IT202100009647A1 - Sistema di conversione dell’energia termica in energia elettrica - Google Patents

Description

TITOLO

SISTEMA DI CONVERSIONE DELL?ENERGIA TERMICA IN ENERGIA ELETTRICA

DESCRIZIONE SETTORE TECNOLOGICO

[001] La presente invenzione riguarda i sistemi di conversione dell?energia termica in energia elettrica. In particolare, riguarda i sistemi di tipo ORC, ossia basati su un ciclo Rankine organico. Ancora pi? specificatamente, la presente invenzione riguarda un sistema di conversione di piccola taglia installabile all?interno di un veicolo o di una abitazione.

STATO DELLA TECNICA

[002] Nello stato della tecnica sono note varie soluzioni che utilizzano cicli Rankine organici per convertire il calore in energia elettrica.

[003] Risultano inoltre note numerose soluzioni che utilizzano fonti di calore di scarto (waste heat) per produrre energia meccanica poi convertita in energia elettrica.

[004] Un esempio in tal senso ? fornito dal documento brevettuale US8193659B2 il quale descrive un sistema in cui il calore del vapore proveniente da una o pi? turbine a vapore viene utilizzato per scaldare un fluido organico utilizzato per azionare pi? espansori. In questo documento, ogni fonte di calore ha il suo ciclo ORC di recupero del calore e le fonti di calore non sono utilizzate in maniera combinata tra loro per ottimizzare il funzionamento del sistema di generazione dell?energia elettrica.

[005] Un ulteriore esempio di un sistema per convertire calore in energia elettrica ? fornito dal documento brevettuale US20200191021A1 in cui un fluido organico sotto forma di vapore viene espanso sia in un primo espansore collegato ad un compressore che in un secondo espansore collegato ad un generatore di corrente.

[006] Risulta sentita l?esigenza di ottimizzare l?uso di combustibile a bordo di piccole imbarcazioni, recuperando il calore emesso dal motore sia sotto forma di fumi allo scarico che dal liquido di raffreddamento motore, ottenendo una potenza sufficiente ad alimentare parte delle utente di bordo. In particolare, risulta sentita l?esigenza di fornire sistemi di piccola taglia, ossia in grado di generare potenza elettrica fino a circa 1.5 kWe per veicoli o per applicazioni stazionarie ad uso civile. Risultano infatti assenti dai mercati impianti che producono da 1 a 10 kW, che risultano dunque pi? vicini alla taglia di un?utenza media domestica.

[007] Nello stato dell?arte non risultano disponibili soluzioni in cui un unico espansore viene utilizzato per in maniera differenziata a seconda della quantit? di calore disponibile. In particolare, non risulta disponibile una sistema di grado di ottimizzare la generazione di energia elettrica in funzione di fonti di calore a temperature relative basse, ossia inferiori ai 120?C con un?efficienza complessiva superiore al 10%.

[008] Non risultano inoltre disponibili soluzioni di piccola taglia, ossia facilmente trasportabili ed installabili all?interno di un veicolo o di una abitazione.

SOMMARIO

[009] I suddetti inconvenienti dell?arte nota sono ora risolti da un primo scopo della presente invenzione, ossia da un sistema per convertire energia termica in energia elettrica comprendente: un circuito chiuso in cui scorre un fluido organico e comprendente una ramificazione; un primo scambiatore di calore; un secondo scambiatore di calore; un espansore; un generatore elettrico; un condensatore; un serbatoio d?accumulo del fluido organico; una prima pompa; almeno una valvola del circuito; un primo, un secondo, un terzo e un quarto sensore di pressione; e un?unit? di controllo.

[010] Detto primo scambiatore di calore essendo accoppiato termicamente ad una prima sorgente di energia tramite un primo circuito. Detto secondo scambiatore di calore essendo accoppiato termicamente ad una seconda fonte di energia tramite un secondo circuito. Detto primo scambiatore di calore e detto secondo scambiatore di calore sono posizionati lungo il circuito principale, ossia presentano un lato dello scambiatore termicamente connesso al circuito principale per riscaldare il fluido organico che scorre nel circuito principale. Detto espansore comprendente almeno un primo e secondo ingresso di aspirazione ed una uscita di mandata.

[011] Detto secondo scambiatore di calore essendo posizionato tra il primo scambiatore di calore e il primo ingresso di aspirazione dell'espansore.

[012] Detto generatore elettrico essendo accoppiato meccanicamente ad un albero di uscita dell'espansore.

[013] Detto condensatore essendo posizionato lungo il circuito e collegato fluidamente all'uscita di mandata dell'espansore e al serbatoio. Detto condensatore essendo configurato per condensare il fluido organico in uscita dall?espansore.

[014] Detta prima pompa essendo posizionata lungo il circuito tra il serbatoio e il primo scambiatore di calore.

[015] Detta ramificazione del circuito collega fluidamente un punto del circuito disposto tra il primo e il secondo scambiatore al secondo ingresso di aspirazione dell'espansore in modo da bypassare il secondo scambiatore;

[016] Detta almeno una valvola essendo configurata per deviare il fluido organico verso il primo ingresso di aspirazione dell'espansore o verso il secondo ingresso di aspirazione dell'espansore;

[017] In cui il primo sensore di temperatura ? disposto lungo il primo circuito a monte del primo scambiatore, il secondo sensore di temperatura ? disposto lungo il primo circuito a valle del primo scambiatore, il terzo sensore di temperatura ? disposto lungo il secondo circuito a monte del secondo scambiatore, il quarto sensore di temperatura ? disposto lungo il secondo circuito a valle del secondo scambiatore.

[018] Il primo sensore di temperatura ? configurato per emettere un primo segnale di temperatura indicativo della temperatura del fluido che scorre nel primo circuito in entrata nel primo scambiatore, il secondo sensore di temperatura ? configurato per emettere un secondo segnale di temperatura indicativo della temperatura del fluido che scorre nel primo circuito in uscita dal primo scambiatore, il terzo sensore di temperatura ? configurato per emettere un terzo segnale di temperatura indicativo della temperatura del fluido che scorre nel secondo circuito in entrata nel secondo scambiatore e il quarto sensore di temperatura ? configurato per emettere un quarto segnale di temperatura indicativo della temperatura del fluido che scorre nel secondo circuito in uscita dal secondo scambiatore.

