IT202100007868A1 - Motore a vapore perfezionato con pistone a doppio centro di rotazione - Google Patents
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Description
Titolo: ?Motore a vapore perfezionato con pistone a doppio centro di rotazione?
DESCRIZIONE
Campo Tecnico
La presente invenzione si riferisce ad un motore a vapore con pistone a doppio centro di rotazione configurato per eseguire un ciclo termodinamico aperto.
Stato della Tecnica
? noto dallo stato della tecnica un motore a vapore, con pistone a doppio centro di rotazione che gira entro un vano a doppia cavit? sostanzialmente cilindrica, determinando un ciclo termodinamico chiuso di sfruttamento della temperatura e della pressione del vapore, per ottenere lavoro meccanico utile, passando alle diverse temperature e pressione nelle varie fasi del ciclo termodinamico. Il motore a vapore comprende una camera di espansione ed una camera di compressione in comunicazione di fluido con una caldaia che fornisce fluido in pressione all?ingresso della camera di espansione e ricevere fluido compresso dalla camera di compressione. Le camere sono anche in comunicazione di fluido con un condensatore. Nello specifico il condensatore riceve in ingresso il fluido espanso dalla camera di espansione e, a seguito della condensazione del fluido espanso, fornisce il fluido condensato all?ingresso della camera di compressione. Tale motore a vapore ? ad esempio descritto nel brevetto italiano N. 102016000123578. In questo modo, il motore a vapore ? in grado di realizzare un ciclo termodinamico avente le seguenti fasi:
a) un riscaldamento del fluido in apposito scambiatore/caldaia alle temperature superiore Tv,
b) una successiva immissione in camera di espansione idealmente alla pressione della caldaia, fino al raggiungimento del volume Vi (equivalente a Ve in figura 4) o massa ottimale per il ciclo tramite una valvola che ne regola la quantit?, c) una espansione idealmente adiabatica del fluido immesso in camera di espansione fino al raggiungimento del volume finale Vf (equivalente a Ve in figura 5) di espansione,
d) immissione del fluido espanso nel condensatore con riduzione della temperatura al livello inferiore Tc,
e) il condensato in uscita per gravit? e / o per onda di pressione entra in camera di compressione con volume Vc,
f) il condensato viene compresso dal rotore e al superamento della pressione della caldaia, tramite una valvola unidirezionale, che nel caso pratico ? una valvola lamellare, viene ri-immesso nel riscaldatore, chiudendo il ciclo.
Problemi della Tecnica Nota
La macchina nota nella realizzazione del ciclo termodinamico in collaborazione con altri elementi come caldaia e condensatore ha mostrato un funzionamento di tipo impulsivo dovuto all?alternazione delle fasi di espansione e compressione. In altre parole, il ciclo termodinamico realizzato dalla macchina a vapore produce una continua serie di transitori di temperature e pressioni.
Il ciclo termodinamico si realizza nelle fasi in cui il vapore esausto alla fine dell?espansione entra nel condensatore dal quale esce il condensato (bifasico acqua/vapore) che la macchina comprime in caldaia dove viene nuovamente riscaldato fino allo stato di vapore per essere ri-immesso, tramite una valvola regolatrice, nella camera di espansione della macchina a ricominciare il ciclo. Questo comporta la creazione di onde di pressione nella zona di ?bassa pressione/temperatura? nell?area del condensatore indicato in figura 9. Tali onde di pressione sono dovute alla riduzione del volume del fluido in uscita dalla camera di espansione Ve (con andamento impulsivo) che, entrando nel condensatore subisce una riduzione di volume, causa un effetto di risucchio dai condotti 75 e 76 e dal moto del rotore stesso che varia la ripartizione dei volumi interni durante la rotazione della macchina L accentuando il fenomeno.
