IT202100032885A1 - Treno e relativo sistema di propulsione - Google Patents

Description

Treno e relativo sistema di propulsione

DESCRIZIONE

Settore della Tecnica

La presente invenzione si riferisce ad un treno e ad un relativo sistema di propulsione.

La presente invenzione trova particolare applicazione nel settore dei trasporti di persone o merci mediante utilizzo di energia rinnovabile.

Arte Nota

Attualmente, nel settore dei trasporti su rotaia, vengono utilizzati treni trainati da locomotive elettriche, le quali sono provviste di un sistema a pantografo atto a captare l?energia elettrica da una linea elettrica aerea e a fornirla ad un motore elettrico a trazione della locomotiva.

L?energia elettrica che alimenta i suddetti treni ? in genere ricavata da centrali termoelettriche alimentate dalla combustione di combustibili fossili. Ad esempio, in Italia risulta che il 54,4 % dell?energia elettrica italiana prodotta da centrali termoelettrici a combustione di prodotti fossili viene impiegata per usi domestici e per lo spostamento di mezzi a pantografo (treni ad alta, media, bassa velocit?, metropolitane, tram, bus, ecc.).

Nel settore dei trasporti su rotaia risulta pertanto mancante una tecnologia che consenta la movimentazione di treni mediante l?utilizzo di fonti di energia rinnovabili.

Scopo della presente invenzione ? quello di fornire un treno e un relativo sistema di propulsione che non siano soggetti ai limiti ed agli inconvenienti dell?arte nota sopra evidenziati.

Questo ed altri scopi sono ottenuti con il treno e il relativo sistema di propulsione come rivendicati nelle annesse rivendicazioni.

Le rivendicazioni costituiscono parte integrante dell?insegnamento tecnico qui fornito in merito all?invenzione.

Descrizione dell?Invenzione

Il treno secondo l?invenzione ? un treno ad avanzamento mediante spinta fornita da aria compressa. Tale treno comprende una turbina, collocata esternamente al treno, configurata per essere azionata da getti di aria compressa, prodotti dal sistema di propulsione esterno al treno, cos? da fornire una spinta al treno tale da determinarne l?avanzamento controbilanciando almeno in parte, e preferibilmente del tutto, le resistenze che si oppongono all?avanzamento dello treno stesso.

La turbina del treno ? preferibilmente montata sotto la pancia inferiore dello stesso e comprende una pluralit? di attivatori lamellari, fissi, concavi verso una medesima direzione, cio? la direzione dalla quale arrivano i getti di aria compressa. Tali attivatori lamellari si estendono preferibilmente per l?intera larghezza del treno e sono posizionati ad intervalli regolari lungo l?intera lunghezza del treno.

Preferibilmente, il treno comprende inoltre almeno una ruota aggiuntiva montata in una porzione frontale del treno (in testa e in coda). Tale ruota ha una larghezza sostanzialmente pari ad una larghezza massima del treno ed ha pertanto forma di rullo. Inoltre, tale ruota ? disposta in modo da essere appena distaccata dal terreno su cui poggiano i binari. Tale ruota svolge una funzione di assestamento e di barriera verso l?aria attraverso la quale si muove il treno durante il suo avanzamento, al fine di evitare che tale aria ostacoli i getti d?aria che azionano la turbina del treno.

Preferibilmente, il treno comprende inoltre sensori posti lateralmente al treno e configurati per rilevare la distanza rispetto a spallette poste lateralmente a binari su cui avanza il treno. Il treno ? configurato per arrestarsi qualora tali sensori rilevino distanze anomale, ad esempio inferiori rispetto ad una soglia prefissata.

Preferibilmente, il treno comprende inoltre poltroncine per passeggeri dotate di spalliere reclinabili, in modo che i passeggeri possano assumere una posizione quasi totalmente supina.

In accordo con la presente invenzione, il sistema di propulsione associato al treno comprende una stazione di produzione di aria compressa e una condotta di accumulo e distribuzione dell?aria compressa prodotta dalla suddetta stazione per la produzione di aria compressa.

La condotta di accumulo e distribuzione ? preferibilmente divisa in una pluralit? di spezzoni in serie, collegati gli uni agli altri da valvole. Tali valvole sono configurate per essere aperte per consentire il riempimento dell?intera condotta con l?aria compressa prodotta dalla stazione alla pressione desiderata, e per chiudersi una volta che la condotta ? stata completamente riempita con la suddetta aria compressa. Inoltre, ogni spezzone della condotta di accumulo e distribuzione ? collegato ad una rispettiva camera di emissione, per mezzo di una valvola di emissione, e ciascuna camera di emissione ? dotata di una pluralit? di ugelli, rivolti verso l?ambiente esterno nel senso di avanzamento del treno.

La condotta di accumulo e distribuzione ? configurata per rilasciare, attraverso le camere di emissione, l?aria compressa contenuta in ciascuno dei suoi spezzoni, aprendo le rispettive valvole di emissione, solo in concomitanza col passaggio del treno in corrispondenza di ciascuno spezzone, pi? in particolare nel momento in cui la turbina del treno si trova in corrispondenza della camera di emissione di uno spezzone. In tal modo, i getti di aria compressa che fuoriescono dagli ugelli delle camere di emissione vanno ad azionare la turbina del treno, fornendo al treno una spinta che ne determina l?avanzamento.

La stazione di produzione di aria compressa del sistema di propulsione comprende preferibilmente un impianto solare termico a concentrazione di raggi solari, configurato per produrre vapore ad alta pressione, e una pluralit? di compressori, configurati per ricevere in ingresso il suddetto vapore ad alta pressione e produrre in uscita la suddetta aria compressa.

Preferibilmente, l?impianto solare termico a concentrazione di raggi solari comprende, montati su una piattaforma galleggiante sul mare, una pluralit? di elementi captanti e riflettenti, configurati per riflettere e concentrare raggi solari su rispettivi bollitori, in modo da trasformare acqua contenuta in detti bollitori in vapore ad alta pressione. Preferibilmente, la piattaforma galleggiante ? provvista di un sistema di movimentazione configurato per far ruotare la piattaforma in modo da rivolgere gli elementi captanti e riflettenti in una direzione ottimale per la ricezione dei raggi solari.