[019] Detta un'unit? di controllo essendo configurata per ricevere detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura per generare un primo segnale di controllo della pompa e un primo segnale di controllo della valvola in base a detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura per azionare la prima pompa e l'almeno una valvola.

[020] Detto espansore essendo configurato per espandere il fluido organico vaporizzato in detto primo scambiatore di calore o in detti primo e secondo scambiatori di calore per generare energia meccanica atta ad azionare il generatore elettrico.

[021] Il sistema cos? concepito consente di utilizzare in maniera efficiente l?espansore a seconda del calore disponibile nel primo e secondo scambiatore. L?unit? di controllo ? dunque ottimizzata e consente di controllare l?espansore in funzione di valore medi di pressione e temperatura o in funzione di valori medio-alti di pressione e temperatura, massimizzando l?efficienza del sistema.

[022] L'unit? di controllo pu? essere configurata per azionare la prima pompa se il primo segnale di temperatura supera una prima soglia di temperatura e il secondo segnale di temperatura supera una seconda soglia di temperatura e/o se il terzo segnale di temperatura supera una terza soglia di temperatura e il quarto segnale di temperatura supera una prima soglia di temperatura. In questo modo, al raggiungimento di una soglia di temperatura ritenuta minima, la prima pompa viene azionata e l?espansore ? messo in funzione per generare energia elettrica. Preferibilmente detta prima soglia di temperatura ? circa 60 ?C, detta seconda soglia di temperatura ? circa 50 ?C, detta terza soglia di temperatura ? circa 100 ?C, detta quarta soglia di temperatura ? circa 90 ?C. Questi valori di temperatura ottimizzano il funzionamento del sistema.

[023] L'unit? di controllo pu? essere inoltre configurata per configurata per azionare l?almeno una valvola in modo da deviare almeno in parte il fluido organico verso il primo ingresso di aspirazione dell?espansore se il primo segnale di temperatura supera una prima soglia di temperatura e il secondo segnale di temperatura supera una seconda soglia di temperatura. In questo modo, l?energia termica del primo scambiatore di calore permette di mettere in funzione l?espansore.

[024] L'unit? di controllo pu? essere inoltre configurata per azionare l?almeno una valvola in modo da deviare almeno in parte il fluido organico verso il secondo ingresso di aspirazione dell?espansore se il terzo segnale di temperatura supera una terza soglia di temperatura e il quarto segnale di temperatura supera una quarta soglia di temperatura. In questo modo, l?energia termica del secondo scambiatore di calore permette di mettere in funzione l?espansore o di sovralimentare lo stesso, a seconda che il primo scambiatore di calore sia o meno in grado di erogare un certo quantitativo di energia termica.

[025] Detta almeno una valvola pu? comprendere una valvola deviatrice e/o una prima e una seconda valvola. Un numero maggiore di valvole aumenta il controllo sul sistema e ne migliora l?efficienza. Viceversa, un numero minore di valvole elettro-controllate dall?unit? di controllo, consente di ottenere un sistema meno costoso.

[026] Detto espansore pu? essere un espansore di tipo a chiocciola (scroll) comprendente un elemento a chiocciola fisso e un elemento a chiocciola orbitante, in cui il primo ingresso di aspirazione ? disposto sostanzialmente in corrispondenza di una porzione centrale dell?elemento a chiocciola fisso, l'uscita di scarico ? disposto in corrispondenza di una porzione periferica dell'elemento a chiocciola fisso e il secondo ingresso di aspirazione ? disposto in una posizione radiale intermedia dell'elemento a chiocciola fisso posizionata tra la porzione centrale e la porzione periferica. Questo tipo di espansore consente di ottenere un alto rendimento con ingombri ridotti, atti a rendere utilizzabile il sistema in ambienti di piccole dimensioni quali un veicolo o un?abitazione.

[027] L'espansore pu? essere accoppiato meccanicamente al generatore elettrico tramite una frizione magnetica comandata dalla unit? di controllo in base a detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura. In questo modo ? possibile azionare la frizione magnetica e azionare il generatore elettrico solo quando determinate condizioni operative sono raggiunte.

[028] Il generatore elettrico pu? essere un generatore brushless. In questo modo, il rendimento del sistema risulta massimizzato.

[029] Il sistema pu? comprendere un contattore elettricamente connesso al generatore elettrico e comandato dalla unit? di controllo in base a detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura. Detto contattore consente di disaccoppiare il sistema dalla rete elettrica in cui il sistema cede energia quando il sistema non ? in funzione. Preferibilmente il sistema pu? comprendere anche un regolatore automatico di tensione elettricamente connesso al contattore. Il regolatore automatico di tensione consente di stabilizzare la corrente prodotta dal generatore.

[030] Risulta un secondo scopo della presente invenzione un veicolo comprendente un sistema per convertire energia termica in energia elettrica secondo il primo scopo della presente invenzione, in cui la prima fonte di calore deriva da un sistema di raffreddamento di un motore a combustione interna del veicolo e la seconda fonte di calore deriva da un gas di scarico del motore a combustione interna. In questo modo, il calore prodotto dal veicolo viene utilizzato per generare energia elettrica riutilizzabile per azionare un motore elettrico del veicolo o per le utenze interne del veicolo.

[031] Questi ed altri vantaggi risulteranno pi? dettagliatamente dalla descrizione, fatta qui di seguito, di un esempio di realizzazione dato a titolo indicativo e non limitativo con riferimento ai disegni allegati.

