ITMI20130013U1 - Espansore volumetrico rotativo a doppio flusso, in particolare impiegabile in cicli termodinamici di tipo rankine o rankine-hirn - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per MODELLO DI UTILITA’ avente per titolo “ESPANSORE VOLUMETRICO ROTATIVO A DOPPIO FLUSSO, IN PARTICOLARE IMPIEGABILE IN CICLI TERMODINAMICI DI TIPO RANKINE O RANKINE-HIRN”

Il presente trovato ha per oggetto un espansore volumetrico di tipo rotativo a doppio flusso (che di seguito, per brevità, verrà indicato come “espansore” o “espansore rotativo”), e trova particolare impiego in macchine che realizzano cicli termodinamici diretti e/o inversi di tipo Rankine o Rankine-Hirn. Il presente trovato trova particolare collocazione nella produzione di energia elettrica e termica mediante impianti di cogenerazione e micro-cogenerazione, e riguarda inoltre un impianto di micro-cogenerazione comprendente il suddetto espansore rotativo.

Si espongono di seguito alcune considerazioni storiche relative a cicli termodinamici e relative macchine termodinamiche.

Nel 1816 Robert Stirling introdusse il motore con ciclo termico ad aria calda a circuito aperto, caratterizzato da un flusso intermittente composto da quattro fasi: aspirazione di aria a pressione atmosferica alla temperatura ambiente, compressione dell’aria aspirata, repentino riscaldamento ed espansione dell’aria precompressa, espulsione dell’aria esausta. In una successiva evoluzione, allo scopo di aumentare il rendimento termico, mantenendo invariato il ciclo a quattro fasi, vennero sviluppate molteplici soluzioni con diverse tipologie di motori alternativi e rotativi a circuito chiuso e venne inserito nel circuito uno scambiatore di calore bidirezionale definito “rigeneratore”.

A partire dal 1824 Sadi Carnot affermò il principio secondo cui affinché una macchina termica funzioni è necessario disporre di due sorgenti a temperature differenti. Nell’ambito della sua trattazione, Carnot teorizzò il cosiddetto “ciclo di Carnot”, ossia un ciclo puramente teorico che possiede la caratteristica di essere il ciclo termodinamico, che evolve tra le due sorgenti a temperature differenti, avente il rendimento termodinamico maggiore. La realizzazione di tale ciclo richiede lo studio di una macchina termica teorica in grado appunto di ottenere la massima prestazione termica possibile attraverso l’utilizzo di materiali perfettamente isolanti, l’assenza di attrito ed un gas perfetto quale fluido operativo. Il ciclo, nel suo insieme, è rappresentato in figura 1a. Esso è costituito da due trasformazioni adiabatiche e da due trasformazioni isoterme. L'area compresa tra le quattro trasformazioni che definiscono il ciclo rappresenta il lavoro netto L ottenuto mediante tale ciclo. Tale lavoro si ottiene per differenza tra i lavori positivi L2= AB BC ed i lavori negativi L1= CD DA cioè: L = L2- L1. Anche il calore complessivo Q che la macchina termica trattiene per sé è dato dalla differenza tra quello che ha assorbito e quello che ha scaricato. La conclusione evidente è che il lavoro L che la macchina è in grado di produrre è dato dal calore che ha assorbito meno quello ceduto L = Q2- Q1. Da quanto esposto possiamo trarre la conclusione che, come è noto, soltanto una parte del calore fornito alla macchina si trasforma in lavoro, mentre la parte restante viene necessariamente scaricata verso l'esterno del sistema. Per le macchine termiche è quindi possibile definire il rendimento corrispondente al rapporto tra il lavoro che la macchina produce ed il calore che è necessario fornire in ingresso alla macchina, e cioè η = L / Q2. Dal momento che L = Q2- Q1, si ricava la seguente espressione: η = (Q2- Q1) / Q2= 1 - Q1/ Q2. Nel caso di una macchina di Carnot, il rendimento può essere così definito: η = 1 - Q1/Q2= 1 - T1/ T2dove si è sostituito il calore con le temperature assolute espresse in gradi Kelvin. In sostanza, al fine di migliorare il rendimento termico è necessario rendere sempre più piccola la quantità Q1/ Q2, che si sottrae al valore 1 abbattendo il rendimento. Per fare ciò occorre che i valori del numeratore e del denominatore siano i più distanti possibile, ossia che la sorgente calda lavori alla temperatura più alta possibile e la sorgente fredda sia alla temperatura più bassa possibile. Sulla temperatura della sorgente calda vi sono limitazioni tecnologiche di ciclo e di materiali, così come sulla temperatura della sorgente fredda vi sono limitate possibilità: è tipicamente necessario utilizzare la temperatura dell'ambiente esterno o quella di un fluido di raffreddamento che viene fatto circolare in un apposito scambiatore.