Preferibilmente, la stazione di produzione di aria compressa comprende inoltre un impianto a combustione, preferibilmente alimentato da una miscela contenente idrogeno e ossigeno, configurato per produrre vapore ad alta pressione. Vantaggiosamente, l?impianto a combustione ? attivato in condizioni di scarsa o assente luminosit? solare, in sostituzione dell?impianto solare termico o insieme a quest?ultimo.

Preferibilmente, il sistema di propulsione comprende inoltre uno spintore a reazione, alimentato con una miscela di idrogeno e ossigeno, configurato per imprimere una spinta iniziale al treno, fino a portarlo ad una determinata velocit?.

In accordo con un aspetto preferito dell?invenzione, il treno e il relativo sistema di propulsione sono preferibilmente configurati in modo tale che, una volta che il treno ? partito e ha raggiunto una certa velocit?, lo stesso continua il suo avanzamento grazie all?aria compressa generata e fornita dal sistema di propulsione, la quale fornisce al treno una forza di avanzamento tale da controbilanciare le resistenze che il treno incontra durante il suo avanzamento.

Grazie al treno e al sistema di propulsione in accordo con la presente invenzione, ? possibile trasportare persone e cose con propellente aria compressa ricavata da un impianto solare termico, sostituendo gli attuali treni con sistema a pantografo che ricevono energia elettrica da impianti termoelettrici a combustione di prodotti fossili

Descrizione Sintetica delle Figure

Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla seguente descrizione di forme preferite di realizzazione date a titolo esemplificativo e non limitativo con l'ausilio delle annesse figure, in cui elementi indicati con uno stesso o un simile riferimento numerico indicano elementi che hanno stessa o simile funzionalit? e costruzione ed in cui:

- la Fig. 1 ? una vista schematica, laterale, di un treno secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, su un binario ferroviario;

- la Fig. 2 ? una vista schematica, frontale, di un treno secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la Fig.3 ? una vista schematica, laterale, delle due porzioni frontali del treno e di una condotta di accumulo e distribuzione di aria compressa del sistema di propulsione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione; - la Fig.4 ? una vista ingrandita di una porzione A di Figura 3;

- la Fig.5 ? una vista schematica, dal basso, di elementi di una condotta di accumulo e distribuzione di aria compressa del sistema di propulsione e di elementi di un treno secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la Fig.6 ? una vista di dettaglio di una camera di emissione di una condotta di accumulo e distribuzione di Fig.5;

- la Fig.7 ? una vista schematica di un impianto solare termico di una stazione per la produzione di aria compressa e di parte di una condotta di accumulo e distribuzione di aria compressa di un sistema di propulsione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la Fig.8 ? una vista schematica di un bollitore e di parte di una condotta di collegamento che collega i bollitori di una medesima fila di bollitori nella stazione per la produzione di aria compressa del sistema di propulsione secondo un esempio realizzativo della presente invenzione.

- la Fig.9 ? una vista schematica, laterale, di uno spintore a reazione per far partire il treno secondo una forma di realizzazione della presente invenzione. Descrizione di una Forma Preferita di Realizzazione

Con riferimento alle Figure 1-4, ? illustrato schematicamente un treno 10 ad avanzamento mediante aria compressa utilizzata come propellente secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.

Il treno 10 ha due porzioni frontali 11, 12 (cio?, ? un treno bifronte), le quali presentano una configurazione ottimale alla penetrazione nell?aria (ad esempio un profilo aerodinamico di tipo ?Airfoil? o ?Bullet?), con un coefficiente di resistenza di forma (Crf) preferibilmente minore di 0,20. Inoltre, il treno 10 ha una sezione trasversale particolarmente contenuta, preferibilmente minore di 3 m<2>).

Con particolare riferimento alla Figura 4, il treno 10 comprende una turbina, preferibilmente una turbina lineare 18, montata sotto la pancia del treno, esternamente al treno stesso.

La turbina 18 del treno 10 comprende una pluralit? di attivatori lamellari 19, fissi, concavi verso una medesima direzione, cio? verso la direzione dalla quale arrivano i getti di aria compressa. Tali attivatori lamellari 19 sono preferibilmente disposte perpendicolarmente rispetto ad una direzione longitudinale del treno 10 e hanno una larghezza pari all?intera larghezza del treno 10. Inoltre, tali attivatori lamellari 19 sono posizionati ad intervalli regolari lungo l?intera lunghezza del treno 10 e la distanza tra due attivatori lamellari successive ? preferibilmente compresa tra 1 e 3 mm, pi? preferibilmente pari a 1,5 mm.

La turbina 18 ? configurata per essere azionata da getti di aria compressa ? mediante impatto dei getti contro gli attivatori lamellari 19 ? in modo da fornire una spinta al treno 10 e causare quindi l?avanzamento dello stesso lungo i binari 100 su cui ? disposto. Come verr? illustrato in seguito, i suddetti getti di aria compressa provengono da una condotta di accumulo e distribuzione di aria compressa 60, compresa in un sistema di propulsione del treno, anch?esso oggetto della presente invenzione.

Preferibilmente, gli attivatori lamellari 19 della turbina 18 sono biconcavi, in modo da poter essere azionati da getti di aria compressa che arrivano da due direzioni opposte, permettendo al treno di ricevere una spinta dall?aria compressa sia quando avanza su una tratta in una direzione che quando avanza in direzione opposta.

Il treno 10, oltre a comprendere tradizionali ruote 13 folli e portanti, comprende due ruote aggiuntive 14, 15, una montata in testa e una montata in coda al treno, con assi disposti sostanzialmente orizzontalmente e parallelamente agli assi delle tradizionali ruote 13. Tali ruote aggiuntive 14, 15, che hanno una larghezza sostanzialmente pari alla massima larghezza del treno 10 (sono pertanto dei rulli con asse orizzontale) e sono disposte in modo da poggiare sui binari 100 e essere appena distaccate (preferibilmente meno di 1 mm) dal terreno su cui poggiano i binari 100. In tal modo, le ruote aggiuntive 14, 15 svolgono una funzione di barriera verso l?aria attraverso la quale si muove il treno durante il suo avanzamento, al fine di evitare che tale aria ostacoli i getti d?aria che azionano la turbina 18 del treno 10. Inoltre, tali ruote aggiuntive (o rulli) 14, 15 hanno preferibilmente diametro inferiore rispetto alle altre ruote 13 folli del treno 10. Vantaggiosamente, tali ruote aggiuntive (o rulli) 14, 15 svolgono anche una funzione stabilizzatrice e antideragliamento.

