluidi impiegati (ad esempio, aria ed acqua) si trovano alla stessa temperatura dell’ambiente circostante e che, durante il funzionamento, all’interno dell’unità motrice e del circuito motore possono esservi pressioni diverse da quella atmosferica. It should also be noted that, in a "rest" condition of the heat engine, the fluids used (for example, air and water) are at the same temperature as the surrounding environment and that, during operation, inside the drive unit and the motor circuit, there may be pressures other than atmospheric pressure.
Si osservi che la macchina termica comprende opportune apparecchiature di comando e regolazione (ad esempio una centralina elettronica opportunamente programmata), non mostrate e ad esempio di tipo noto. Inoltre, la macchina termica comprende preferibilmente mezzi per l’avviamento configurati per gestire le fasi di inizializzazione del ciclo operativo e di accensione dei vari componenti della macchina termica (avviamento unità motrice, riscaldatore, circolazione del fluido termico, etc.). It should be noted that the heat engine comprises suitable control and regulation equipment (for example an appropriately programmed electronic control unit), not shown and for example of a known type. In addition, the thermal engine preferably comprises starting means configured to manage the initialization phases of the operating cycle and ignition of the various components of the thermal engine (starting the engine unit, heater, circulation of the thermal fluid, etc.).
Si descrive di seguito il metodo per realizzare un ciclo termico in accordo la presente invenzione. Tale metodo opera con un fluido termico e comprende anzitutto le seguenti fasi: The method for realizing a thermal cycle according to the present invention is described below. This method works with a thermal fluid and first of all includes the following steps:
- predisporre una macchina termica, preferibilmente in accordo con la presente invenzione, ad esempio una macchina termica 200 secondo le forme realizzative mostrate nelle figure 1-7; - providing a thermal machine, preferably in accordance with the present invention, for example a thermal machine 200 according to the embodiments shown in figures 1-7;
- avviare l’unità motrice 1, mettendo in movimento gli organi di trasformazione dell’energia del fluido termico; - start the drive unit 1, putting in motion the energy transformation organs of the thermal fluid;
- attivare il riscaldatore 41 per riscaldare il fluido termico nel circuito motore; - activating the heater 41 to heat the thermal fluid in the motor circuit;
- attivare un ciclo operativo. - activate an operating cycle.
Preferibilmente, il ciclo operativo comprendente le seguenti fasi: Preferably, the operating cycle comprising the following phases:
- aspirare il fluido termico nella camera operativa 3 (preferibilmente nella prima sotto camera 3A) attraverso il primo ingresso 4; - sucking the thermal fluid into the operating chamber 3 (preferably into the first sub-chamber 3A) through the first inlet 4;
- comprimere il fluido termico nella camera operativa e travasare il fluido termico dalla prima uscita 5; - compressing the thermal fluid in the operating chamber and transferring the thermal fluid from the first outlet 5;
- riscaldare il fluido termico circolante nel secondo ramo 12 del circuito motore 10 tramite il riscaldatore 41; - heating the thermal fluid circulating in the second branch 12 of the motor circuit 10 by means of the heater 41;
- caricare il fluido termico nella camera operativa 3 (preferibilmente nella seconda sotto camera 3B) attraverso il secondo ingresso 6 ed espandere il fluido termico nella camera operativa 3; - loading the thermal fluid into the operating chamber 3 (preferably into the second sub-chamber 3B) through the second inlet 6 and expanding the thermal fluid into the operating chamber 3;
- scaricare il fluido termico dalla camera operativa attraverso la seconda uscita 7; Le fasi del ciclo operativo di aspirare, comprimere, caricare e scaricare il fluido termico determinano una trasformazione dell’energia termica del fluido termico in energia meccanica. - discharging the thermal fluid from the operating chamber through the second outlet 7; The phases of the operating cycle of aspirating, compressing, loading and discharging the thermal fluid result in a transformation of the thermal energy of the thermal fluid into mechanical energy.
