ITBO20120120A1 - Motore volumetrico con energia termica fornita dall'esterno - Google Patents

Description

MOTORE VOLUMETRICO CON ENERGIA TERMICA FORNITA

DALL’ESTERNO

DESCRIZIONE DELL’INVENZIONE

È noto che il motore STIRLING à ̈ un motore volumetrico a ciclo rigenerativo al quale il calore à ̈ fornito dall’esterno.

Tale motore funziona a ciclo chiuso e il fluido termodinamico utilizzato à ̈ costituito da un gas, solitamente aria, azoto; nelle versioni ad elevato rendimento viene utilizzato elio o idrogeno.

Nel motore STIRLING sono definibili un punto caldo e un punto freddo; al raggiungimento di una prefissata differenza di temperatura tra detti punti, si instaura una pulsazione ciclica (opportunamente innescata all’inizio) che perdura in conseguenza del mantenimento di detta differenza di temperatura, il che à ̈ attuato fornendo calore al punto caldo e sottraendone al punto freddo.

La suddetta pulsazione ciclica consente di attivare un organo meccanico, ad esempio un albero che trascina in rotazione un idoneo attuatore.

Il motore STIRLING funziona senza utilizzare valvole; le sole parti in movimento sono lo stantuffo di potenza e lo stantuffo dislocatore azionati in idonea relazione di fase.

Altri aspetti vantaggiosi del motore STIRLING derivano sia dalla sua bassa manutenzione, conseguente al fatto che le parti maggiormente riscaldate dal calore non essendo a contatto con le parti mobili (pistoni, cuscinetti) risultano poco sollecitate, così come i lubrificanti utilizzati in tali parti mobili, sia dallo sfruttamento di qualsiasi fonte di calore disponibile; vantaggiosamente può essere utilizzata la

 

radiazione solare, concentrata sul punto caldo secondo sistemi noti (es.: specchi parabolici) per produrre la citata differenza di temperatura tra i punti caldo e freddo.

La presente invenzione concerne un particolare tipo di motore STIRLING, più precisamente quello provvisto di rigeneratore.

Tale rigeneratore à ̈ sostanzialmente un accumulatore di calore interposto tra i punti caldo e freddo in modo da limitare la perdita netta di calore nel punto freddo dove il calore à ̈ sottratto dalla refrigerazione; à ̈ costituito da una piccola massa di materiale buon conduttore (matrice) e con una elevata superficie di scambio termico rapportata alla massa.

Il flusso del gas caldo proveniente dal punto caldo cede una parte significativa del proprio calore al rigeneratore la cui temperatura, in conseguenza della elevata superficie di scambio e piccola massa, aumenta rapidamente; tale calore viene successivamente ceduto dal rigeneratore al gas refrigerato di ritorno, cioà ̈ proveniente dal punto freddo, con conseguente abbassamento della temperatura dello stesso rigeneratore.

Ne consegue che il gas ritorna al punto caldo già preriscaldato, il che incrementa il rendimento del motore STIRLING.

Le prestazioni richieste al rigeneratore sono molteplici e non sempre compatibili tra loro.

Per rendere minima la variazione di temperatura della matrice allo scopo di incrementare l’efficacia di rigenerazione, il rapporto della capacità termica del rigeneratore a quella del gas deve essere il più alto possibile: ciò à ̈ ottenibile con una grande matrice di rigenerazione molto densa, preferibilmente poco estesa e altamente porosa per minimizzare le cadute di pressione che diminuiscono l’area

 

utile del ciclo operativo.

Una matrice grande e finemente suddivisa favorisce la velocità dello scambio termico, mentre una piccola matrice rigeneratrice molto densa consente di ridurre lo spazio morto che, come noto, influenza il rapporto tra il volume massimo e minimo dello spazio di lavoro, e quindi il rapporto delle pressioni: con un elevato valore di tale rapporto si ottiene una notevole potenza specifica.

Sono noti motori STIRLING nei quali lo stantuffo motore e lo stantuffo dislocatore (o trasferitore) sono disposti sullo stesso cilindro. È prevista una canalizzazione che collega lo spazio di espansione con lo spazio di compressione; su tale canalizzazione sono disposti il riscaldatore (adiacente allo spazio di espansione) il rigeneratore e il refrigeratore (adiacente allo spazio di compressione).