Il grafico di figura 1a è rappresentativo del ciclo di Carnot cosiddetto “ordinario” ma, utilizzando le stesse regole termodinamiche, è possibile rappresentare anche il ciclo “frigorifero” di Carnot (figura 1b). In pratica, le trasformazioni possono avvenire in verso opposto, disponendo di un volume dal quale viene sottratto calore (anziché al quale viene apportato). Per eseguire questa operazione occorre fare del lavoro. Quindi, contrariamente alla macchina ordinaria di Carnot già esaminata, nella macchina frigorifera è necessario fornire lavoro per sottrarre calore. La migliore applicazione della macchina termica reversibile, che utilizza il ciclo di Carnot, è quella che viene definita “pompa di calore”. Tuttavia, mentre per il ciclo ordinario di Carnot il rendimento è abbastanza facilmente calcolabile, per il ciclo frigorifero il rendimento è di difficile calcolo e, quindi, per le pompe di calore viene semplicemente definito un “effetto utile refrigerante” o “coefficiente di prestazione”, ovvero il rapporto tra il calore sottratto a bassa temperatura ed il lavoro che è necessario spendere per sottrarlo.

A partire dal ciclo di Carnot, la tecnica si è evoluta tramite gli studi di numerosi ingegneri, scienziati e tecnologi. Tra questi, Rankine fu il primo che studiò scientificamente a fondo la macchina a vapore (con condensatore separato). Egli, tra il 1858 ed il 1859, realizzò un ciclo di funzionamento di tale macchina. In figura 2a è riportato lo schema di funzionamento di un sistema a vapore con ciclo Rankine, nel quale la caldaia costituisce la sorgente calda che fornisce il calore Qc al motore ed il condensatore costituisce la sorgente fredda Qcond nella quale confluisce il calore residuo, dopo aver prodotto il lavoro Lt; il lavoro meccanico Lt è ottenuto dall’espansore volumetrico (turbina) e può essere utilizzato per qualsiasi uso (trazione, produzione elettrica, ecc.). In figura 3a è rappresentato schematicamente il ciclo di Rankine, dove con linea continua è riportato il ciclo teorico e con linea tratteggiata il ciclo reale. Naturalmente, in un progetto viene tipicamente ipotizzata una situazione ideale per ciascuna trasformazione, mentre le trasformazioni reali non sono mai perfette in quanto è impossibile avere perfette isobare, perfette adiabatiche, perfette isoterme, perfette isocore. Entrando nel merito del ciclo: per prima cosa è necessario che la caldaia fornisca il calore necessario Qc per trasformare l’acqua di condensa in vapore saturo ad alta temperatura e pressione (trasformazione D-A). A questo punto il vapore entra nella turbina e si espande mediante una isobara (trasformazione da A-B), e poi continua ad espandersi mediante una adiabatica (trasformazione B-C). In questo tratto si ottiene lavoro dalla macchina. Nella successiva trasformazione C-D il fluido esausto viene compresso (a pressione costante) e costretto a transitare attraverso lo scambiatore-condensatore, cedendo calore (Qcond) e trasformandosi in acqua di condensa che poi, tramite il lavoro (Lp) della pompa ad alta pressione, viene riportato nella caldaia. Dal punto D al punto A, il fluido condensato viene riscaldato a volume costante (trasformazione isocora) per essere riportato alla pressione di taratura.