Il treno 10 ? dotato di una struttura portante, comprendente preferibilmente trafilati in titanio (non raffigurati), sulla quale ? fissata una carrozzeria, comprendente pannelli (non raffigurati), configurati per irrobustire meccanicamente la carrozzeria e diminuire drasticamente l?attrito con l?aria.

I suddetti pannelli sono ad esempio realizzati in duralluminio sul quale ? stato eseguito un etching elettrochimico ed una ossidazione con elettrolita a base acido borico, in modo da unire saldamente, per elevata pressione sulle superfici esposte e contrapposte di ciascun pannello, due strati di resina epossidica caricata con polvere di quarzo a granuli finissimi. I pannelli secondo l?esempio suddetto, oltre ad offrire un basso attrito col l?aria, sono leggeri, avendo un peso specifico di 1,97 kg/dm? (vantaggiosamente inferiore al peso specifico del duralluminio, pari a 2,7 kg/dm?).

Sul treno 10 sono montate una pluralit? di poltroncine (non raffigurate), ad esempio due file di cinquanta poltroncine, disposte preferibilmente lungo fiancate interne del treno. Ciascuna poltroncina ? dotata di cinghia di sicurezza e spalliera reclinabile, in modo che, durante la partenza del treno, il passeggero possa assicurarsi alla poltroncina e assumere una posizione quasi totalmente supina. Lo sviluppo in lunghezza totale di ciascuna poltroncina con spalliera reclinata ? preferibilmente di poco superiore ad un metro. Ciascuna spalliera ? inoltre preferibilmente dotata di due sporgenze semirigide, retraibili, configurate per mantenere ferme le spalle del passeggero. In particolare, in accordo con un utilizzo preferito del treno secondo l?invenzione, solo durante la partenza i passeggeri dovranno stare in posizione quasi

totalmente supina e con le spalle in contrasto sulle due sporgenze semirigide per reagire all?accelerazione trasmesso al treno da uno spintore a reazione 90 (come verr? descritto in seguito). Durante il resto del viaggio, le spalliere potranno essere alzate e le sporgenze retratte.

Preferibilmente, in accordo con l?invenzione, il rapporto tra la massa del treno 10 e la massa totale dei passeggeri e dei loro bagagli ? circa pari a 1. E? noto che nei treni ad alta velocit? convenzionali il suddetto rapporto ? molto maggiore (circa pari a 14), per motivi di sicurezza, ovvero nel caso si verifichino scontri frontali con altri treni o masse esterne oppure deragliamenti. Nel treno 10 secondo l?invenzione, tale rapporto pu? essere diminuito fino ad 1 eliminando le possibilit? che si verifichino i suddetti eventi avversai. Ci? potr? essere ottenuto facendo viaggiare un unico treno 10 per tratta, evitando passaggi a livello, utilizzando sistemi radar e prevedendo solo curve con ampio raggio di curvatura. Per evitare passaggi a livello o altri ostacoli lungo il percorso, l?intera tratta del treno 10 potr? essere costruita sollevata rispetto al terreno.

Con particolare riferimento alle Figure 2 e 5, il treno 10 ? dotato di sensori 16, ad esempio sensori induttivi o capacitivi, posti lateralmente, ad esempio agli estremi degli assi delle due ruote aggiuntive 14, 15, e configurati per rilevare la distanza rispetto a spallette 105, tipicamente in cemento armato, poste lateralmente ai binari 100. Qualora tali sensori 16 rilevino distanze anomale (ad esempio inferiori rispetto ad una soglia prefissata), il treno 10 ? configurato per arrestarsi.

Con riferimento alle Figure 5-7, un sistema di propulsione in accordo con una forma di realizzazione della presente invenzione comprende una stazione di produzione di aria compressa 30 e una condotta 60 di accumulo e distribuzione dell?aria compressa prodotta dalla stazione di produzione di aria compressa 30.

Con particolare riferimento alla Figura 7, la stazione di produzione di aria compressa 30 comprende un impianto solare termico a concentrazione di raggi solari 31, configurato per produrre vapore ad alta pressione, e una pluralit? di compressori 45, configurati per essere attivati dal vapore ad alta pressione prodotto dall?impianto solare termico e produrre aria compressa. I compressori 45 sono collegati alla condotta 60 di accumulo e distribuzione dell?aria compressa, la quale si estende lungo un?intera tratta percorsa dal treno 10 ed ? configurata per riceve l?aria compressa prodotta dai compressori 45 ed emetterla a favore del treno 10 quando questo percorre la suddetta tratta, in modo da fornire al treno stesso una forza di avanzamento tale da controbilanciare le resistenze che il treno incontra durante il suo avanzamento.

L?impianto solare termico a concentrazione di raggi solari 31 comprende una pluralit? di elementi captanti e riflettenti 32 e di rispettivi bollitori 35. Gli elementi captanti e riflettenti 32, ad esempio elementi parabolici, sono configurati per riflettere e concentrare raggi solari su rispettivi bollitori 35, in modo da trasformare acqua contenuta nei bollitori 35 in vapore ad alta pressione, ad esempio vapore saturo secco alla temperatura di 374? C e ad una pressione di 225 kg/cm2 (cio? temperatura e pressione del punto critico dell?acqua).

Preferibilmente, l?impianto solare termico ? collocato su una piattaforma galleggiante sul mare (non raffigurata), ad esempio circolare, posizionata nelle strette vicinanze di un litorale.

La piattaforma galleggiante ? preferibilmente configurata per ruotare attorno ad un suo asse, movimentata da un sistema di rotazione (non raffigurato). Il sistema di rotazione comprende una pluralit? di alette (non raffigurate), installate lungo tutta la periferia esterna della piattaforma, semisommerse in acqua durante l?uso. Tali alette sono orientabili e sono configurate, azionate dalle onde e dal vento, per far ruotare la piattaforma, preferibilmente di un angolo di 180?, in modo che il gli elementi captanti e riflettenti 32 possano ?inseguire? il sole da Oriente a Occidente, cos? da essere sempre rivolti in una direzione ottimale per la ricezione dei raggi solari.