Preferibilmente il metodo comprende la fase di trasferire l’energia meccanica generata dagli organi di trasformazione all’albero di uscita 8, che fornisce in uscita un moto rotatorio preferibilmente a velocità angolare costante. Preferably the method includes the step of transferring the mechanical energy generated by the transformation members to the output shaft 8, which provides a rotary motion at the output preferably at a constant angular speed.
Preferibilmente il metodo comprende le seguenti fasi (si vedano le figure 1-3 e i percorsi del fluido termico indicati dalle frecce nelle condutture, che illustrano il funzionamento del ciclo): Preferably the method comprises the following steps (see Figures 1-3 and the paths of the thermal fluid indicated by the arrows in the pipes, which illustrate the operation of the cycle):
- il fluido termico in uscita dalla seconda uscita 7 dell’unità motrice 1 transita nel secondo condotto di uscita 17 del primo ramo 11 del circuito motore 10 e attraversa il lato ad alta temperatura del vaporizzatore 95; - the thermal fluid leaving the second outlet 7 of the drive unit 1 passes through the second outlet duct 17 of the first branch 11 of the motor circuit 10 and crosses the high temperature side of the vaporizer 95;
- il fluido termico prosegue nel primo ramo 11 e raggiunge il condensatore 43 dove viene raffreddato; - the thermal fluid continues in the first branch 11 and reaches the condenser 43 where it is cooled;
- il fluido termico prosegue nel primo ramo 11 e raggiunge il separatore di condensa 93 dove l’acqua presente nel fluido termico viene condensata e separata dall’aria, prima che il fluido termico raggiunga il primo ingresso 4 dell’unità motrice; - the thermal fluid continues in the first branch 11 and reaches the condensate separator 93 where the water present in the thermal fluid is condensed and separated from the air, before the thermal fluid reaches the first inlet 4 of the drive unit;
- l’acqua di condensa precedentemente estratta dall’aria tramite il separatore di condensa 93 viene prelevata ed inviata, tramite la pompa 94, in una conduttura di vaporizzazione 20 confluente nel secondo ramo 12, in un punto del primo condotto di uscita 15 a monte del riscaldatore 41; - the condensate water previously extracted from the air by means of the condensate separator 93 is taken and sent, by means of the pump 94, into a vaporization duct 20 flowing into the second branch 12, at a point of the first outlet duct 15 upstream the heater 41;
- l’acqua di condensa circolante nella conduttura di vaporizzazione 20 attraversa il lato a bassa temperatura del vaporizzatore 95, dove viene riscaldata e vaporizzata prima che confluisca nel secondo ramo 12; - the condensate water circulating in the vaporization duct 20 crosses the low temperature side of the vaporiser 95, where it is heated and vaporized before it flows into the second branch 12;
- una predefinita quantità di vapore acqueo viene iniettata nel secondo ramo 12, a monte del riscaldatore 41, tramite l’iniettore 97, tale quantità di vapore acqueo essendo in grado di aumentare la potenza unitaria dell’unità motrice 1 e di assicurare la lubrificazione degli organi di trasformazione dell’energia mobilmente alloggiati nella camera operativa 3; - a predefined quantity of water vapor is injected into the second branch 12, upstream of the heater 41, through the injector 97, this quantity of water vapor being able to increase the unitary power of the drive unit 1 and to ensure the lubrication of the energy transformation organs movably housed in the operating room 3;
Preferibilmente il metodo, in accordo con la forma realizzativa di figura 4, comprende le seguenti fasi: Preferably the method, in accordance with the embodiment of figure 4, comprises the following steps:
- l’acqua di condensa, dopo aver attraversato il lato a bassa temperatura del vaporizzatore 95, dove viene riscaldata e vaporizzata, prosegue nella conduttura di vaporizzazione 20 e raggiunge il surriscaldatore 96, posto a monte dell’iniettore 97 (ossia tra vaporizzatore 95 e iniettore 97), che trasferisce calore all’acqua di condensa vaporizzata in modo tale da surriscaldarla prima che raggiunga l’iniettore 97. - the condensate water, after passing through the low temperature side of the vaporizer 95, where it is heated and vaporized, continues in the vaporization duct 20 and reaches the superheater 96, located upstream of the injector 97 (i.e. between the vaporizer 95 and injector 97), which transfers heat to the vaporized condensate water so that it overheats before it reaches injector 97.