DESCRIZIONE DEI DISEGNI

Nei disegni:

Fig.1 illustra una vista schematica del sistema secondo la presente invenzione;

Fig. 2 illustra una vista schematica di un veicolo dotato di un sistema secondo la presente invenzione;

Fig. 3 illustra un diagramma di funzionamento dell?unit? di controllo secondo la presente invenzione;

Fig. 4 illustrano una vista schematica di un espansore per un sistema secondo la presente invenzione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA

[032] La seguente descrizione di uno o pi? modi realizzativi dell?invenzione si riferisce ai disegni allegati. Gli stessi riferimenti numerici nei disegni identificano elementi uguali o similari. L?oggetto dell?invenzione ? definito dalle rivendicazioni allegate. I particolari tecnici, le strutture o le caratteristiche delle soluzioni di seguito descritte possono essere combinate tra loro in qualsiasi maniera.

[033] Con riferimento a Fig.1 ? illustrato un sistema 1 di generazione di energia elettrica da fonti di energia termica. In particolare, il sistema di Fig.1 rappresenta un circuito 2 lungo il quale sono disposti una serie di dispositivi. Nello specifico, il sistema 1 comprende lungo il circuito principale 2, che ? chiuso su se stesso, in senso orario: un serbatoio 10, una prima pompa 11, un primo scambiatore di calore 3, una valvola 14,15,16, un secondo scambiatore di calore 12, un espansore 5, un condensatore 9.

[034] All?interno del circuito principale 2 scorre un fluido organico. Preferibilmente il fluido ? pentafluoropropano R245fa. Questo fluido ? particolarmente idoneo per l?intervallo di temperature del sistema 1 in accordo alla presente invenzione, inoltre risulta meno problematico a livello ambientale. In alternativa, il fluido organico di lavoro utilizzabile pu? essere uno tra i seguenti: R717, HFO-1234yf, HFO-1234ze, R141b, R123, R124, R142b, R22, R290, R601, R600, R600a, R32, R143a, R125, R227ea, R152a, R236fa.

[035] Con riferimento a Fig. 1, il fluido organico viene inizialmente stoccato all?interno del serbatoio 10. Preferibilmente la capienza del serbatoio ? compresa tra i 5 e i 15 litri, ancora pi? preferibilmente ? 10 litri. Il fluido organico all?interno del serbatoio 10 si trova in fase liquida, ad una pressione prossima a quella atmosferica o leggermente superiore, e ad una temperatura simile o inferiore alla temperatura ambientale. La temperatura del liquido organico nel serbatoio 10 ? funzione del condensatore 9 disposto a monte del serbatoio 10. Pi? la temperatura al condensatore 9 risulta bassa e maggiore ? il rendimento del sistema 1.

[036] Il fluido organico in fase liquida viene dunque prelevato e pompato da una prima pompa 11 disposta lungo il circuito principale 2 a valle e adiacente al serbatoio 10. La pompa 11 ? configurata per far circolare il fluido organico all?interno circuito principale 2.

[037] La prima pompa 11 utilizzata pu? essere realizzata in acciaio inox o in ottone. Preferibilmente la prima pompa 11 ? di tipo a palette rotative in ottone. In particolare, risultano particolarmente indicate le pompe normalmente utilizzate in macchine per la refrigerazione, per la circolazione dell?acqua, o per macchine dispenser. Un esempio di pompa utilizzabile nel sistema 1 ? la pompa commercializzata dall?azienda Fluid-o-Tech, in particolare un modello della serie PO 70-400. La prima pompa 11 ha una pressione operativa massima di circa 20 bar.

[038] La prima pompa 11 ? messa in rotazione da un motore elettrico 22 collegato a un inverter 46 configurato per gestire la potenza de motore elettrico 22 e quindi la portata del fluido organico in uscita dalla prima pompa 11. Utilizzando una prima pompa 11 con sopra identificata, si possono raggiungere portate fino a 500 litri/ora.

[039] Il sistema 1, oltre alla prima pompa 11 pu? comprendere una o pi? pompe di ricircolo, come meglio descritte nel seguito: seconda pompa 23, una terza pompa 27, e una quarta pompa 38.

[040] Il fluido organico in uscita dalla prima pompa 11 ha un pressione pi? elevata rispetto al fluido contenuto nel serbatoio 10. Questo fluido di lavoro in pressione subisce poi un salto entalpico nei successivi scambiatori di calore 3,12, come descritto in seguito nel testo.

[041] A seconda di quali e quante valvole sono aperte/chiuse lungo il circuito principale 2, il fluido organico pu? passare attraverso uno o due scambiatori di calore 3,12 ed essere inviato ad almeno uno degli ingressi di aspirazione 6,7 dell?espansore 5. L?unit? di controllo 21 decide quali valvole 14,15,16 aprire in funzione della logica di comando descritta in seguito.

[042] Il fluido organico di lavoro viene dunque pompato dalla prima pompa 11 verso il primo scambiatore di calore 3. Preferibilmente il primo scambiatore di calore 3 ? del tipo a piastre, con una potenza termica di scambio compresa tra i 10 e 15 kWt (kilowatt termici). Se le condizioni operative sono sufficienti, ossia 5-6 bar e 60 ?C per il fluido R245fa, il fluido organico di lavoro che attraversa il primo scambiatore di calore 3 passa completamente dallo stato liquido a gassoso.

[043] Il primo scambiatore di calore 3 ? termicamente collegato ad una prima fonte di calore 13 tramite un primo circuito 28. Questa fonte di calore 13 pu? essere una fonte termica con temperature comprese tra 60 ?C e 100 ?C. Il calore necessario per ottenere questa temperatura pu? derivare da fonti di calore di energia rinnovabile o dal sistema di raffreddamento di un motore endotermico, come illustrato in Fig. 1. Praticamente, il motore a combustione interna 45 pu? comprendere un primo circuito 28 di raffreddamento del motore 45, come comunemente avviene nei motori con cilindrata superiore a 100 cc. Il liquido di raffreddamento del motore 45 circola all?interno di un primo circuito 28, lungo il quale sono disposti il primo e secondo sensori di temperatura 25,26. Detti primo e secondo sensori di temperatura 25,26 sono rispettivamente posti a monte e a valle del primo scambiatore di calore 3. Il fluido di raffreddamento in uscita dal motore 45, ad esempio dalla sua testata 13, ha una temperatura attorno o superiore ai 90?C ed entra nel primo scambiatore di calore 3 per riscaldare il fluido organico di lavoro.