Il sistema di rotazione della piattaforma comprende preferibilmente un sensore ottico (non raffigurato), ad esempio un sensore a fibra ottica, e un?unit? di controllo (non raffigurata), ad esempio un PLC. Quando il sensore ottico rileva una condizione di scarsa luminosit? solare, l?unit? di controllo d? il comando di disattivare un sistema frenante della piattaforma, in modo che la piattaforma possa ruotare fino a quando viene rilevata la massima luminosit? solare; in condizione di massima luminosit? solare, l?unit? di controllo ? configurata per riattivare il sistema frenante, impedendo cos? ulteriori rotazioni della piattaforma.

In alternativa, la piattaforma galleggiante pu? essere fatta ruotare per mezzo di un motore elettrico.

Il sistema di rotazione della piattaforma permette vantaggiosamente di incrementare la produttivit? dell?impianto solare termico a concentrazione di raggi solari 31 rispetto al caso in cui la piattaforma non ruoti.

Con particolare riferimento alla Figura 7, gli elementi captanti e riflettenti 32 e i rispettivi bollitori 35 della stazione di produzione di aria compressa 30 sono preferibilmente disposti in file, e i bollitori 35 di una medesima fila sono idraulicamente collegati tramite una rispettiva condotta di collegamento 40, a valle della quale ? presente un rispettivo compressore 45, configurato per ricevere in ingresso il vapore ad alta pressione prodotto nei bollitori 35 e produrre in uscita aria compressa.

Le condotte di collegamento 40 si uniscono, a monte, in una condotta di congiunzione di ingresso 44, che ? a sua volta collegata, a monte, ad un serbatoio 39 atto a contenere l?acqua da distribuire ai vari bollitori 35. Preferibilmente, la stazione di produzione di aria compressa 30 comprende inoltre una prima valvola 53, tra il serbatoio 39 e la condotta di congiunzione di ingresso 44, e una pluralit? di seconde valvole 54, una per ciascuna condotta di collegamento 40, disposte tra la condotta di congiunzione di ingresso 44 e il primo dei bollitori 35 di ciascuna fila.

Preferibilmente, l?ultimo tratto della condotta di collegamento 40 di ciascuna fila comprende, tra l?ultimo dei bollitori 35 e il rispettivo compressore 45, una terza valvola 55, ad esempio ad attivazione magnetica, con ugello, atta ad attivare il compressore 45 iniettando il vapore su una testata di un pistone del compressore.

Vantaggiosamente, l?acqua presente nel serbatoio 39 scorre autonomamente verso i bollitori 35 una volta che i rispettivi compressori 45 hanno ricevuto da questi il vapore ad alta pressione, per via della depressione presente in questo frangente nelle condotte di collegamento 40.

In accordo con la forma di realizzazione illustrata in Figura 7, nella stazione di stazione di produzione di aria compressa 30, gli elementi captanti e riflettenti 32 e i rispettivi bollitori 35 sono preferibilmente suddivisi in una prima unit? 31a e una seconda unit? 31b. Preferibilmente, quando i pistoni dei compressori 45 della prima unit? 31a sono in fase di spinta, i pistoni dei compressori 45 della seconda unit? 31b ritornano in configurazione di riposo, e viceversa, quando i pistoni dei compressori 45 della seconda unit? 31b sono in fase di spinta, i pistoni dei compressori 45 della prima unit? 31a tornano in configurazione di riposo. Ci? consente vantaggiosamente di evitare i tempi morti in cui un compressore non espelle aria compressa.

In accordo con la forma di realizzazione illustrata, i compressori 45 sono collegati, a valle, a rispettive condutture di uscita 47 che si uniscono in una conduttura di congiunzione 49, collegata, attraverso una valvola unidirezionale 56, alla condotta di accumulo e distribuzione 60. La valvola unidirezionale 56 permette di evitare il ritorno dell?aria compressa dalla condotta di accumulo e distribuzione 60 verso i compressori 45.

In accordo con una forma di realizzazione dell?invenzione, la condotta di accumulo e distribuzione 60 del sistema di propulsione comprende una pluralit? di spezzoni 61, preferibilmente realizzati in acciaio inox. La congiunzione tra spezzoni 61 successivi ? realizzata mediante valvole 62. Le valvole 62 sono, preferibilmente, valvole ad attivazione magnetica e sono comandate per essere aperte quando i rispettivi compressori 45 della stazione di produzione di aria compressa 30 sono in funzione, al fine di riempire l?intera condotta 60 di aria compressa alla pressione desiderata, e per chiudersi una volta che la condotta 60 ? stata completamente riempita con la suddetta aria compressa.

Con particolare riferimento alle Figure 5 e 6, ogni spezzone 61 della condotta di accumulo e distribuzione 60 ? collegato ad una rispettiva camera di emissione 63 per mezzo di una valvola di emissione 66. Ciascuna camera di emissione 63 ? dotata di una pluralit? di ugelli 65, rivolti verso l?ambiente esterno nel senso di avanzamento del treno 10.

La condotta di accumulo e distribuzione 60 ? configurata per rilasciare l?aria compressa contenuta in ciascuno dei suoi spezzoni 61, aprendo le valvole di emissione 66, solo in concomitanza col passaggio del treno 10, in modo tale che i getti di aria compressa che fuoriescono dagli ugelli 65 di ciascuna camera di emissione 63 vadano ad azionare gli attivatori lamellari 19 della la turbina 18 del treno 10.

Preferibilmente, gli ugelli 65 sono montati in modo girevole, cos? da poter essere ruotati (di circa 180?) e fornire, vantaggiosamente, i getti di aria compressa nel senso di avanzamento del treno sia quando questo percorre la tratta in una direzione che quando la percorre in direzione opposta.

Inoltre, preferibilmente, gli ugelli 65 possono essere regolati in modo da aumentare o diminuire il getto di aria compressa fornito in modo proporzionale al numero di passeggeri presenti sul treno 10. Infatti, con un numero minore di passeggeri e quindi con un peso minore da movimentare, il getto di aria compressa necessario per mantenere il treno a velocit? costante ? inferiore ed ? quindi possibile, diminuendo i getti, conservare negli spezzoni 61 una parte dell?aria compressa in essi contenuta, che potr? vantaggiosamente essere utilizzata per un successivo viaggio del treno 10.