Nelle figure 4-9 rappresentati il motore a vapore dell?arte nota, le onde di pressione e/o gli sbalzi di pressione indesiderati sono rappresentati con una freccia ondulata, mentre il flusso desiderato ? rappresentata con frecce rettilinee. La generazione di onde di pressione ? dovuto a due fenomeni principali:
i) il primo fenomeno che impedisce un flusso continuo del condensato in uscita dal condensatore verso la camera di compressione della macchina ? dovuto allo ?sbuffo? o impulso di vapore in uscita dalla camera di espansione che entra nel condensatore. Nello specifico l?impulso di vapore giunto nel condensatore a contatto con le superfici fredde, subisce una drastica diminuzione di volume. Questo provoca una caduta di pressione richiamando verso l?interno del condensatore parte del fluido del ciclo precedente dai condotti di collegamento tra la camera di espansione e la camera di compressione. Tale effetto di richiamo ? accentuato per il fluido accumulato nel condotto di collegamento con la camera di compressione dove si ? accumulato;
ii) il secondo fenomeno di disturbo, si deve alla variazione della suddivisione, durante la rotazione, dei volumi interni alla macchina. Il rotore si comporta come un mantice aspirando ed espellendo durante l?arco della rotazione. Il volume totale interno della camera statorica ? mantenuto costante sempre lo stesso. Durante una fase della rotazione, il volume di espansione aumenta, il restante volume decresce della stessa quantit?. Il fluido al centro della macchina con la sua diminuzione del volume aumenta la pressione. La conseguenza ? uno sbuffo o impulso di fluido dalla macchina verso il condensatore lungo il condotto di collegamento tra condensatore e camera di compressione nel senso contrario a quello voluto per comprimere il condensato in caldaia (figure 5 e 6). In una seconda fase della rotazione si verifica lo stesso fenomeno ma in senso contrario dove la parte centrale del rotore, con la diminuzione del volume di compressione, si ha un effetto risucchio dal condotto di collegamento tra l?ingresso del condensatore e l?uscita della camera di espansione.
L?insieme di tali fenomeni provoca impulsi di pressione (o onde di pressione) contrari al flusso desiderato. Questi sbalzi di pressione nella ?zona fredda? del ciclo creano un forte disturbo al cammino del condensato verso la camera di compressione che deve ricomprimerlo in caldaia. Si crea cos? un rigetto del condensato in uscita dal condensatore che trova difficolt? a entrare per gravit? nella macchina e di conseguenza la compressione che lo riporta in caldaia ne viene penalizzata creando un accumulo nelle condutture e al centro del rotore. Questo insieme di fenomeni porta, dopo una fase di transizione in cui l?accumulo del fluido condensato aumenta sempre pi?, al blocco della rotazione della macchina.
Scopo dell?Invenzione
Scopo dell?invenzione in oggetto ? quello di realizzare un motore a vapore con pistone a doppio centro di rotazione in grado di superare gli inconvenienti della tecnica nota sopra citati.
In particolare, ? scopo della presente invenzione quello di fornire un motore a vapore a ciclo aperto con pistone a doppio centro di rotazione in grado di evitare gli effetti delle onde di pressione generate durante il ciclo termodinamico e allo stesso tempo migliorare l?efficienza del motore stesso.
Vantaggi dell?invenzione
Vantaggiosamente, il motore a vapore permette di realizzare il ciclo termodinamico desiderato eliminando radicalmente il problema associato al fluido condensato.
Vantaggiosamente, il motore a vapore permette il miglioramento e la realizzazione pratica di un ciclo termodinamico con fluido, ad acqua o altro fluido, atto a creare un ciclo aperto per generare energia meccanica.
Vantaggiosamente, il motore a vapore permette di eliminare le valvole di collegamento del ciclo chiuso permettendo di risolvere i problemi di usura delle valvole stesse.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Ulteriori caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno maggiormente chiari dalla descrizione indicativa e pertanto non limitativa, di una forma di realizzazione preferita ma non esclusiva di un motore a vapore a ciclo aperto con pistone a doppio centro di rotazione come illustrato negli uniti disegni:
- la figura 1 mostra una vista schematica in sezione del motore a vapore in accordo con una forma realizzativa della presente invenzione;
- la figura 2 mostra una vista in esploso della cassa dello statore del motore a vapore in accordo la forma realizzativa di figura 1;
- la figura 3 mostra una vista in esploso del rotore in accordo con la forma realizzativa di figura 1.