[044] Il fluido organico, surriscaldato dal liquido che circola nel primo circuito 28 all?interno, all?uscita dal primo scambiatore di calore 3 ? in condizioni di vapore saturo e, quando la/e valvola/e 14,15,16 sono opportunamente posizionate, pu? entrare nell?espansore tramite un ingresso di aspirazione 6,7 dell?espansore 5.

[045] Se la temperatura della prima sorgente di energia 4 ? sufficientemente alta, preferibilmente superiore ai 100 ?C, l?unit? di controllo 21 commuta le elettrovalvole 14,15,16 in modo che fluido organico passi anche all?interno del secondo scambiatore di calore 11. Questo scambiatore conferisce al fluido maggiore energia termica ed un maggiore salto entalpico disponibile una volta che il fluido entra nell?espansore 5. Conseguentemente, l?espansore 5 pu? operare in condizioni di pieno carico.

[046] Quando determinate condizioni operative del primo scambiatore di calore 3 e del secondo scambiatore di calore 12 sono soddisfatte, il fluido organico passa all?interno del secondo scambiatore di calore 12 di alta pressione. La potenza termica del secondo scambiatore di calore 12 ? compresa tra i 10 e 15 kWt. Il secondo scambiatore di calore 2 ? configurato per portare il fluido organico di lavoro in condizioni di vapore saturo ad alta pressione. Il secondo scambiatore di calore 12 pu? essere a piastre, come il primo scambiatore 3, oppure a fasci tubieri. Il secondo scambiatore di calore 12 pu? essere scaldato recuperando il calore dei gas di scarico del motore endotermico 45. In alternativa, la seconda fonte termica 4 pu? essere una qualsiasi altra fonte di calore con temperatura compresa tra i 120 e 200 gradi.

[047] Il sistema 1 ha una capacit? di produzione di energia elettrica inferiore a 10 kWe, preferibilmente di circa di 1.5 kWe.

[048] L?espansore 5 ? preferibilmente di tipo scroll come illustrato nelle Fig.3. Notoriamente, negli espansori di tipo a chiocciola, altrimenti denominati espansori scroll, il fluido entra in una porzione centrale della chiocciola statorica ed espande verso l?esterno in senso radiale, mettendo in rotazione un elemento a chiocciola che orbita in maniera eccentrica nella porzione statorica. L?elemento orbitante mette in rotazione un albero. Le figure 3A,3B,3C,3D mostrano posizioni angolari a 0?, 90?, 180?, 270? della chiocciola orbitante 44 rispetto a quella statorica 43.

[049] Come illustrato nelle Fig.4, l?espansore scroll 5 pu? essere configurato per lavorare a carico parziale o a carico totale. In particolare, l?espansore 5 ? composto di una parte statorica e una rotorica con palettature di tipo scroll. Un elemento a chiocciola statorico 43 comprende un bordo periferico 43? che contiene e circonda un elemento a chiocciola orbitante 44 che muove in maniera eccentrica all?interno dell?elemento a chiocciola statorico 43. Le involute degli elementi statorico e rotorico sono conformate in modo che gli elementi risultano sempre tangenti l?uno all?altro e le loro pareti si toccano e si lambiscono durante il movimento eccentrico della chiocciola orbitante 44. L?albero d?uscita dell?espansore 5 ? collegato all?elemento a chiocciola orbitante 44.

[050] L?albero d?uscita dell?espansore 5 ? meccanicamente collegato ad un generatore elettrico 33. Preferibilmente il generatore elettrico 33 ? un alternatore che pu? essere ingaggiato mediante una frizione magnetica 32. Quando la frizione magnetica 32 ? azionata, l?albero d?uscita dell?espansore 5 ? rotoricamente connesso all?alternatore 33 e viceversa.

[051] La corrente prodotta dall?alternatore 33 ? funzione della velocit? di rotazione dell?elemento scroll orbitante. La potenza prodotta dal sistema 1 cos? concepito ? mediamente 1,5 kWe, con punti di picco pari a 2 kWe. La corrente generata dal generatore elettrico 33 viene dunque stabilizzata da regolatore automatico di tensione 35 (AVR) ad un valore predefinito, pari ad esempio a 220V per una corrente monofase o 400V per una corrente trifase.

[052] All?uscita dell?espansore 5 il fluido organico risulta ancora vaporizzato, ma con temperatura e pressione pi? bassa, preferibilmente compresa tra 1 e 3 bar. La temperatura di uscita risulta preferibilmente compresa tra 70 ?C e 40 ?C. Il fluido organico di lavoro passa dunque dentro il condensatore 9, in modo da condensare completamente e fuoriuscire in condizioni di liquido saturo.

[053] Il condensatore 9 pu? essere sia di tipo a piastre (liquido-liquido) che un radiatore liquidoaria. Per applicazioni stazionarie pu? essere utilizzato un radiatore con dimensione radiante tale da dissipare una potenza compresa tra i 10 e 20 kWt, preferibilmente 15 kWt. Viceversa, nel caso in cui il sistema 1 sia installato su un veicolo, ad esempio su una imbarcazione 100, il condensatore 9 pu? essere di tipo a piastre liquido-liquido, preferibilmente costituito in acciaio e rame, e avere una potenza di scambio termico compresa tra i 10 e 20 kW.

[054] Preferibilmente, lo scambio termico pu? avvenire con una fonte termica a bassa temperatura. Nel caso di utilizzo di un condensatore liquido-aria, lo scambio pu? avvenire con l?aria a temperatura ambiente. Quando invece il condensatore 9 ? uno scambiatore di calore a piastre liquido-liquido di tipo controcorrente, da un lato dello scambiatore scorre il fluido organico del circuito 2 e dall?altro l?acqua aspirata da una quarta pompa 38 tramite un terzo circuito 39. Preferibilmente, nel caso di imbarcazioni, l?acqua di raffreddamento pu? essere l?acqua marina e la quarta pompa 38 pu? essere una pompa autoadescante se il sistema 1 ? disposto sopra battente. In caso contrario, ? sufficiente che la quarta pompa 38 sia un circolatore d?acqua a basso assorbimento. In questo ultimo caso, il rendimento complessivo del sistema 1 come descritto in precedenza si attesta attorno al 12% in condizioni di massimo carico e condensatore 9 operante a 20 gradi con 1 bar di pressione.