In altri motori STIRLING lo stantuffo motore e lo stantuffo dislocatore sono collocati in corrispondenti cilindri; una canalizzazione esterna, interessata dal riscaldatore, rigeneratore, refrigeratore, collega, nell’ordine, lo spazio di espansione con lo spazio di compressione.

Risultato evidenti gli inconvenienti delle soluzioni tecniche sopra richiamate, quali la complessità costruttiva e gli ingombri conseguenti al fatto di prevedere la suddetta canalizzazione con riscaldatore, rigeneratore e refrigeratore associati a quest’ultima.

È noto che lo stantuffo motore scorre a tenuta nel relativo cilindro; per lo scorrimento dello stantuffo dislocatore non à ̈ richiesta la tenuta rispetto al corrispondente cilindro.

Quest’ultimo aspetto ha consentito la realizzazione di motori STIRLING con rigeneratore mobile, con quest’ultimo costituito da una sorta di cannotto che avvolge solidalmente e lateralmente lo stantuffo dislocatore sia nella prima

 

versione sopra considerata (cioà ̈ stantuffi motore e dislocatore collocati nel medesimo cilindro) sia nella seconda versione sopra riportata (cioà ̈ stantuffi motore e dislocatore collocato in rispettivi cilindri).

Trattasi di accorgimenti tecnico-funzionali complessi e costosi, in quanto occorre calibrare il rigeneratore rispetto al cilindro per evitare contatti tra le superfici affacciate di questi ultimi.

La sezione di passaggio del fluido dallo spazio d’espansione allo spazio di compressione risulta limitata rispetto alla sezione di questi ultimi, il che si traduce negativamente sul rendimento del motore STIRLING.

Nella prima versione considerata, quella con unico cilindro con la canalizzazione che collega gli spazi di espansione e di compressione, il fluido si riversa in quest’ultimo spazio attraverso la canalizzazione medesima; nella seconda versione, quella relativa al rigeneratore mobile che avvolge lo stantuffo dislocatore, il fluido irrompe nello spazio di compressione attraverso il rigeneratore che presenti una sezione ridotta rispetto alla sezione cilindrica dello spazio di compressione.

In entrambi i casi il fluido viene convogliato nello spazio di compressione attraverso una sorta di strozzatura, il che non à ̈ ottimale per quanto concerne l’attuazione del ciclo termodinamico, con negativa incidenza sul rendimento del motore.

La prerogativa dell’invenzione à ̈ quella di fornire un motore volumetrico, con energia termica fornita dall’esterno, che superi gli inconvenienti sopra lamentati, che funzioni indipendentemente dal suo orientamento spaziale e che sia alimentabile con qualunque tipo di energia termica.

Un’altra prerogativa dell’invenzione à ̈ quella di proporre un motore estremamente

 

compatto, e conformato in modo da eliminare gli spazi morti.

Ancora una prerogativa dell’invenzione à ̈ fornire un motore il cui rigeneratore sia tale da non ridurre la sezione di passaggio del gas con riferimento alla sede in cui à ̈ inserito.

Tali prerogative vengono raggiunte in accordo con il contenuto delle rivendicazioni.

Le caratteristiche dell’invenzione sono evidenziate nel seguito con riferimento alle allegate tavole di disegno nelle quali:

- la fig. 1 illustra una vista laterale schematica di una sezione del motore volumetrico proposto, con tale sezione ottenuta con il piano verticale di simmetria del motore medesimo;

- le figg. 2 - 4 illustrano la medesima vista in sezione di fig. 1 con il motore volumetrico in configurazioni significative del relativo ciclo operativo;

- la fig.5 illustra, in esploso, le parti più significative del suddetto motore;

- la fig. 6 illustra in prospettiva, ed in scala ingrandita rispetto alle precedenti figure, il particolare K di fig.5.