- la figura 4 mostra una vista schematica in sezione di un motore a vapore in accordo con lo stato della tecnica in una prima posizione angolare del rotore in cui ? terminata la fase di introduzione del fluido da espandere;
- la figura 5 mostra una vista schematica in sezione di un motore a vapore in accordo con lo stato della tecnica in una seconda posizione angolare del rotore in cui ? terminata la fase di espansione poco prima della fase di scarico;
- la figura 6 mostra una vista schematica in sezione di un motore a vapore in accordo con lo stato della tecnica in una terza posizione angolare del rotore, la presente figura illustra la fase di condensazione in cui si crea un risucchio (indicato con le frecce ondulate) verso il condensatore nei condotti 75 e 76 a causa della diminuzione del volume del vapore nel condensatore;
- la figura 7 mostra una vista schematica in sezione di un motore a vapore in accordo con lo stato della tecnica in una quarta posizione angolare del rotore ed un relativo ingrandimento della zona cerchiata, la posizione angolare illustra la fase precedente alla compressione dove si evidenzia come il condensato entra per gravit? nella camera di compressione attraverso la fenditura tra rotore e cassa (mostrato nel relativo ingrandimento);
- la figura 8 mostra una vista schematica in sezione di un motore a vapore in accordo con lo stato della tecnica in una quinta posizione angolare del rotore in cui ? illustrata la fase iniziale di compressione del condensato;
- la figura 9 mostra una vista schematica in sezione di un motore a vapore in accordo con lo stato della tecnica in una sesta posizione angolare del rotore ed un relativo ingrandimento della zona cerchiata, la posizione angolare illustra la fine della fase di compressione dove il condensato, raggiunta e superata la pressione della caldaia, apre la valvola lamellare o unidirezionale e viene reimmesso nella caldaia stessa.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
Anche qualora non esplicitamente evidenziato, le singole caratteristiche descritte in riferimento alle specifiche realizzazioni dovranno intendersi come accessorie e/o intercambiabili con altre caratteristiche, descritte in riferimento ad altri esempi di realizzazione.
La presente invenzione ha per oggetto un motore a vapore L a ciclo aperto con pistone a doppio centro di rotazione illustrato nelle figure 1-3 le cui caratteristiche generali sono riportate nel brevetto italiano N.102016000123578.
Giova rilevare che rispetto al brevetto N. 102016000123578, la soluzione illustrata nella figura 1 prevede un ciclo aperto il quale, come meglio descritto nel seguito, permette di risolvere i problemi del motore a vapore del brevetto N.
102016000123578 illustrati nelle figure 4-9 e nei precedenti paragrafi.
Il motore a vapore L del tipo a pistoni a doppio centro di rotazione comprende uno statore A ed un rotore B e preferibilmente un volano W configurato per superare i punti morti durante il ciclo. Nello specifico il motore L comprende un primo ed un secondo elemento A2, A3 definenti il corpo statorico A1. In altre parole, il primo ed il secondo elemento A2, A3 definiscono le fiancate del corpo statorico A1 definente a sua volta lo statore A. In merito al rotore B, questo comprende un primo elemento semicilindrico B1 su cui agisce la pressione del fluido che crea la rotazione o coppia motrice, dotato di albero per la presa di forza, un secondo elemento semicilindrico B2 che funge da elemento di compressione ed un terzo elemento B3 configurato per accoppiare il primo e il secondo elemento semicilindrico B1, B2. Giova rilevare che lo statore A ed il rotore B e l?eventuale volano W presentano sostanzialmente le caratteristiche strutturali di un motore a vapore con pistone a doppio centro di rotazione descritto nelle domande di brevetto internazionali WO 2004/020791 A1, WO 2010/031585 A1 e W02014/083204 A1.