[055] Una volta uscito dal condensatore 9, il fluido organico viene raccolto all?interno del serbatoio di accumulo 10 descritto in precedenza e il fluido organico pu? nuovamente essere rimesso in circolazione mediante la prima pompa 11.

[056] L?espansore 5 di tipo scroll ? configurato per avere una efficienza ottimale per fluido R245fa. In particolare, la geometria della palettatura degli elementi a chiocciola statorico e orbitante sono conformati seguendo le equazioni di base che generano l?involuta di un cerchio e lo spessore delle pareti e l?altezza della palettatura sono ottimizzati in accordo alle leggi di conservazione della massa del refrigerante e alla conservazione dell?energia, in particolare nelle fasi transitorie.

[057] I valori ottimali ottenuti in maniera sperimentale per le due involute degli elementi scroll statorici e orbitanti 43,44 sono:

- diametro del cerchio base [mm]: 10.2

- spessore delle pareti [mm]: 4.0

- altezza dello scroll [mm]: 40

- numero di circonferenze: 2,9

- angolo di partenza dell?involuta (rad): 0.8

- angolo finale dell?involuta (rad): 20.3

[058] Siccome l?albero d?uscita ? collegato in maniera eccentrica all?elemento scroll orbitante, tra i due scroll orbitante e statorico si creano delle camere di espansione grazie alle condizioni di tangenza delle pareti statoriche e rotoriche 43,44. L?eccentricit? dell?albero ? preferibilmente di circa 12,5 mm.

[059] In particolare, l?espansore 5 presenta due ingressi d?aspirazione, un primo ingresso di aspirazione 6 e un secondo ingresso d?aspirazione 7.

[060] Il primo ingresso di aspirazione 6 ? situato al centro della chiocciola statorica 43. L?uscita di scarico 8 ? disposta in corrispondenza di una porzione periferica della chiocciola statorica, preferibilmente sul bordo periferico 43?. Mentre il secondo ingresso di aspirazione 7 ? situato in una posizione radialmente intermedia tra il primo ingresso d?aspirazione 6 e l?uscita di scarico 8.

[061] Il fluido organico vaporizzato in condizioni di alta pressione, preferibilmente compresa tra i 12 e 18 bar, e temperature compresa tra i 100 e 160 ?C entra nel primo ingresso di aspirazione 6 dell?espansore 5 e fuoriesce all?uscita di scarico 8.

[062] Il fluido organico vaporizzato in condizioni di media pressione, preferibilmente compresa tra i 6 e 10 bar, e temperature compresa tra i 60 e 100 ?C entra nel secondo ingresso di aspirazione 7 dell?espansore 5 e fuoriesce all?uscita di scarico 8.

[063] L?ingressi di aspirazione 6, 7 possono essere aperti o chiusi mediante le elettrovalvole 15,16. Le elettrovalvole 15,16 sono rispettivamente disposte a ridosso dei primo e secondo ingressi di aspirazione 6,7 dell?espansore 5 per evitare perdite di lavoro e vibrazioni.

[064] L?apertura e chiusura degli ingressi di aspirazione 6,7 tramite le elettrovalvole 15,16 ? governata dall?unit? di controllo 21 in modo da ottimizzare il rendimento del sistema 1 in tempo reale.

[065] L?unit? di controllo 21 che sovrintende il sistema 1 ? gestita da un controllo logico programmabile, comunemente denominato PLC. Risulta preferibile utilizzare controllori denominati Simatic della societ? Siemens, in particolare i modelli S7. Questi si prestano alla possibilit? di controllo da remoto delle grandezze misurate e calcolate.

[066] Il sistema 1 di Fig.1 per funzionare correttamente ha bisogno di un?unit? di controllo in grado di acquisire i segnali provenienti da vari sensori di temperatura e pressione, da una pluralit? di misuratori di portata e da una pluralit? di sensori di misura dei numeri di giri dei dispositivi rotanti del sistema 1.

[067] In particolare, i sensori di temperatura del sistema 1 possono essere uno o pi? dei seguenti: - un primo sensore di temperatura 25 disposto a monte del primo scambiatore di calore 3 lungo un primo circuito 28 relativo alla prima fonte di calore 13;

- un secondo sensore di temperatura 26 disposto a valle del primo scambiatore di calore 3 lungo il primo circuito 28 relativo alla prima fonte di calore 13;

- un terzo sensore di temperatura 29 disposto a monte del secondo scambiatore di calore 12 lungo un secondo circuito 24 relativo alla seconda fonte di calore 4;

- un quarto sensore di temperatura 30 disposto a valle del secondo scambiatore di calore 12 lungo il secondo circuito 24 relativo alla seconda fonte di calore 4;

- un quinto sensore di temperatura 18 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle del primo scambiatore di calore 3;

- un sesto sensore di temperatura 20 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle del secondo scambiatore di calore 12;

- un settimo sensore di temperatura 31 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle dell?uscita di scarico 8 dell?espansore 5;

- un ottavo sensore di temperatura 40 disposto a monte del condensatore 9 di calore 12 lungo un quarto circuito 39 relativo alla terza fonte di calore 42;

- un nono sensore di temperatura 41 disposto a valle del condensatore 9 lungo il quarto circuito 39 relativo alla terza fonte di calore 42;

- un decimo sensore di temperatura 37 disposto immediatamente a valle del condensatore 9 lungo il circuito principale 2;

- un undicesimo sensore di temperatura 48 disposto immediatamente a monte della prima pompa 11 lungo il circuito principale 2;

- un dodicesimo sensore di temperatura 36 disposto immediatamente a valle della prima pompa 11 lungo il circuito principale 2.

