ITBG20090002A1 - Motore a vapore d'acqua a bassa pressione. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell'invenzione con titolo “ MOTORE A VAPORE A BASSA PRESSIONE ”

Il motore a vapore a bassa pressione ( Tav, I ) usa il vapore d’acqua come mezzo per trasferire l’energia, prelevata da una sorgente di calore, ;ad una turbina accoppiata con un utilizzatore. Il principio di funzionamento è semplice: il vapore d’acqua all’ interno di un serbatoio chiuso se riscaldato tende ad espandersi, e se non può espandersi mette il serbatoio in pressione. Se i serbatoi sono due, contenenti vapore ed acqua e collegati tra loro nella parte inferiore, e uno di essi è in pressione, l’acqua che contiene si trasferisce verso l’altro ( Tav. Ili ).

Mandando poi in sovrappressione quest’ultimo, mentre il vapore nel primo si raffredda, si ha il ritorno dell’acqua al primo serbatoio ( Tav. IV).

La sovrappressione nel Tuno o nel'altro sì ottiene dunque introducendo vapore a temperatura più alta ora nell’ uno ora nell’ altro serbatoio.

La corrente d’acqua viene resa unidirezionale da un alimentatore a ponte G, e più costante da uno stabilizzatore idraulico, e poi trasformata in energia motrice da una turbina.

La tabella di Mollier del vapore d’acqua saturo dice che scaldando l’acqua alla temperatura di 100° si ottiene vapore alla pressione assoluta di 1 kg/cm<2>, e a 120° di 2 kg/cm<2>.

Se il vapore nei due serbatoi è alle citate temperature, la differenza di pressione tra di essi è di 1 kg/cm<2>( pari ad un salto idraulico di IO m ), e spinge l’acqua dall’ uno all’altro.

Come si vede ( Tav. II );

- il motore è un monoblocco composto da due serbatoi A e B di eguale volume, con sezione a corona circolare, concentrici a un camino che è parte superiore del recipiente RC dove si produce il vapore a 120°, temperatura prefissata da un termostato, grazie al calore prodotto da una combustione esterna, o recuperato da processi industriali, o solare, o della più varia origine ( geotermica, biologica, ece., ecc. ).

Va però precisato che sia il recipiente RC sia ì serbatoi possono essere installati separati e che Γ esecuzione monoblocco non è tassativa, pur essendo la migliore.

- il monoblocco, i serbatoi A e B ed il recipiente RC sono in acciaio inox e isolati verso l’esterno per ridurre al minimo le perdite di calore ( linee trateggiate esterne in Tav. I ). - ogni serbatoio si divide in due zone : una zona vapore e una zona acqua, di eguale volume e concentriche, con sezione a corona circolare, divise da una parete metallica, ma tra di loro comunicanti perchè detta parete divisoria è più corta di 1 cm nell'ultimo trato più alto. - i serbatoi sono collegati per mezzo della coppia di elettrovalvole v , x e della coppia w , y al recipiente RC dove sì ha la produzione di vapore ( Tav. 1 ).

L’alimentatore G è formato da 4 valvole di ritegno collea secondo lo schema di un ponte dì Graetz: serve a raddrizzare la corrente d’acqua per renderla utilizzabile dalla turbina.

Le valvole di ritegno, dello stesso diametro dei tubi, non devono dare luogo a perdite di carico significative; possono anche essere elettrovalvole comandate elettricamente in sintonia con le elettrovalvole del vapore.

Lo stabilizzatore idraulico S serve a rendere la portata d’acqua più costante.

Alternando apertura e chiusura delle v, x e w, y si ha un moto alternato delTacqua tra ì due serbatoi, che reso unidirezionale permette di produrre energia motrice ( Tav. Ili e IV ), Nell’ intervallo di tempo di una fase si deve dunque avere il riscaldamento a 120° del vapore di uno dei due serbatoi ed il contemporaneo raffreddamento a 100° del vapore dell’ altro.