Con riferimento a tali figure, con 1 à ̈ stato indicato un primo piatto costituito da un materiale buon conduttore del calore (preferibilmente metallo, ad es.: rame, cupralluminio, ecc.); tale piatto, ad esempio di forma rettangolare, à ̈ sormontato da una cornice rettangolare 2 (a cui à ̈ reso solidale in maniera nota).

Costituita da materiale termoisolante (ad esempio fibre ceramiche, aerogel, ecc.). A tale piatto (vedasi fig. 5) sono perpendicolarmente solidali delle spine 3, orientate dalla parte della cornice 2.

Alla cornice 2 à ̈ bloccato, da parte opposta rispetto al piatto 1, un secondo piatto 4 costituito da una sorta di cupola che nell’esempio illustrato à ̈ costituito da quattro

 

falde 5 incurvate con concavità rivolta verso l’esterno.

La sezione trasversale della cupola 4 risulta via via decrescente procedendo dalla cornice 2 verso l’esterno; tale particolarità costruttiva, per le ragioni esposte nel seguito, à ̈ estremamente vantaggiosa: tale cupola individua al suo interno uno spazio 40.

Le suddette falde 5 sono interessate da fori passanti 6 attraverso i quali transitano corrispondentemente i suddetti steli 3.

La parte terminale di tali steli à ̈ filettata per ricevere, in avvitamento, relativi dadi 7; questi ultimi vengono avvitati sino ad intercettare la superficie esterna della relativa falda 5 (vedasi fig. 1): viene in tale modo definito un sistema antideformazione della cupola 4 di cui si dirà nel seguito.

Nella camera 8, delimitata inferiormente dal piatto 1 e perifericamente dalla cornice 2, Ã ̈ posto un telaietto 9 (vedasi fig. 5) costituito da una cornice 10A a cui sono collegati rami 10B di una raggiera di irrigidimento; in tali rami sono praticati fori passanti in ciascuno dei quali transita un corrispondente stelo 3.

Il suddetto telaietto à ̈ portato da un alberino 11.

Al citato telaietto 9 Ã ̈ vincolato uno strato 13 costituito, ad esempio, da lana metallica (vedasi fig.6).

Il complesso 50 definito dal telaietto 9 e dallo strato 13, esplica una duplice funzione, e cioà ̈ quella di stantuffo dislocatore e rigeneratore; a tale complesso sono consentite movimentazioni, nella direzione definita dall’asse dell’albero 11, pari all’altezza (spessore) della cornice 2: va evidenziato che la camera 8 à ̈ comparabile al cilindro in cui scorre lo stantuffo dislocatore richiamato in premessa.

Tale complesso essendo guidato dagli steli 3 risulta funzionale indipendentemente

 

dall’orientamento dello stesso; in altri termini il piatto 1 può essere comunque orientato spazialmente, il che risulta vantaggioso per le ragioni esposte nel seguito.

La parte superiore della cupola 4 sfocia nell’estremità di un cilindro 19 (la cui restante estremità risulta aperta) in cui scorre uno stantuffo di potenza 20 a cui, nell’esempio illustrato, sono articolati, da parte opposta al complesso 50, due steli 21A, 21B; nello stantuffo 20 à ̈ assialmente inserito, a tenuta (nell’esempio illustrato) il citato alberino 11.

Lo stantuffo di potenza 20 e lo stantuffo dislocatore (cioà ̈ una delle funzioni esplicate dal complesso 50) sono collegati mediante i citati alberino 11, steli 21A, 21B, ad un cinematismo 60 di tipo noto, che trascina in rotazione un albero 70 (su cui à ̈ calettato un volano 80) di un idoneo attuatore e consente altresì la movimentazione degli stantuffi medesimi in maniera similare a quanto richiamato in premessa con riferimento ai motori STIRLING: tale cinematismo 60 (vedasi fig.

1 – 4) non viene descritto in dettaglio in quanto non attinente con la presente invenzione.

Il motore oggetto dell’invenzione, e il cinematismo 60 (e mezzi ad esso collegati) sono portati da una struttura 90 non illustrata in dettaglio in quanto non attinente con l’invenzione.

Il funzionamento del motore volumetrico sopra descritto à ̈ subordinato alla definizione di una zona calda P (o punto caldo) e da una zona fredda F (o punto freddo).