Un ulteriore ciclo termico è quello di Rankine-Hirn (noto anche come ciclo termico “a vapore surriscaldato”), che rappresenta una evoluzione del ciclo ordinario di Rankine. Il ciclo di Rankine-Hirn, nella tecnica nota, è realizzabile mediante una macchina termica quasi analoga a quella impiegata per un ciclo ordinario di Rankine, alla quale vengono aggiunti uno o più “surriscaldatori” del vapore saturo, posti tra la caldaia e la turbina. In sostanza, nel ciclo ordinario di Rankine l’acqua di condensa, tramite una pompa, viene introdotta nella caldaia per essere trasformata in vapore ad alta temperatura e pressione, che viene quindi inviato direttamente alla turbina. Nel ciclo Rankine-Hirn, il vapore saturo in uscita dalla caldaia, prima di essere immesso nella turbina, viene surriscaldato in appositi scambiatori-surriscaldatori, che vengono direttamente lambiti dalla fiamma e/o dai fumi di combustione della caldaia. Questo accorgimento permette di aumentare la temperatura del vapore saturo, a volume variabile, ovvero senza aumento della pressione, consentendo l’ottenimento di un maggior rendimento termico. Allo scopo di evitare l’impiego di materiali speciali e/o la predisposizione di costosi accorgimenti tecnici (che limiterebbero la convenienza economica della soluzione), tale aumento di temperatura viene mantenuto entro prefissati limiti. Con una particolare geometria della turbina è possibile eseguire anche un doppio surriscaldamento, o “risurriscaldamento”: in tal caso il vapore in uscita dalla caldaia subisce un primo surriscaldamento prima di essere inviato ad una prima turbina (ad alta pressione), all’uscita dalla quale il vapore subisce un secondo surriscaldamento prima di essere immesso in una seconda turbina (a media pressione), potendosi così ottenere un ulteriore aumento del rendimento complessivo. I cicli di Rankine e Rankine-Hirn sono illustrati schematicamente nelle figure 9a-9d, 10a-10d e 11, che mostrano le trasformazioni termodinamiche che compongono tali cicli sul diagramma entropico T-S (Temperatura-Entropia).

Più in dettaglio, la figura 9a mostra il diagramma entropico di un ciclo ordinario di Rankine dove: nel tratto A-B l’acqua condensata viene pompata nella caldaia; nel tratto B-C la caldaia fornisce il calore necessario per trasformare l’acqua condensata in vapore saturo ad alta temperatura e pressione; nel tratto C-D-E il vapore entra nella turbina e si espande producendo lavoro; nel tratto E-A il vapore esausto, transitando nel condensatore, cede calore e si trasforma in acqua condensata che viene poi ri-pompata nella caldaia, assicurando la continuità del ciclo.

Nella figura 9b viene evidenziata l’area del grafico corrispondente alla quantità di calore fornito alla macchina termica e trasmesso al vapore inviato alla turbina. In figura 9c si evidenzia l’area del grafico corrispondente alla quantità di calore ceduto al condensatore. In figura 9d si evidenzia la differenza tra le due succitate aree, che corrisponde al lavoro utile ottenuto mediante il ciclo.

In figura 10a è invece proposto il diagramma entropico relativo al ciclo di Rankine-Hirn; nelle figure 10b,10c e 10d sono evidenziate le aree termiche aggiuntive rispetto al ciclo ordinario di Rankine. La differenza, rispetto a detto ciclo ordinario di Rankine, risiede nella fase di surriscaldamento del vapore saturo, che avviene nel percorso tra la caldaia e la turbina e corrisponde al maggior apporto termico (tratto D-D’ della figura 10a, corrispondente all’area termica della figura 10b), alla maggior cessione termica al condensatore (tratto D’’-A della figura 10a, corrispondente all’area termica della figura 10c) e al maggior lavoro prodotto nella espansione aggiuntiva (tratto D’-D’’ della figura 10a, corrispondente all’area termica della figura 10d).