Preferibilmente il metodo, in accordo con la forma realizzativa di figura 5, può prevedere di predisporre un circuito di raffreddamento 60, comprendente il primo recuperatore 98, l’unità di raffreddamento 2R, la pluralità di condutture di raffreddamento e la pompa di raffreddamento 99, ed eseguire le seguenti fasi: - il fluido di raffreddamento a bassa temperatura interagisce con l’unità di raffreddamento 2R, dove preleva calore dall’involucro 2 dell’unità motrice 1, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura; Preferably the method, in accordance with the embodiment of figure 5, can provide for providing a cooling circuit 60, comprising the first recuperator 98, the cooling unit 2R, the plurality of cooling pipes and the cooling pump 99, and carry out the following steps: - the low-temperature cooling fluid interacts with the cooling unit 2R, where it takes heat from the casing 2 of the drive unit 1, cooling it, and consequently reaches a high temperature;
- il fluido di raffreddamento ad alta temperatura interagisce con il primo recuperatore di calore 98, dove cede calore al flusso di aria comburente, riscaldandolo, e conseguentemente si raffredda e torna in bassa temperatura; - the high temperature cooling fluid interacts with the first heat recovery unit 98, where it transfers heat to the combustion air flow, heating it, and consequently cools and returns to low temperature;
- attivare la pompa di raffreddamento 99 per determinare la circolazione di fluido di raffreddamento nel circuito di raffreddamento 60. - activate the cooling pump 99 to determine the circulation of cooling fluid in the cooling circuit 60.
Preferibilmente il metodo, in accordo con la forma realizzativa di figura 6, può prevedere di predisporre il secondo recuperatore 100 all’interno del circuito di raffreddamento 60, e di eseguire le seguenti fasi: Preferably, the method, in accordance with the embodiment of figure 6, can provide for arranging the second recovery unit 100 inside the cooling circuit 60, and performing the following steps:
- nell’unità di raffreddamento 2R il fluido di raffreddamento a bassa temperatura preleva calore dall’involucro 2 dell’unità motrice 1, raffreddandola, e conseguentemente si porta in alta temperatura; - in the cooling unit 2R the low-temperature cooling fluid draws heat from the casing 2 of the drive unit 1, cooling it, and consequently reaches a high temperature;
- nel secondo recuperatore di calore 100 il fluido di raffreddamento ad alta temperatura acquisisce calore dai fumi caldi di combustione, raffreddandoli, e conseguentemente subisce un ulteriore incremento di temperatura; - in the second heat recovery unit 100 the high temperature cooling fluid acquires heat from the hot combustion fumes, cooling them, and consequently undergoes a further temperature increase;
- nel primo recuperatore di calore 98 il fluido di raffreddamento ad alta temperatura cede calore al flusso di aria comburente (prima del suo ingresso nel bruciatore), riscaldandola, e conseguentemente si raffredda e torna in bassa temperatura. Preferibilmente il metodo, in accordo con la forma realizzativa di figura 7, può prevedere di predisporre un circuito idraulico ausiliario, comprendente il recuperatore ausiliario 101, la pluralità di condutture ausiliarie e la pompa ausiliaria 104, e di eseguire le seguenti fasi: - in the first heat recovery unit 98 the high temperature cooling fluid transfers heat to the combustion air flow (before it enters the burner), heating it, and consequently cools and returns to low temperature. Preferably, the method, in accordance with the embodiment of figure 7, can provide for providing an auxiliary hydraulic circuit, comprising the auxiliary recuperator 101, the plurality of auxiliary pipes and the auxiliary pump 104, and carrying out the following steps:
- recuperare dai fumi di combustione, tramite il recuperatore ausiliario 101, una quantità di energia; - recovering a quantity of energy from the combustion fumes by means of the auxiliary recuperator 101;
- trasmettere tale energia al fluido circolante nel circuito ausiliario; - transmitting this energy to the fluid circulating in the auxiliary circuit;
- rendere disponibile l’energia per impieghi ausiliari 103. - make energy available for auxiliary uses 103.