Detto primo sensore di temperatura 25 ? configurato per emettere un primo segnale T1 rappresentativo della temperatura letta dal sensore.

Detto secondo sensore di temperatura 26 ? configurato per emettere un secondo segnale T2 rappresentativo della temperatura letta dal sensore.

Detto terzo sensore di temperatura 25 ? configurato per emettere un terzo segnale T3 rappresentativo della temperatura letta dal sensore.

Detto quarto sensore di temperatura 25 ? configurato per emettere un quarto segnale T4 rappresentativo della temperatura letta dal sensore.

Detto quinto sensore di temperatura 18 ? configurato per emettere un quinto segnale T5 rappresentativo della temperatura letta dal sensore.

Detto sesto sensore di temperatura 20 ? configurato per emettere un sesto segnale T6 rappresentativo della temperatura letta dal sensore.

Anche gli altri sensori di temperatura 31,18,20,40,41,37,48,36 sono configurati per emettere un rispetto segnale rappresentativo della temperatura letta dal sensore.

[068] In particolare, i sensori di pressione del sistema 1 possono essere uno o pi? dei seguenti: - un primo sensore di pressione 17 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle del primo scambiatore di calore 3;

- un secondo sensore di pressione 19 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle del secondo scambiatore di calore 12;

- un terzo sensore di pressione 51 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle dell?uscita di scarico 8 dell?espansore 5;

- un quarto sensore di pressione 47 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle del condensatore 9;

- un quinto sensore di pressione 49 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a monte della prima pompa 11;

- un sesto sensore di pressione 50 disposto lungo il circuito principale 2 immediatamente a valle della prima pompa 11.

Detto primo sensore di pressione 17 ? configurato per emettere un primo segnale di pressione P1 rappresentativo della pressione letta dal sensore.

Detto secondo sensore di pressione 19 ? configurato per emettere un secondo segnale di pressione P2 rappresentativo della pressione letta dal sensore.

Anche gli altri sensori di pressione 51,47,49,50 sono configurati per emettere un rispetto segnale rappresentativo della pressione letta dal sensore.

[069] In particolare, l?unit? di controllo 21 pu? essere configurata per acquisire i segnali relativi al numero di giri della prima pompa 11 e dell?espansore 5. Il segnale del numero di giri della pompa ? denominato NGP e quello dell?espansore NGE.

[070] Ulteriormente l?unit? di controllo pu? essere configurata per acquisire i segnali provenienti da uno o pi? dei seguenti misuratori di portata:

- primo misuratore di portata 52 disposto lungo il circuito principale 2 per misurare la portata di fluido nello stesso;

- secondo misuratore di portata 53 disposto lungo il primo circuito 28 per misurare la portata di fluido nello stesso;

- terzo misuratore di portata 54 disposto lungo il secondo circuito 24 per misurare la portata di fluido nello stesso;

- quarto misuratore di portata 55 disposto lungo il terzo circuito 39 per misurare la portata di fluido nello stesso.

Ognuno di detti misuratori di portata 52,53,54,55 ? configurato per emettere un rispetto segnale rappresentativo della portata volumetrica letta dal misuratore.

[071] L?unit? di controllo 21 pu? inoltre comprendere un?uscita analogica per il controllo dell?inverter 46.

[072] L?unit? di controllo 21 pu? inoltre comprendere una pluralit? di uscite di tipo digitale per controllare l?apertura/chiusura di dette elettrovalvole 14,15,16 e l?accensione/spegnimento di almeno una di dette pompe 11,23,27,38.

[073] L?unit? di controllo 21 ? configurata per raccogliere i segnali di tutti i sensori, misuratori e dispositivi del sistema 1 ed elaborarli per generare detti segnali d?uscita in modo che il rendimento, calcolato come il rapporto tra il calore utilizzato dal sistema 1 e il lavoro ottenuto, risulti ottimizzato istante per istante.

[074] Con riferimento al diagramma di flusso di Fig. 3, una volta che l?unit? di controllo 21 acquisisce almeno detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura T1,T2,T3,T4, l?unit? di controllo 21 stessa ? in grado di discriminare se le elettrovalvole 14,15,16 devono essere azionate o meno e se il generatore di corrente 33 deve essere posto in rotazione tramite l?espansore 5 attivando o meno la frizione magnetica 32.

[075] In particolare, l?unit? di controllo 21 ? configurata per operare, principalmente, secondo le condizioni schematizzate nella tabella seguente:

[076] La tabella schematizza quanto illustrato nel diagramma di flusso di Fig.3.

[077] In sostanza, quando la temperatura T1 supera la soglia TT1 e la temperatura T2 supera la soglia TT2, il fluido organico transita attraverso la elettrovalvola 15 aperta, mentre l?elettrovalvola 16 resta chiusa, e prosegue lungo il circuito principale 2 verso il secondo ingresso di aspirazione 7 dell?espansore 5, mentre quando la temperatura T3 supera la soglia TT3 e la temperatura T4 supera la soglia TT4, il fluido organico viene interamente deviato verso la ramificazione 2? e dunque verso il secondo scambiatore di calore 12 ed il primo ingresso di aspirazione 6 dell?espansore 5, aprendo la elettrovalvola 16 e chiudendo l?elettrovalvola 15. Quando invece tutte le temperature T1,T2,T3,T4 sono inferiori alle rispettive soglie TT1,TT2,TT3,TT4, solo l?elettrovalvola 15 resta aperta ed il fluido organico circola nel circuito principale 2. Viceversa, quando tutte le temperature T1,T2,T3,T4 sono superiori alle rispettive soglie TT1,TT2,TT3,TT4, la elettrovalvola 16 risulta aperta mentre la elettrovalvola 15 chiusa, determinando il passaggio del fluido organico attraverso il secondo scambiatore di calore 12 verso il primo ingresso d?aspirazione 6 dell?espansore 5.