In accordo con l?invenzione, l?aria compressa contenuta nella condotta di accumulo e distribuzione 60 e rilasciata a favore del treno 10 ha una pressione, preferibilmente compresa tra 190 e 210 kg/cm<2 >(tipicamente inferiore di qualche punto percentuale rispetto alla pressione del vapore, a causa dell?efficienza dei compressori e delle varie perdite di carico nella condotta 60), tale per cui la spinta fornita al treno in corrispondenza di ogni camera di emissione 63 controbilancia le forze di attrito che si oppongono all?avanzamento del treno stesso. In tal modo, il treno 10 continua ad avanzare ad una velocit? in media costante.

Vantaggiosamente, negli spezzoni 61 della condotta di accumulo e distribuzione 60 da cui, al passaggio del treno 10, ? stata gi? rilasciata l?aria compressa possono essere nuovamente riempiti di aria compressa fornita dai compressori 45 mentre il treno 10 sta ancora completando la sua tratta ricevendo aria compressa dagli spezzoni successivi, grazie al fatto che gli spezzoni 61 gi? svuotati possono essere separati da quelli ancora pieni mediante le valvole 62. In tal modo ? possibile cominciare a riempire di aria compressa la condotta di accumulo e distribuzione 60 per il successivo viaggio di ritorno del treno 10 lungo la medesima tratta, riducendo il tempo di attesa prima di detto viaggio di ritorno.

Con riferimento alla Figura 8, in accordo con una forma di realizzazione dell?invenzione, ciascun bollitore 35 comprende preferibilmente una nicchia sferoidale 36, atta a contenere acqua da trasformare in vapore e situata all?interno di una sfera in quarzo 37 che la separa dall?esterno. Inoltre, la condotta di collegamento 40 che collega i bollitori 35 disposti su una medesima fila nell?impianto solare termico ? preferibilmente formata da due tubazioni concentriche, di cui una tubazione esterna 41 ?, ad esempio, in quarzo e una tubazione interna 42 ?, ad esempio, in ceramica sinterizzata. La tubazione esterna 41 ? saldata per fusione alle suddette sfere 36 dei bollitori 35, ottenendo un corpo unico, mentre la tubazione interna 42, ad ogni tratto che unisce un bollitore 35 con il successivo, ? preferibilmente rivestita esternamente con uno strato di ottone all?alluminio (ad esempio depositato mediante processo di evaporazione CVD), in modo da saldare le zone terminali della condotta di collegamento 40 ai vari bollitori 35. L?interspazio tra le due tubazioni 41, 42 ? preferibilmente riempito da un isolante termico 43, ad esempio schiuma ceramica (Zicofoam) resistente fino alla temperatura di 1200 ?C e particolarmente sigillante, cos? da non avere perdita di vuoto all?interno delle sfere 37 dei bollitori 35.

I bollitori 35 sono preferibilmente posti in corrispondenza del fuoco dei rispettivi elementi captante e riflettente 32 ed hanno una porzione 38 direttamente affacciata verso l?elemento 32 che ha preferibilmente geometria circolare e concava e sulla quale ? preferibilmente depositato, con un processo di evaporazione, uno strato di allumino sottoposto a trattamento elettrolitico a base borica e con una tensione tale da ossidarlo con una colorazione grigio scuro, per avere un potere di assorbimento termico pari a 0,7-0,8.

In accordo con un?ulteriore forma di realizzazione dell?invenzione, il sistema di propulsione comprende inoltre un impianto a combustione (non raffigurato) configurato per fornire calore ai bollitori 35, ad esempio tramite un fornello 80 che ? associato alla condotta di collegamento 40 che collega i bollitori 35 e che ? collegato ad uno scambiatore di calore 81 posto all?interno di ciascun bollitore 35. Lo scambiatore di calore 81 ? ad esempio costituito da un pacco di spire toroidali, come mostrato in Figura 8. L?impianto a combustione ? alimentato da una miscela contenente idrogeno e ossigeno. In particolare, l?ossigeno della miscela ? ad esempio ottenuto prelevando aria. In questo caso, poich? l?aria contiene, oltre che ossigeno, anche altri elementi, il potere calorifero dell?idrogeno sar? quello inferiore (p.c.i. = 10285 Cal/kg).

Vantaggiosamente, l?impianto a combustione ? attivato in condizioni di scarsa o assente luminosit? solare, in sostituzione dell?impianto solare termico o insieme a quest?ultimo, per produrre il vapore ad alta pressione all?interno dei bollitori 35.

In accordo con un?ulteriore forma di realizzazione dell?invenzione, il sistema di propulsione comprende inoltre, uno spintore a reazione (o razzo) 90 configurato per far partire il treno 10, dandogli la spinta iniziale.

Preferibilmente, lo spintore 90 ? configurato per portare il treno 10 a pieno carico ad una certa velocit? desiderata nell?unit? di tempo, ad esempio a 200 km/h, in uno spazio preferibilmente pari alla lunghezza di uno spezzone 61 della condotta di accumulo e distribuzione 60. Dopo aver fatto ci?, lo spintore a reazione 90 ? configurato per sganciarsi dal treno 10, per totale consumo del suo propellente, che ? preferibilmente una miscela di idrogeno e ossigeno puro, con un potere calorifero superiore pari a 12167 Cal/kg.

Lo spintore 90 ha preferibilmente una forma concava, complementare a quella della porzione frontale 11 o 12 del treno 10 ed ? sorretto ad una struttura portante, fissa, configurata per guidare il suo avanzamento nella direzione desiderata. Preferibilmente, lo spintore 90 comprende dei bracci 91 alle cui estremit? sono montate in modo girevole delle ruote 92 atte a scorrere su binari 93 della struttura portante.

Lo spintore a reazione 90 viene adoperato non come i sistemi dei motori a combustione interna; infatti, a differenza di quanto avviene in tali motori, non ? presente una presa d?aria per ossigenare l?idrogeno per ottenere la combustione, poich? l?ossigeno ? gi? presente al suo interno come combustibile.

Preferibilmente, il sistema di propulsione comprende due spintori 90 come sopra descritti, collocati alle due estremit? della tratta da percorrere, ed eventuali ulteriori spintori in corrispondenza di fermate intermedie lungo la tratta, se previste.