La zona calda P à ̈ costituita dalla superficie esterna del primo piatto 1 alla quale il calore Q viene fornito dall’esterno; tale calore può essere generato da qualsiasi tipo di combustione o “catturato†dai raggi solari o fornito in qualsiasi altro modo

 

noto al tecnico del settore.

La zona fredda F à ̈ costituita dal secondo piatto 4 raffreddato spontaneamente dall’aria esterna che lambisce la superficie esterna delle falde 5: à ̈ possibile incrementare l’efficacia di tale raffreddamento mediante mezzi noti all’esperto del settore.

Come ricordato il complesso 50, costituito dal telaietto 9 che porta lo strato 13 di lana metallica, esplica sia la funzione di stantuffo dislocatore sia quella di rigeneratore.

Con riferimento alle figg. 1 – 4 si descrive il funzionamento del motore oggetto della presente invenzione.

In fig.1 lo stantuffo di potenza 20 à ̈ in prossimità del suo punto morto interno (che definisce il termine della compressione del gas contenuto nello spazio 40 e nella camera 8), mentre il complesso 50 à ̈ praticamente a contatto con il primo piatto 1 mantenuto caldo dal calore Q fornito da una sorgente esterna; ne consegue che lo strato 13 di lana metallica, oltre a scaldarsi, scherma il calore accumulato nel primo piatto 1.

La fig. 2 illustra il pistone di potenza 20 nel suo punto morto interno, mentre il complesso 50 risulta distaccato dalla superficie interna del primo piatto; il calore proveniente da quest’ultimo, non più schermato, scalda repentinamente il cuscino d’aria esistente tra il complesso 50 e il primo piatto 1.

L’aria di tale cuscino, che aumenta in conseguenza della movimentazione del complesso 50 nel verso X (fig. 2), si espande violentemente attraversando lo strato 13 di lana metallica, raffreddandosi (incrementando la temperatura della lana metallica), quindi irrompendo nello spazio 40 provocando un effetto simile allo scoppio che si ha in un motore a combustione interna.

 

Il gas (es.: aria) che si espande nello spazio 40 viene canalizzato, in conseguenza della forma del secondo piatto 4 verso il cilindro 19 (frecce W di fig. 2); cioà ̈ consente di ottimizzare l’azione del gas sul pistone di potenza 20.

Le sollecitazioni agenti sulla superficie interna del secondo piatto 4 vengono efficacemente contrastate dal citato sistema antideformazione, cioà ̈ dal sistema bulloni 7 – steli 3, con questi ultimi ancorati al primo piatto 1.

La fig. 3 illustra il complesso 50 nel suo punto morto esterno, e il pistone di potenza 20 in prossimità del relativo punto morto esterno.

L’aria riversatasi dapprima nello spazio 40 e successivamente anche nel cilindro 19 si raffredda sia per l’effetto della sua espansione sia per il calore ceduto all’esterno mediante la zona fredda F, cioà ̈ il calore che attraversa il secondo piatto 4 in quanto quest’ultimo à ̈ ad una temperatura inferiore a quella del gas. In fig. 4 il cinematismo 60 ha imposto l’inversione del moto al complesso 50; il raffreddamento del gas di cui sopra provoca una contrazione di quest’ultimo con conseguente richiamo del pistone di potenza 20 dal suo punto morto esterno a quello interno: vengono in tal modo riproposte le condizioni operative di fig. 1: à ̈ così possibile l’inizio di un nuovo ciclo operativo.

Va evidenziato che il complesso 50 à ̈ guidato dagli steli 3: ne consegue che il motore proposto può funzionare correttamente, ed efficacemente, indipendentemente dal suo orientamento spaziale.

Il rigeneratore, cioà ̈ lo strato 13 di lana metallica, ha una estensione praticamente pari alla sezione trasversale della camera 8 in cui à ̈ mobile il complesso 50: anche tale aspetto tecnico – funzionale incide positivamente sul rendimento del motore difeso con la presente invenzione.

Il fatto di aver previsto la zona fredda F conformata in modo tale da convogliare

 

efficacemente il gas in espansione nel cilindro 19, riduce gli spazi morti in comparazione con lo stato dell’arte che prevede spazi cilindrici.