[078] L?elettrovalvola 14 ? un?elettrovalvola a due vie, che in posizione di riposo (OFF) non devia il fluido organico sulla ramificazione 2?, mentre in posizione di azionamento (ON) devia il fluido organico interamente sulla ramificazione 2?. L?elettrovalvola 14 a due vie ? normalmente in posizione di riposo, salvo quando la temperatura T3 supera la soglia TT3 e la temperatura T4 supera la soglia TT4.

[079] Praticamente, quando il primo scambiatore 3 ? in condizioni tali da scaldare il fluido organico del circuito principale 2 oltre una certa soglia determinata dalle temperature T1,T2, il fluido organico riscaldato e alla pressione P1 entra nell?espansore 5 attraverso il secondo ingresso d?aspirazione 7. Se per? il secondo scambiatore 12 ? in condizioni tali da scaldare il fluido organico del circuito principale 2 oltre una certa soglia determinata dalle temperature T3,T4, il fluido organico riscaldato passa anche attraverso il secondo scambiatore 12 uscendo alla pressione P2 per poi entrare nell?espansore 5 attraverso il primo ingresso d?aspirazione 6.

[080] L?unit? di controllo 21 ? configurata inoltre per ricevere i segnali di pressione P1 e P2 e gestire l?apertura delle valvole 14,15,16 ed il funzionamento della prima pompa P1 sulla base di detti primo e secondo segnale di pressione P1,P2. In una versione particolare del sistema 1, non illustrata in Fig. 3, assieme al superamento delle soglie di temperatura TT1 e TT2 da parte dei segnali di temperatura T1 e T2, anche il primo segnale di pressione P1 deve superare una prima soglia di pressione PT1 affinch? la prima pompa 11 venga azionata ed dette valvola 14,15,16 attuate per deviare il fluido organico scaldato dal primo scambiatore di calore 3 verso l?espansore 5. In maniera similare, assieme al superamento delle soglie di temperatura TT3 e TT4 da parte dei segnali di temperatura T3 e T4, anche il secondo segnale di pressione P2 deve superare una seconda soglia di pressione PT2 affinch? la prima pompa 11 venga azionata ed dette valvola 14,15,16 attuate per deviare il fluido organico verso il secondo scambiatore di calore 12 e dunque verso l?espansore 5. Preferibilmente, dette prima soglia di pressione PT1 ? 5 bar e detta seconda soglia di pressione PT2 ? 10 bar.

[081] L?unit? di controllo 21 ? inoltre configurata per ricevere i segnali di temperatura T5 e T6 e gestire l?apertura delle valvole 14,15,16 ed il funzionamento della prima pompa P1 sulla base di detti quinto e sesto segnali di temperatura T5,T6 rispettivamente misurati da detti quinto e sesto sensori ti temperatura 18,20. In una versione particolare del sistema 1, non illustrata in Fig.3, assieme al superamento delle soglie di temperatura TT1 e TT2 da parte dei segnali di temperatura T1 e T2, anche il quinto segnale di temperatura T5 deve superare una quinta soglia di temperatura TT5 affinch? la prima pompa 11 venga azionata ed dette valvola 14,15,16 attuate per deviare il fluido organico scaldato dal primo scambiatore di calore 3 verso l?espansore 5. In maniera similare, assieme al superamento delle soglie di temperatura TT3 e TT4 da parte dei segnali di temperatura T3 e T4, anche il sesto segnale di temperatura T6 deve superare una sesta soglia di temperatura TT6 affinch? la prima pompa 11 venga azionata ed dette valvola 14,15,16 attuate per deviare il fluido organico verso il secondo scambiatore di calore 12 e dunque verso l?espansore 5. Preferibilmente, dette quinta soglia di temperatura TT5 ? 60?C e detta sesta soglia di temperatura TT6 ? 100?C.

[001] L?unit? di controllo 21 ? inoltre configurata per comandare la frizione magnetica 32 in modo da connettere meccanicamente l?espansore 5 all?alternatore 33 per generare energia elettrica quando l?espansore 5 ? posto in rotazione. In particolare, la frizione magnetica 32 ? configurata per essere chiusa, ossia per connettere l?espansore 5 all?alternatore 33, quando il segnale del numero di giri dell?espansore NGE supera una predeterminata soglia di giri.

[002] In questo caso, l?unit? di controllo 21 comanda la chiusura del contattore 34 e l?energia elettrica viene trasferita dall?alternatore 33 al regolatore automatico di tensione 35 e dunque alla rete elettrica o all?impianto elettrico del veicolo 100. Il contattore 34 rimane invece disconnesso dalla rete o impianto elettrico quando il sistema 1 non genera energia elettrica.

[003] L?unit? di controllo 21 ? configurata per calcolare il calore disponibile sugli scambiatori di calore 3,12 derivare la potenza elettrica ottenibile sulle condizioni istantanee del sistema 1. Conseguentemente, l'unit? di controllo 21 ? configurata per calcolare il rendimento dell`impianto come il rapporto tra il calore utilizzato ed il lavoro ottenuto istante per istante. L?unit? di controllo 21 ? configurata per ottimizzare detto rendimento.

[004] Come sopra descritto, il sistema 1 pu? fornire energia elettrica ad un impianto elettrico di un veicolo 100. In particolare, come illustrato in Fig.2, il veicolo 100 pu? essere una imbarcazione dotata di un motore a combustione interna 45.