Per evitare che il vapore a 120° provochi l’evaporazione delTacqua sottostante si può ricorrere ad uno strato di qualche cm di olio diatermico, insolubile in acqua, che si comporti come uno scudo termico anche nelle fasi più lunghe.

Il sottile velo d’olio che resta sulla lamiera divisoria lasciata dall’acqua quando cala il livello a causa del gas che entra, riduce le perdite di calore e mantiene la temperatura vicina ai 120°, Per ottenere i 120° si può modulare il calore in entrata ed aumentare l'isolamento.

Π raffreddamento può essere ottenuto invece da una superficie di dispersione ampia, con un elevato coefficente di conduzione.

Lo favoriscono il monoblocco, con una maggiore superficie di contatto vapore- metallo-acqua, e l’aumento del livello dell<*>acqua, causato dall’acqua che proviene dall’altro serbatoio.

Per aumentare la superficie di contatto si possono anche usare pareti divisorie di disegno più sofisticato, ovvero grecate, ondulate o bugnate.

Il raffreddamento non deve però essere eccessivo, tale da portare alla condensazione il vapore. L'ingresso del vapore nel serbatoio A spinge l’acqua in B dove aumenta il livello dell’acqua, che potrebbe tracimare nella zona vapore: un controllo di livello deve chiudere l’elettrovalvola v di ingresso del vapore in A prima che ciò avvenga.

Si supponga ora di realizzare il motore a vapore con serbatoi di volume pari a 4 m<3>, di cui all’ inizio 3 m sono riservati al vapore e I m all’acqua, e un recipiente RC completo di tubi di collegamento, che abbia un volume complessivo mimmo di 6 m\

L'altezza del motore è di 2 m e ciascuna zona dei serbatoi ha una sezione pari a 1,00 m<2>. Il serbatoio A ha i diametri: esterno 2,50 m , intermedio 2,25 in , interno 1,90 rii Il serbatoio B ha i diametri: esterno 1,80 m , intermedio 1,40 m , interno 0,00 m

Il recipiente RC ha il diametro esterno 2,60 m e un’altezza di 1,20 m

Lo spessore delle lamiere è di circa 5 mni con pressione di lavoro pari a 1 kg/cm<2>.

Le dimensioni ovviamente approssimate sono deducibili dalia Tav 1 in scala 1 : 25

Le fasi dì lavoro previste sono ( Tav. V ) :

0 - è la fase prima dell’avviamento: tutte le elettrovalvole sono chiuse e l’acqua nel recipiente RC riceve il calore e si porta alla temperatura di 120° : si forma il vapore a 2 kg/cm<2>. La pressione assoluta in ambedue i serbatoi è invece di 1 kg/cm<2>( Tav. V fase 0 ) 1 - 11 serbatoio A è a temperatura ambiente: un termostato apre le elettrovalvole v, x ; le w, y restano invece chiuse.

Il geto di vapore non deve investire l’acqua direttamente per evitare turbolenze e perdite di calore a detrimento del rendimento.

Il riscaldamento nel serbatoio A ha inizio ed il vapore raggiunge la temperatura di 120° che viene mantenuta costante.

Infatti il vapore che perdesse calore circola per convenzione atraverso la valvola x , toma nel recipiente RC , dove si riporta a 120° , e rientra in A mantenendo la temperatura. L’acqua spinta dal vapore esce dalla tubazione m, raggiunge Γ alimentatore, l’accumulatore e la turbina, e attraverso la tubazione n d serbatoio B ove il livello si alza sino a occupare tutta la zona acqua ( Tav, V fase 1 ).

II controllo di livello posto in B chiude le elettrovalvole v, x ponendo fine all’ingresso del vapore in A prima che tracimi l’acqua.

2 - Il serbatoio B e a temperatura ambiente uii termostato apre le elettrovalvole w, y ; restano chiuse le x, v.

Il getto di vapore non deve investire l’acqua direttamente per evitare turbolenze e perdite di calore a detrimento del rendimento.

II riscaldamento nel serbatoio B ha inizio èd il vapore raggiunge la temperatura di 120° che viene mantenuta costante.