Lo statore A ed il rotore B definiscono una camera di espansione Ve ed una camera di compressione Vc. Nello specifico, all?interno del corpo statorico A1 ? definito un vano di espansione 1 all?interno del quale ? formata la camera di espansione Ve ed un vano di compressione 2 all?interno del quale ? formata la camera di compressione Vc.
? da notare che la camera di espansione Ve ? configurata per ricevere un fluido in pressione, ad esempio vapore, ed espanderlo ponendo in rotazione il rotore B, preferibilmente fino alla pressione ambiente.
La camera di espansione Ve comprende un?apertura di ingresso 71 ed un?apertura di uscita. L?apertura di ingresso 71 ? configurata per ricevere il fluido in pressione attraverso una valvola regolatrice 110 e l?apertura di uscita ? configurata per espellere il fluido espanso nell?ambiente esterno. Preferibilmente, la camera di espansione Ve comprende un condotto di uscita connesso alla relativa apertura di uscita ed ? configurato per ricevere il fluido espanso dalla camera di espansione Ve indirizzandolo verso l?ambiente esterno, come sar? chiarito nel seguito. La camera di espansione Ve comprende un condotto di ingresso connesso alla relativa apertura di ingresso 71 e configurato per convogliare il fluido in pressione all?interno della camera di espansione Ve, ad esempio, da una caldaia o da un elemento riscaldante F.
In accordo con la forma di realizzazione a circuito aperto, illustrato in figura 1 e 2, sono stati eliminati: il condensatore ed i relativi collegamenti di fluido con la cassa A1, i collegamenti di fluido tra la cassa A1 e la caldaia F e le relative valvole interposte nei collegamenti di fluido che caratterizzavano il motore a vapore a ciclo chiuso.
Nello specifico, la camera di compressione Vc ? inattiva. In altre parole, la camera di compressione Vc rimane morta. Nello specifico, la camera di compressione Vc ? priva di condotti di collegamento con l?ambiente esterno rispetto al corpo statorico A1. Nel dettaglio, la camera di compressione Vc ? cieca evitando la compressione del fluido.
In accordo con una forma di realizzazione preferita della presente invenzione, la camera di compressione Vc ha dimensioni ridotte rispetto alla camera di espansione Ve. Preferibilmente, la camera di espansione Ve presenta un volume di espansione e la camera di compressione Vc presenta un volume di compressione in modo che il volume di compressione sia trascurabile rispetto al volume di espansione. Nello specifico, il volume di compressione della camera di compressione Vc ? un volume inattivo.
Vantaggiosamente, il motore a vapore L presentando un limitato numero di componenti risulta di facile realizzazione e costruttivamente economico.
In accordo ad una forma di realizzazione preferita, il motore a vapore L comprende un elemento riscaldante o caldaia F configurato per produrre il fluido in pressione ed in comunicazione di fluido con il canale di ingresso della camera di espansione Ve. Nello specifico, l?elemento riscaldante F comprende almeno un?uscita, configurata per alimentare il motore a vapore L con il fluido in pressione. L?elemento riscaldante o caldaia F presenta anche un ingresso configurato per ricevere un fluido da scaldare. Come illustrato in figura 2, l?ingresso dell?elemento riscaldante o caldaia F ? in comunicazione di fluido con una sorgente di fluido S che pu? essere un serbatoio d?acqua o la rete idrica, la quale permette di fornire il fluido da scaldare pari alla stessa massa del fluido immesso nell?ambiente esterno in accordo alla tecnica nota. Nello specifico, il motore a vapore L comprende un condotto di collegamento tra l?elemento riscaldante F e la sorgete di fluido S che pone in comunicazione di fluido l?elemento riscaldante F con la sorgente di fluido S. In accordo alla forma realizzativa illustrata nelle figure 1 e 2, una pompa P di tipo idraulico, nota al tecnico esperto del settore, ? associata al condotto di collegamento tra l?elemento riscaldante F e la sorgete di fluido S ed ? configurata per prelevare il fluido dalla sorgente di fluido S ed inviarlo all?elemento riscaldante F.