Il sistema antideformazione previsto per il secondo piatto 4, evita l’insorgere di modifiche strutturali che possano alterare la funzionalità del motore.

Come già evidenziato il suddetto motore può essere orientato in qualsiasi modo; ciò à ̈ oltremodo vantaggioso in quanto consente di non intervenire sulla dislocazione della sorgente di calore in quanto à ̈ possibile orientare la zona calda in funzione della collocazione della sorgente che, in tal modo, viene sfruttata in maniera ottimale.

Si intende che quanto sopra à ̈ stato descritto a titolo esemplificativo; eventuali varianti di natura pratico – applicativa di intenderanno rientranti nell’ambito protettivo dell’invenzione come nel seguito rivendicata.

 

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Motore volumetrico con energia termica fornita dall’esterno, comprendente: uno stantuffo di potenza 20 scorrevole a tenuta in un cilindro di potenza 19; uno stantuffo dislocatore mobile in una relativa camera 8; una zona fredda F associata al citato cilindro di potenza; una zona calda P associata alla citata camera 8; un rigeneratore interposto tra la citata camera 8 e il suddetto cilindro di potenza 19; mezzi 60 colleganti gli alberi di detti stantuffi di potenza 21 e dislocatore 11 con l’albero 70 di un attuatore; caratterizzato dal fatto che la citata zona calda P à ̈ costituita da un primo piatto 1 definente la testata esterna di detta camera 8, con detto piatto costituito da materiale termoconduttivo destinato a ricevere calore Q da una sorgente di energia termica esterna alla suddetta camera, e la citata zona fredda F à ̈ costituita da un secondo piatto 4, distanziato dal primo piatto mediante una cornice 2 a definire la suddetta camera 8, con detto secondo piatto interessato da un’apertura identificantesi nell’estremità di detto cilindro di potenza 19 non interessata dall’albero 21 dello stantuffo di potenza; e dal fatto che i citati stantuffo dislocatore e rigeneratore sono costituiti da un unico complesso 50 scorrente in detta camera.
2. 2) Motore secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che il citato secondo piatto 4 presenta una sezione decrescente procedendo da detta camera 8 verso la citata estremità aperta di detto cilindro di potenza 19.
3. 3) Motore secondo la riv.1 o 2, caratterizzato dal fatto di prevedere: una serie di steli 3 bloccati perpendicolarmente alla superficie interna di detto primo piatto 1, con tali steli transitanti liberamente in fori passanti realizzati in detto complesso 50 a guidare quest’ultimo nei suoi spostamenti, e in fori passanti realizzati in detto secondo piatto 4; mezzi di bloccaggio 7 previsti per bloccare detto secondo piatto   4 a detti steli 3 con conseguente incremento all’antideformazione di quest’ultimo.
4. 4) Motore secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che detto complesso 50 Ã ̈ costituito da un telaietto 9 portato dal citato albero 11, e da uno strato poroso 13 costituito da materiale termoconduttivo.
5. 5) Motore secondo la riv.4, caratterizzato dal fatto che detto telaietto 9 Ã ̈ costituito da una cornice esterna 10A a cui sono collegate rami 10B di una raggiera di irrigidimento interessati dai citati fori passanti nei quali scorrono i corrispondenti citati steli 3.
6. 6) Motore secondo la riv. 4, caratterizzato dal fatto che detto strato poroso termo conduttivo 13 Ã ̈ costituito da lana metallica.
7. 7) Motore secondo la riv. 1, caratterizzato dal fatto che l’albero 11 che supporta il citato complesso 50 à ̈ assialmente guidato, a tenuta, dal citato stantuffo di potenza 19.
8. 8) Motore secondo la riv. 2, caratterizzato dal fatto che il citato primo piatto 1 ha forma rettangolare e dal fatto che il suddetto secondo piatto 4 à ̈ costituito da quattro falde 5 incurvate con concavità rivolta all’esterno.
9. 9) Motore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il primo piatto 1 Ã ̈ costituito da rame.
10. 10) Motore secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che il primo piatto 1 Ã ̈ costituito da cupralluminio.