In alternativa, il treno ? dotato di convenzionali organi di trazione, ad esempio organi di trazione elettrica, per partire e raggiungere la velocit? desiderata.

Viene di seguito fornito, a titolo illustrativo e non limitativo, un esempio realizzativo del sistema secondo l?invenzione.

Esempio

In un esempio realizzativo dell?invenzione, ? previsto che il treno 10 percorra una singola tratta, alternativamente in una direzione di andata e di ritorno. Tale tratta collega due citt? distanti circa 200 km, ad esempio Cagliari e Sassari oppure Palermo e Siracusa. Essendoci un unico treno per tratta, non ci sono rischi di collisione fra treni sullo stesso binario. Il treno 10 percorre la suddetta tratta ad una velocit? massima pari a 200 km/h (cio? 55,55 m/s), quindi in un tempo di circa un?ora.

Il treno 10 ? in grado di trasportare un numero massimo di cento passeggeri, pi? una persona di servizio. Considerando un peso medio, per persona, di 69,2 kg e che a ciascun passeggero ? consentito un bagaglio di peso non superiore a 5 kg, il peso totale ? quindi 6989 505 = 7500 kg.

In virt? del fatto che, come sopra illustrato, il rapporto tra la massa del treno 10 e la massa totale dei passeggeri e dei loro bagagli ? circa pari a 1, il treno 10 ha una massa non superiore a 7500 kg. La massa totale del treno a pieno carico non supera quindi le 15 tonnellate.

Il treno 10 comprende due coppie di ruote folli 13, realizzate in titanio rivestito con lamina in acciaio e aventi peso pari a 120 kg. Tali ruote hanno un diametro pari a 1 m. Il diametro degli assi delle coppie di ruote ? pari a 70 mm. Il diametro dei quattro cuscinetti posti tra gli assi e le ruote ? pari a 100 mm. Il peso dei due assi delle due coppie di ruote folli ? pari a 100 kg.

Il treno 10 ha una sezione trasversale pari a 2,8 m<2 >e le sue due zone frontali (profilo aerodinamico di tipo ?Airfoil? o ?Bullet?) hanno un coefficiente di resistenza di forma pari a 0,17.

Nel seguito vengono illustrate le resistenze all?avanzamento del treno, che vengono suddivise in resistenze ordinarie e accidentali.

Le resistenze accidentali sono particolarmente contenute. Infatti, ad esempio, la forza centrifuga con la relativa attiva forza centripeta di contrasto alla centrifuga, ? da ritenersi quasi inesistente se le curve lungo la tratta hanno elevati raggi di curvatura. La resistenza accidentale pi? significativa ? la resistenza di inerzia, che, da calcoli effettuati, non supera il 2,25% della sommatoria delle resistenze all?avanzamento ordinarie.

Le resistenze all?avanzamento ordinarie sono:

- resistenza aerodinamica,

- resistenza per attrito tra superficie esterna del treno e aria,

- resistenza dovuta ai vortici nel retro del treno,

- resistenza per attrito volvente,

- resistenze per attrito tra i perni degli assi delle ruote e i cuscinetti.

Tra le suddette resistenze all?avanzamento ordinarie, quella da ritenersi pi? significativa quando si ha una velocit? sostenuta ? quella aerodinamica. La resistenza aerodinamica ? condizionata dalla forma geometrica della zona frontale del treno, che, come detto, ha un coefficiente di resistenza di forma (Crf) pari 0,17.

Per un treno come quello dell?esempio qui illustrato, la resistenza aerodinamica ? pari a circa 49 kW, quella per attrito volvente ? pari a circa 10 kW e quella per attrito tra perni e cuscinetti ? pari a circa 35 kW.

Strettamente legata alla resistenza aerodinamica, vi ? la resistenza dovuta all?attrito tra le pareti esterne del treno e l?aria, frutto della viscosit? dell?aria stessa, e la resistenza dovuta alla formazione di vortici nel retro del treno. Orientativamente, nel caso di treno che viaggia alla velocit? di 200 km/h e ha una carrozzeria lucidata in duralluminio, la resistenza per attrito con l?aria e per i vortici ? circa il 20% della resistenza aerodinamica. Nel caso in cui la carrozzeria, come sopra illustrato, ? in duralluminio ricoperto di resina epossidica caricata con polvere di quarzo a granulometria extra fine, il suddetto 20% si riduce al 16,0%. Per quanto sopra, la resistenza all?avanzamento per attrito e per i vortici ? circa pari a 8 kW.

La resistenza all?avanzamento totale, data dalla resistenza accidentale e dalle resistenze ordinarie sopra quantificate, ? pari quindi a circa 120 kW.

Considerando un?efficienza delle fasi operative e produttive del sistema di propulsione pari a circa il 16%. Il suddetto valore di efficienza del sistema di propulsione ? dato da:

- efficienza dovuta all?attrito dell?aria lungo la condotta di accumulo e distribuzione: 98%,

- efficienza dei compressori: 35%,

- efficienza dovuta alle perdite nelle tubazioni del vapore e nella condotta di accumulo e distribuzione: 91%,

- efficienza della turbina lineare del treno: 52%,

- judgment: 98%.

L?efficienza totale del 16% si scompone in una efficienza produttiva pari al 31% e di una efficienza operativa pari al 51%.

In virt? della suddetta efficienza totale del sistema di propulsione, a fronte di una resistenza all?avanzamento pari a 120 kW, l?energia unitaria da produrre per controbilanciare tale resistenza ? pari a 750 kW.

Un tale valore di energia pu? essere fornito tramite un insieme di circa ventotto elementi captanti e riflettenti 32 a conformazione parabolica, con una superficie totale pari a circa 1200 m2, considerando che la potenza fornita dal sole su una superficie piana di 1 m? con potere assorbente ideale il pi? vicino possibile ad 1 e che abbia una coibentazione verso l?esterno la pi? efficiente possibile ? pari a 0,62 kW/m?. Da, calcoli, effettuati, tale valore di potenza fornita dal sole nell?impianto solare termico risulta possibile grazie all?aumento di produttivit? del 17% ottenuta grazie al sistema di rotazione della piattaforma galleggiante sulla quale l?impianto ? installato.