In accordo con la forma realizzativa di figura 1 e 2, il motore comprende inoltre un condotto di collegamento di ingresso 72 configurato per porre in comunicazione di fluido l?uscita dell?elemento riscaldante F con il condotto di ingresso della camera di espansione Ve.
In accordo con una forma di realizzazione preferita il condotto di collegamento di ingresso 72 ed il condotto di ingresso della camera di espansione Ve definiscono un condotto di ingresso 72 configurato per porre in comunicazione di fluido l?uscita dell?elemento riscaldante F e l?apertura di ingresso 71 della camera di espansione Ve.
In accordo con una forma di realizzazione preferita, il corpo statorico A1 comprende un alloggiamento ricavato longitudinalmente e configurato per alloggiare la valvola di immissione 110. Per ottimizzare l?efficienza del motore a vapore, la valvola di immissione 110 ? atta a regolare la quantit? di fluido immesso nella camera di espansione in modo tale che a fine espansione il fluido sia a pressione ambiente. Nello specifico, la valvola di immissione 110 ? posta in corrispondenza dell?apertura di ingresso 71 e configurata per regolare l?ingresso del fluido in pressione nella camera di espansione Ve e rendere la pressione del fluido espanso in uscita dalla camera di espansione Ve pari alla pressione ambiente. Nel dettaglio la valvola di immissione 110 ? interposta tra l?apertura di ingresso 71 ed il condotto di ingresso della camera di espansione Ve per regolare il passaggio del fluido in pressione dall?elemento riscaldante F alla camera di espansione Ve.
Preferibilmente, la valvola di immissione 110 ? ad esempio una valvola rotativa 110 resa sincrona tramite gli ingranaggi R1, R2, R3, dove l?ingranaggio R1 ? fissato sull?albero motore 80, l?ingranaggio R3 ? fissato sulla valvola rotativa 110 e l?ingranaggio R2 ? fissato sul corpo statorico e accoppiato agli ingranaggi R1, R3, come descritto in dettaglio nelle suddette domande di brevetto.
Come illustrato nella forma realizzativa di figure 1 e 2, il motore comprende inoltre un condotto di collegamento di uscita 75 configurato per porre in comunicazione di fluido il condotto di uscita della camera di espansione Ve con l?ambiente esterno per realizzare il ciclo aperto.
In accordo con una forma di realizzazione preferita il condotto di collegamento di uscita 75 ed il condotto di uscita della camera di espansione Ve definiscono un condotto di uscita 75 configurato per porre in comunicazione di fluido l?apertura di uscita della camera di espansione Ve con l?ambiente esterno.
In questo modo in accordo con la forma di realizzazione descritta il motore a vapore esegue un ciclo termodinamico aperto, eseguito tra la temperatura Tv e la temperatura Tc pari alla temperatura ambiente:
a) un riscaldamento del fluido per mezzo dell?elemento riscaldante o caldaia F alla temperatura superiore Tv,
b) una successiva immissione nella camera di espansione Ve idealmente alla pressione della caldaia, fino al raggiungimento del volume Vi o massa ottimale per il ciclo tramite la valvola 110 che ne regola la quantit?;
c) una espansione idealmente adiabatica del fluido immesso nella camera di espansione Ve fino al raggiungimento del volume finale Vf di espansione, preferibilmente alla pressione ambiente;
d) espulsione del fluido espanso nell?ambiente esterno
Vantaggiosamente, il motore in accordo con la presente invenzione permette di mantenere alti rendimenti.
In accordo con una forma di realizzazione preferita e a tecniche note, ? possibile mediante uno scambiatore termico preriscaldare il fluido da immettere nella caldaia F sfruttando il calore residuo del fluido espulso dalla camera di espansione Ve.