L’invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nell’ambito del concetto inventivo, e i componenti citati sono sostituibili da altri elementi tecnicamente equivalenti. The invention thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all falling within the scope of the inventive concept, and the aforementioned components can be replaced by other technically equivalent elements.
L’invenzione consegue importanti vantaggi. Innanzitutto, come emerge chiaramente dalla descrizione sopra esposta, l’invenzione consente di superare almeno alcuni degli inconvenienti della tecnica nota. The invention achieves important advantages. First of all, as clearly emerges from the above description, the invention allows to overcome at least some of the drawbacks of the known art.
Inoltre, la macchina termica e il relativo metodo secondo la presente invenzione sono in grado di utilizzare molteplici sorgenti termiche e di generare energia meccanica (lavoro), potendo essere impiegati in qualsiasi luogo e per qualsiasi uso, preferibilmente per la produzione di energia elettrica. Furthermore, the thermal machine and the related method according to the present invention are able to use multiple thermal sources and to generate mechanical energy (work), being able to be used in any place and for any use, preferably for the production of electrical energy.
Inoltre, la macchina termica secondo la presente invenzione è caratterizzata da un elevato rendimento termodinamico e da un ottimo rapporto peso-potenza. Furthermore, the heat engine according to the present invention is characterized by a high thermodynamic efficiency and an excellent weight-power ratio.
Da un punto di vista termodinamico, l’iniezione nel fluido termico di vapore acqueo consente di ottenere un’ottima lubrificazione dell’unità motrice, con riduzione degli attriti e dell’usura e conseguente aumento del rendimento meccanico. From a thermodynamic point of view, the injection of water vapor into the thermal fluid allows for excellent lubrication of the drive unit, with a reduction in friction and wear and a consequent increase in mechanical efficiency.
Inoltre, il fluido termico consente di ottenere un aumento della potenza unitaria, dovuto all'incremento di portata e peso molecolare del fluido termico che si espande nell’unità motrice. Inoltre, non vi è nessun aumento del lavoro negativo di compressione, in quanto l’acqua introdotta nel fluido termico viene condensata e separata dall’aria (o da altro fluido gassoso impiegato) prima della sua aspirazione. In aggiunta, il vaporizzatore consente di ottenere un aumento del rendimento complessivo, in quanto la quantità di calore assorbita dall’evaporazione viene compensata dal recupero di energia attuato con il vaporizzatore. Furthermore, the thermal fluid allows to obtain an increase in unit power, due to the increase in flow rate and molecular weight of the thermal fluid that expands in the drive unit. Furthermore, there is no increase in the negative compression work, as the water introduced into the thermal fluid is condensed and separated from the air (or other gaseous fluid used) before its suction. In addition, the vaporizer allows to obtain an increase in the overall efficiency, as the amount of heat absorbed by evaporation is compensated by the energy recovery implemented with the vaporizer.
In aggiunta, la macchina termica secondo la presente invenzione è caratterizzata da una struttura meccanica semplice e di facile realizzazione. In addition, the thermal machine according to the present invention is characterized by a simple and easy-to-make mechanical structure.
Inoltre, la macchina termica secondo la presente invenzione è caratterizzata da un ridotto costo di produzione. Furthermore, the thermal machine according to the present invention is characterized by a reduced production cost.
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