[005] Concludendo, ? chiaro che l?invenzione cos? concepita ? suscettibile di numerose modifiche o varianti, tutte rientranti nell?invenzione; inoltre tutti i dettagli sono sostituibili da elementi tecnicamente equivalenti. In pratica, le quantit? potranno essere variate a seconda delle esigenze tecniche.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Sistema (1) per convertire energia termica in energia elettrica comprendente:

- un circuito principale chiuso (2) in cui scorre un fluido organico;

- un primo scambiatore di calore (3) accoppiato termicamente ad una prima sorgente di energia (4) tramite un primo circuito (28); detto primo scambiatore di calore (3) essendo posizionato lungo il circuito principale (2) per riscaldare il fluido organico;

- un espansore (5) comprendente almeno un primo e secondo ingresso di aspirazione (6,7) ed una uscita di mandata (8);

- un generatore elettrico (33) accoppiato meccanicamente ad un albero di uscita dell'espansore (5); - un condensatore (9) posizionato lungo il circuito principale (2) e collegato fluidamente all'uscita di mandata (8) dell'espansore (5) e ad un serbatoio (10), detto condensatore (9) essendo configurato per condensare il fluido organico in uscita all?espansore (5);

- una prima pompa (11) posizionata lungo il circuito principale (2) tra il serbatoio (10) e il primo scambiatore di calore (3);

- un secondo scambiatore di calore (12) accoppiato termicamente ad una seconda fonte di energia (13) tramite un secondo circuito (24); detto secondo scambiatore di calore (3) essendo posizionato lungo il circuito principale (2) tra il primo scambiatore di calore (3) e il primo ingresso di aspirazione (6) dell'espansore (5) per riscaldare il fluido organico;

- una ramificazione (2') del circuito principale (2) che collega fluidamente un punto del circuito principale (2) disposto tra il primo e il secondo scambiatore (3,12) al secondo ingresso di aspirazione (7) dell'espansore (2) in modo da bypassare il secondo scambiatore (12);

- almeno una valvola (14,15,16) configurata per deviare il fluido organico verso il primo ingresso di aspirazione (6) dell'espansore (5) o verso il secondo ingresso di aspirazione (7) dell'espansore (5); - un primo sensore di temperatura (25) disposto lungo il primo circuito (28) a monte del primo scambiatore di calore (3) configurato per emettere un primo segnale di temperatura (T1);

- un secondo sensore di temperatura (26) disposto lungo il primo circuito (28) a valle del primo scambiatore di calore (3) configurato per emettere un secondo segnale di temperatura (T2);

- un terzo sensore di temperatura (29) disposto lungo il secondo circuito (24) a monte del secondo scambiatore di calore (12) configurato per emettere un terzo segnale di temperatura (T3);

- un quarto sensore di temperatura (30) disposto lungo il secondo circuito (24) a valle del secondo scambiatore di calore (12) configurato per emettere un secondo segnale di temperatura (T4); - un'unit? di controllo (21) configurata per ricevere detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura (T1,T2,T3,T4) per generare un primo segnale di controllo della pompa (PS) e un primo segnale di controllo della valvola (VS) in base a detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura (T1,T2,T3,T4) per azionare la prima pompa (11) e l'almeno una valvola (14,15,16); in cui l?espansore (5) essendo configurato per espandere il fluido organico vaporizzato in detto primo scambiatore di calore (3) o in detti primo e secondo scambiatori di calore (3,12) per generare energia meccanica atta ad azionare il generatore elettrico (33).

2. Sistema (1) secondo la rivendicazione 1, in cui l'unit? di controllo (21) ? configurata per azionare la prima pompa (11) se il primo segnale di temperatura (T1) supera una prima soglia di temperatura (TT1) e il secondo segnale di temperatura (T2) supera una seconda soglia di temperatura (TT2) e/o se il terzo segnale di temperatura (T3) supera una terza soglia di temperatura (TT3) e il quarto segnale di temperatura (T4) supera una prima soglia di temperatura (TT4), preferibilmente detta prima soglia di temperatura (TT1) ? circa 60 ?C, detta seconda soglia di temperatura (TT2) ? circa 50 ?C, detta terza soglia di temperatura (TT3) ? circa 100 ?C, detta quarta soglia di temperatura (TT4) ? circa 90 ?C.

3. Sistema (1) secondo la rivendicazione 2, in cui l'unit? di controllo (21) ? anche configurata per azionare l?almeno una valvola (14,15,16) in modo da deviare almeno in parte il fluido organico verso il primo ingresso di aspirazione (6) dell?espansore (5) se il primo segnale di temperatura (T1) supera una prima soglia di temperatura (TT1) e il secondo segnale di temperatura (T2) supera una seconda soglia di temperatura (TT2).

4. Sistema (1) secondo la rivendicazione 3, in cui l'unit? di controllo (21) ? configurata per azionare l?almeno una valvola (14,15,16) in modo da deviare almeno in parte il fluido organico verso il secondo ingresso di aspirazione (7) dell?espansore (5) se il terzo segnale di temperatura (T3) supera una terza soglia di temperatura (TT3) e il quarto segnale di temperatura (T4) supera una quarta soglia di temperatura (TT4).

5. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta almeno una valvola comprende una valvola deviatrice (14) e/o una prima e una seconda valvola (15,16).

6. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'espansore (5) ? un espansore di tipo scroll comprendente un elemento a chiocciola statorico (43) e un elemento a chiocciola orbitante (44), in cui il primo ingresso di aspirazione (6) ? disposto sostanzialmente in corrispondenza di una porzione centrale dell?elemento a chiocciola statorico (43), l'uscita di scarico (8) ? disposto in corrispondenza di una porzione periferica dell'elemento a chiocciola statorico (43) e il secondo ingresso di aspirazione (7) ? disposto in una posizione radiale intermedia dell'elemento a chiocciola statorico (43) posizionata tra la porzione centrale e la porzione periferica.

7. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'espansore (5) ? accoppiato meccanicamente al generatore elettrico (33) tramite una frizione magnetica (32) comandata dalla unit? di controllo (21) in base a detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura (T1,T2,T3,T4).

8. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il generatore elettrico (33) ? un generatore di tipo brushless.

9. Sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente un contattore (44) elettricamente connesso al generatore elettrico (33) e comandato dalla unit? di controllo (21) in base a detti primo, secondo, terzo e quarto segnali di temperatura (T1,T2,T3,T4), preferibilmente il sistema (1) comprende anche un regolatore automatico di tensione (35) elettricamente connesso al contattore (44).

10. Veicolo (100) comprendente un sistema (1) per convertire energia termica in energia elettrica secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima fonte di calore (13) deriva da un sistema di raffreddamento di un motore a combustione interna (45) del veicolo (100) e la seconda fonte di calore (4) deriva da un gas di scarico del motore a combustione interna (45).