In virt? di quanto sopra, ogni elemento parabolico 32 dovrebbe quindi possedere una superficie di circa 33 m? e avere un diametro pari a circa 6,5 m. Tuttavia, un diametro parabolico cos? grande potrebbe apportare una serie di inconvenienti, tra i quali il pericolo che, in condizioni di vento eccessivo, gli elementi parabolici 32 possano essere divelti o possano sollecitare eccessivamente la piattaforma galleggiante. Inoltre, i compressori 45 dovrebbero avere un volume tale da richiedere una meccanica costruttiva altamente complessa.

Per ovviare ai problemi di cui sopra, ? possibile incrementare il tempo produttivo passando da un?ora a tre ore, senza incontrare inconvenienti di carenza di

soleggiamento, che rimane altamente attivo se si opera, ad esempio, dalle ore 10,00 alle ore 16,00 in zone calde come l?Italia meridionale, dimensionando il sistema di propulsione in modo da fornire un?energia unitaria pari a 250 kW, cio? un terzo dell?energia unitaria totale necessaria sopra menzionata.

Con tale nuovo valore di potenza fornita dal sole, gli elementi captanti e riflettenti parabolici 32 dovrebbero avere una superficie totale di circa 400 m2. Considerando di avere il medesimo numero di ventotto elementi parabolici, ognuno di tali elementi dovrebbe avere un diametro pari a circa 4 m.

Al fine di eliminare i tempi morti dovuti in cui un compressore non espelle aria compressa, come spiegato in precedenza, l?impianto solare termico a concentrazione di raggi solari 31 comprende due unit? 31a, 31b ciascuna comprendente ventotto elementi 32 che lavorano in serie. Gli elementi parabolici 32 di ciascuna unit? 31a, 31b sono preferibilmente disposti in quattro file di sette elementi 32 a contatto l?uno con l?altro, per una lunghezza di ciascuna fila pari a circa 28 m. Ciascuna fila ? inoltre opportunamente distanziata dalle altre per non subire ombreggiamento.

Considerando che ciascuna fila ? associata ad un rispettivo compressore 45, per ogni fila di elementi parabolici 32 occorre aggiungere la lunghezza di tale compressore.

Considerando quanto sopra, la piattaforma galleggiante sulla quale ? installato l?impianto solare termico ha un diametro di circa 35 m, per una superficie massima di circa 960 m?.

Nell?ottica di ridurre i tempi morti, come detto in precedenza ? possibile cominciare a riempire di aria compressa la condotta di accumulo e distribuzione 60 per il successivo viaggio di ritorno del treno 10 lungo la medesima tratta. Poich? il viaggio del treno secondo il presente esempio dura circa un?ora, il tempo di attesa tra la fine del viaggio di andata e l?inizio del viaggio di ritorno pu? essere ridotto di un?ora, passando quindi da tre ore (cio? il tempo produttivo sopra ipotizzato) a due ore.

Per quanto riguarda i bollitori 35, ciascuno di essi comprende una nicchia, preferibilmente sferoidale, realizzata in ottone all?alluminio sinterizzato e collocata all?interno di una sfera di quarzo ad altissima trasparenza, tra le sfere in quarzo e i rispettivi bollitori essendo eseguito del vuoto spinto per ottenere una coibentazione ideale. La sinterizzazione dei bollitori conferisce vantaggiosamente alla superficie interna di questi una certa accentuata porosit?, che aiuta lo scambio di calore verso l?acqua (acqua deionizzata) da trasformare in vapore saturo secco. La composizione dell?ottone all?alluminio ? preferibilmente: rame 77,5%, argento 2%, zinco 20%, altri 0,5%. Il punto di fusione ? di 935 ?C, il peso specifico pari a 8,3 kg/dm? e il calore specifico pari a 0,9 Cal/kg ?C.

Da calcoli effettuati, risulta che per un fabbisogno di 180 Cal (corrispondenti ai 750 kW sopra menzionati) sono necessari 0,36 dm<3 >di acqua deionizzata da trasformare in vapore saturo secco alla temperatura di 374 ?C e alla pressione di 225 kg/cm<2 >per ciascun elemento parabolico per un ciclo operativo di 90 secondi, il che si traduce in una quantit? totale di acqua deionizzata, in un processo di durata di tre ore, pari a circa 1300 litri, forniti tramite il serbatoio 39 collegato a monte delle condotte 40.

In ciascuna nicchia 36 dei trenta bollitori 35 ? contenuto quindi un volume di 0,36 dm? di acqua deionizzata. Ciascuna nicchia ha un raggio pari a circa 0,44 dm. Considerando che la nicchia 36 abbia uno spessore di parete pari a 3 mm, si ottiene che il raggio esterno della suddetta nicchia sferoidale 36, in ottone all?alluminio, ? circa pari a 0,47 dm, da cui si ottiene, a sua volta, che tale nicchia ha un peso di 0,66 kg. In virt? di ci?, le calorie richieste dal bollitore 35 per raggiungere la temperatura di 374 ?C sono circa 220 Cal. Essendo il p.c.i. (potere calorifero inferiore) dell?idrogeno pari a 10285 Cal/kg, per portare a regime il bollitore occorreranno circa 22 g di idrogeno per ogni elemento parabolico 32, per un totale, per un?intera unit? 31a o 31b di elementi parabolici 32, di circa 650 g di idrogeno, da impiegare nella fase iniziale e in ognuno dei 120 cicli operativi di 90 s ciascuno contenuti nelle tre ore totali di funzionamento.

Per quanto riguarda i compressori 45 della stazione di produzione di aria compressa 30, i loro pistoni sono formati da cinque parabole ad attivazione seriale, realizzate in porcellana sinterizzata (silicio/tungsteno/allumina), corredati da due coppie di fasce elastiche posizionate alle due estremit? dei rispettivi cilindri dei pistoni e realizzate in Cr ? Si, UNI 52 SC 5. Le testate dei pistoni, a geometria concava, sulle quali il vapore impatta alla temperatura di 374?C e pressione di 225 kg/cm?, sono configurate per evitare di trasferire il calore verso l?interno del cilindro dei pistoni e sono resistenti alla pressione. Per tale scopo, le testate dei pistoni sono ad esempio realizzate in uno strato rigido in porcellana sinterizzata rivestito con uno strato esterno di materiale silico-alluminoso. I cilindri dei pistoni sono preferibilmente realizzati in acciaio resistente alla corrosione e all?alta temperatura (ad esempio Cr-Ni-Mo, UNI X 10 CN D 188). Da calcoli effettuati, il diametro dei cilindri ? pari a circa 2,4 m.