Giova rilevare che il motore a vapore a ciclo aperto evita il verificarsi del primo fenomeno i) legato alla contrazione di pressione nel condensatore che richiama il fluido presente nel condotto di ingresso della camera di compressione Vc e/o nel condotto 76 sottoforma di condensato, preferibilmente bifasico, del ciclo precedente. Infatti, il fluido espanso ? espulso direttamente nell?ambiente esterno evitando eventuali richiami per le suddette contrazioni volumetriche. In altre parole, l?eliminazione del condensatore D e del condotto 76 impedisce al fluido di condensato presente nel condotto di ingresso di migrare verso il condensatore D.
Inoltre, la camera di compressione Vc inattiva evita il generarsi di onde di pressione o sbuffo, dovute alla riduzione del volume di compressione e l?aumento del volume di espansione al chiudersi del rotore come un mantice, che abbiano un effetto sul ciclo termodinamico.
Giova rilevare che la combinazione del ciclo aperto e della camera di compressione Vc inattiva permettono di superare anche il secondo fenomeno ii).
Vantaggiosamente, il ciclo aperto eseguito dal motore a vapore secondo la presente invenzione permette di semplificare il motore stesso eliminando anche le valvole di collegamento tipiche del ciclo chiuso risolvendo i problemi di usura delle valvole stesse e di perdita di carico.
Claims (7)
1. Motore a vapore (L) con pistone a doppio centro di rotazione caratterizzato dal fatto di comprendere:
- uno statore (A) ed un rotore (B) configurati per espandere un fluido per generare lavoro meccanico utile, lo statore (A) ed il rotore (B) definendo:
- una camera di espansione (Ve) configurata per espandere un fluido in pressione e presentante un condotto di ingresso per ricevere un fluido in pressione ed un condotto di uscita per espellere dalla camera di espansione (Ve) il fluido espanso verso l?ambiente esterno, e
- una camera di compressione (Vc) inattiva.
2. Motore a vapore (L) in accordo con la rivendicazione 1, in cui la camera di espansione (Ve) presenta un volume di espansione e la camera di compressione (Vc) presenta un volume di compressione, il volume di compressione essendo trascurabile rispetto al volume di espansione.
3. Motore a vapore (L) in accordo con le rivendicazioni 1 o 2, in cui il motore comprende un elemento riscaldante (F) configurato per produrre scaldando il fluido in pressione da inviare alla camera di espansione (Ve), l?elemento riscaldante (F) presentando un?uscita in comunicazione di fluido con il canale di ingresso della camera di espansione (Ve) per inviare il fluido in pressione alla camera di espansione (Ve).
4. Motore a vapore (L) in accordo con la rivendicazione 3, in cui l?elemento riscaldante (F) presenta un ingresso configurato per ricevere fluido da scaldare.
5. Motore a vapore (L) in accordo con la rivendicazione 3 o 4, in cui il motore comprende un condotto di collegamento di ingresso (72) configurato per porre in comunicazione di fluido il condotto di ingresso della camera di espansione (Ve) con l?uscita dell?elemento riscaldante (F).
6. Motore a vapore (L) in accordo con una qualunque delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui il motore comprende un condotto di collegamento di uscita (75) configurato per porre in comunicazione di fluido il condotto di uscita della camera di espansione (Ve) con l?ambiente esterno.
7. Motore a vapore (L) in accordo con una qualunque della rivendicazione 1-6, il motore comprende una valvola di immissione (110) posta in corrispondenza dell?apertura di ingresso (71) e configurata per regolare l?ingresso del fluido in pressione nella camera di espansione (Ve) e per rendere la pressione del fluido espanso in uscita dalla camera di espansione (Ve) pari alla pressione ambiente.
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2021
- 2021-03-30 IT IT102021000007868A patent/IT202100007868A1/it unknown
- 2021-06-04 EP EP21177832.9A patent/EP4067618A1/en active Pending
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| EP4067618A1 (en) | 2022-10-05 |
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