Infatti il vapore che perdesse calore circola per convenzione atraverso la valvola y , toma nel recipiente RC dove si riporta a 120° e rientra in B , mantenendo la temperatura. L’acqua spinta dal vapore esce dalla tubazione n , raggiunge F alimentatore, F accumulatore e la turbina, e atraverso la tubazione m il serbatoio A ove il livello sì alza sino a occupare tuta la zona acqua ( Tav. V fase 2 ).

Il controllo di livello posto in A chiude le elettrovalvole w, y ponendo fine all’ ingresso del vapore in B prima che tracimi l’acqua.

3 - Il serbatoio A è a 100° : un termostato apre le elettrovalvole x, v ; restano chiuse le w, y.

Si ripete tutto come in fase 1 ( Tav. V fase 3 ) ; anche le successive fasi si ripetono eguali. Riassumendo si può descrivere ciò che accade in questo modo:

- a elettrovalvole aperte il vapore a 120° e a 2 kg/cm<2>entra in un serbatoio e spinge Γ acqua neiraltro serbatoio, dove comprime il vapore presente a 100° e a 1 kg/cm<2>con la forza F dovuta alla differenza di pressione, riducendone il volume da 4 m<3>a 2 m<3>,

11 lavoro idraulico disponibile, è pan al prodotto del peso del volume di acqua P trasferita per il salto medio H/2 , essendo :

La quantità di calore necessaria per mantenere a 120° il recipiente RC dipende dalla qualità della coibentazione del recipiente e dalla durata di una fase.

Per avere la potenza bisogna dividere il lavoro idraulico disponibile per il tempo di durata di una fase, che dipende dalla resistenza del circuito e dal carico.

Aumentando le pressioni di lavoro, sempre però con rapporto tra le pressioni di 2 : 1 si può ottenere un aumento della potenza del motore; ad esempio :

4 kg/cm<2>( 143 ° ) e 2 kg/cm<2>( 120 ° ) la potenza si raddoppia

6 kg/cm<2>( 158 ° ) e 3 kg/cm<2>( 133 ° ) la potenza si triplica

8 kg/cm<2>( 170 ° ) e 4 kg/cm<2>( 143 ° ) la potenza si quadruplica

e così via.

Sarà perciò necessario adeguare la struttura del motore alle nuove sollecitazioni e prevedere le opportune valvole di sicurezza sul recipiente RC per evitare pericolose sovrapressioni.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI Richiamando il contenuto della descrizione e del riassunto si rivendicano come oggetto della esclusiva brevettuale i seguenti punti: punto 1: il motore a vapore d’acqua che sfrutta l’espansione del vapore nei serbatoi per produrre il movimento alternato di acqua tra gli stessi ( Tav. I , III e IV ). 11 motore è un monoblocco che comprende i serbatoi concentrici ed i collegamenti. La rivendicazione riguarda il motore anche in esecuzione non monoblocco, ma con il recipiente RC e i serbatoi separati collegati a costituire rimpianto. Il recipiente RC ed i serbatoi possono anche avere una forma diversa. La rivendicazione riguarda non solamente la grandezza che è stata portata ad esempio, ma copre tutte le grandezze di motori di qualsiasi potenza, punto 2; l’uso di uno strato di qualche cm di olio diatermico per evitare che l'acqua a contatto col gas caldo vaporizzi : l’olio deve galleggiare, essere insolubile in acqua, resistere a l’alta temperatura di lavoro anche nelle fasi più lunghe, avere un alto calore specifico e un basso coefficiente di conducibilità termica, e deve comportarsi come un efficace scudo termico galleggiante. punto 3: ralimentatore idraulico formato da 4 valvole di ritegno collegate tra di loro come lo schema di un ponte di Graetz e serve a raddrizzare la corrente d’acqua per renderla adatta ai fini della produzione di energia motrice. Le valvole devono avere lo stesso diametro della tubazione e non devono essere causa di perdite di carico significative; possono essere sostituite da elettrovalvole comandate in sintonia con le elettrovalvole del vapore.