I tre compressori di una unit? lavorano serialmente e dopo 120 cicli operativi, della durata di 90 s, riempiono totalmente la condotta di accumulo e distribuzione in acciaio con aria alla pressione di 200 kg/cm? (il passaggio da 225 kg/cm? del vapore saturo secco a 200 kg/cm? dell?aria compressa ? dovuto all?efficienza dei compressori e alle varie perdite di carico nella condotta). La condotta di accumulo e distribuzione 60 si estende per l?intera lunghezza della tratta del treno, circa 200 km, e, da calcoli effettuati sulla base della sopra menzionata efficienza operativa del 51%, ha un diametro di circa 17 mm. Una volta avvenuto il riempimento della condotta di accumulo e distribuzione 60, un?unit? di controllo ? configurata per chiudere le valvole 62 presenti tra uno spezzone 61 e l?altro della condotta 60, ciascuno di lunghezza ad esempio pari a circa 55 m, per un totale di 3600 spezzoni. Le valvole 62 sono, ad esempio, valvole ad attivazione magnetica.

Con il sistema secondo il presente esempio, l?energia nell?unit? di tempo fornita da ogni spezzone 61 della condotta 60 al treno 10 ? pari a 120 kW.

Infine, in merito allo spintore a reazione 90, ipotizzando che esso abbia un peso di circa 500 kg e che il treno a pieno carico, come detto, abbia un peso di circa 15 tonnellate, per far raggiungere al treno una velocit? di 200 km/h lo spintore dovr? essere alimentato con circa 5 kg di propellente (costituito, come detto, da una miscela di idrogeno e ossigeno).

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Treno (10) comprendente una turbina (18), montata esternamente al treno (10), configurata per essere azionata da getti di aria compressa, cos? da fornire una spinta al treno (10) tale da determinarne l?avanzamento controbilanciando almeno in parte resistenze che si oppongono all?avanzamento del treno stesso.

2. Treno (10) secondo la rivendicazione 1, in cui la turbina (18) ? montata sotto una pancia inferiore dello stesso e comprende una pluralit? di attivatori lamellari (19), fissi, concavi verso una direzione dalla quale arrivano i getti di aria compressa.

3. Treno (10) secondo la rivendicazione 1 o 2, comprendente almeno una ruota aggiuntiva (14, 15) montata in una porzione frontale (11, 12) del treno (10) e avente una larghezza sostanzialmente pari ad una larghezza massima del treno, detta ruota aggiuntiva (14, 15) essendo montata in modo da essere appena distaccata dal terreno su cui poggiano binari (100) su cui ? disposto il treno (10).

4. Treno (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre sensori (16) posti lateralmente al treno (10) e configurati per rilevare la distanza rispetto a spallette (105) poste lateralmente a binari (100) su cui avanza il treno (10), il treno (10) essendo configurato per arrestarsi qualora tali sensori (16) rilevino distanze anomale.

5. Sistema di propulsione per un treno (10) secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, detto sistema comprendendo:

- una stazione di produzione di aria compressa (30), e

- una condotta di accumulo e distribuzione (60) dell?aria compressa prodotta da detta stazione di produzione di aria compressa (30),

in cui detta condotta di accumulo e distribuzione (60) ? divisa in una pluralit? di spezzoni (61) in serie, collegati gli uni agli altri da valvole (62), dette valvole (62) essendo configurate per essere aperte per consentire il riempimento dell?intera condotta di accumulo e distribuzione (60) con l?aria compressa prodotta dalla stazione (30) alla pressione desiderata, e per chiudersi una volta che la condotta di accumulo e distribuzione (60) ? stata completamente riempita con detta aria compressa, ogni spezzone (61) della condotta di accumulo e distribuzione (60) essendo collegato ad una rispettiva camera di emissione (63), per mezzo di una valvola di emissione (66), ciascuna camera di emissione (63) essendo dotata di una pluralit? di ugelli (65), rivolti verso l?ambiente esterno nel senso di avanzamento del treno (10),

la condotta di accumulo e distribuzione (60) essendo configurata per rilasciare l?aria compressa contenuta in ciascuno dei suoi spezzoni (61), aprendo la rispettiva valvola di emissione (66), solo in concomitanza col passaggio del treno (10) in corrispondenza di ciascuno spezzone (61), in modo tale che i getti di aria compressa che fuoriescono dagli ugelli (65) delle camere di emissione (63) vadano ad azionare una turbina (18) del treno (10), fornendo al treno (10) una spinta che ne determina l?avanzamento.

6. Sistema secondo la rivendicazione 5, in cui la stazione di produzione di aria compressa (30) comprende:

- un impianto solare termico a concentrazione di raggi solari (31), configurato per produrre vapore ad alta pressione, e

- una pluralit? di compressori (45), configurati per ricevere in ingresso detto vapore ad alta pressione e produrre in uscita detta aria compressa.

7. Sistema secondo la rivendicazione 5 o 6, in cui l?impianto solare termico a concentrazione di raggi solari (31) comprende, montati su una piattaforma galleggiante sul mare, una pluralit? di elementi captanti e riflettenti (32) configurati per riflettere e concentrare raggi solari su rispettivi bollitori (35), in modo da trasformare acqua contenuta in detti bollitori (35) in vapore ad alta pressione.

8. Sistema secondo la rivendicazione 7, in cui detta piattaforma galleggiante ? provvista di un sistema di movimentazione configurato per far ruotare la piattaforma in modo da rivolgere detti elementi captanti e riflettenti (32) in una direzione ottimale per la ricezione dei raggi solari.

9. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 8, in cui detta stazione di produzione di aria compressa (30) comprende inoltre:

- un impianto a combustione, alimentato da una miscela contenente idrogeno e ossigeno, configurato per produrre vapore ad alta pressione, e

- una pluralit? di compressori (45), configurati per ricevere in ingresso detto vapore ad alta pressione prodotto da detto impianto a combustione e produrre in uscita detta aria compressa.

10. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 5 a 9, comprendente inoltre uno spintore a reazione (90), alimentato con una miscela di idrogeno e ossigeno, configurato per imprimere una spinta iniziale al treno (10), fino a portarlo ad una determinata velocit?.