Tale analisi degli scambi energetici consente di chiarire come la fase di surriscaldamento consenta al ciclo Rankine-Hirn di produrre un lavoro utile maggiore rispetto a quello prodotto in un ciclo “ordinario”, con un rendimento più elevato.

La figura 11 mostra, infine, un ciclo di Rankine-Hirn con doppio surriscaldamento. Il ciclo comprende un primo surriscaldamento nel tratto D-D’, una prima espansione in una prima turbina (o stadio ad alta pressione) nel tratto D’-D’’, un secondo surriscaldamento nel tratto D’’-D’’’ ed una seconda espansione in una seconda turbina (o stadio a media pressione della stessa turbina) nel tratto D’’’-DIV. Al termine di quest’ultima, nel tratto DIV-A, il vapore esausto, transitando nello scambiatore-condensatore, cede calore e si trasforma in acqua condensata che, successivamente, tramite una pompa ad alta pressione (nel tratto A-B), viene riportata in caldaia, in modo tale che il ciclo possa ricominciare.

In sostanza si tratta di un doppio surriscaldamento “in serie”, che innalza per due volte il punto di partenza di due successive espansioni: ciò consente di aumentare ulteriormente l’area del grafico che corrisponde al lavoro eseguito dalla macchina termica. Pertanto il risurriscaldamento consente di aumentare ancora il lavoro utile ed il rendimento, sia rispetto al ciclo ordinario di Rankine, sia rispetto al ciclo Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento.

Per concludere si ricorda George Brayton, il quale nel 1873 realizzò un motore in grado di sfruttare la completa espansione del gas fino alla pressione atmosferica; si trattava di fatto del precursore della turbina a gas a flusso continuo che, attualmente, è quella maggiormente utilizzata nei grandi impianti di cogenerazione e/o produzione di energia elettrica.

Complessivamente, sono state sviluppate diverse macchine che realizzano un ciclo termodinamico di Rankine, di Rankine-Hirn o altri cicli termodinamici. Tuttavia, la Richiedente ha riscontrato che tali soluzioni presentano inconvenienti e sono migliorabili sotto diversi aspetti. Ciò vale, in particolare, nell’impiego delle macchine note con cogeneratori di piccola-media potenza (al di sotto di 50 KWh); in tali casi gli inconvenienti rendono problematico il loro impiego su vasta scala.

In dettaglio, le macchine che utilizzano motori endotermici alternativi risultano meccanicamente complicate, sono rumorose (e, anche per questa ragione vengono fatte funzionare a basso numero di giri), sono particolarmente inquinanti ed hanno costi molto elevati di manutenzione. Gli espansori centrifughi Scroll, anche se già impiegati in alcuni micro-cogeneratori di piccola potenza, risultano inadatti per cicli a vapore surriscaldato ad alta pressione. Anche l’espansore rotativo Wankel è ancora in fase di verifica sperimentale e, comunque, presenta grossi problemi di tenuta e necessita di valvole di carico e scarico del vapore.

In generale, le soluzioni note, oltre a problemi di complessità meccanica e di funzionamento, sono tipicamente adatte soltanto all’uso per uno specifico ciclo termodinamico e difficilmente utilizzabili in cicli diversi o in modo reversibile. Un ulteriore inconveniente di alcune soluzioni note risiede nel limitato rendimento complessivo ottenibile.

Un inconveniente di soluzioni note che implementano cicli di Rankine-Hirn del tipo sopra descritto consiste nella difficoltà di esecuzione delle fasi di surriscaldamento. In particolare, la possibilità di eseguire un risurriscaldamento è subordinata alla presenza di due distinte turbine (o espansori) in serie, in ingresso a ciascuna delle quali è operato un rispettivo surriscaldamento. Tale configurazione complica notevolmente la struttura delle macchine termiche note e aumenta i costi di realizzazione e funzionamento.

In questa situazione lo scopo alla base del presente trovato, nei suoi vari aspetti e/o forme realizzative, è mettere a disposizione un espansore rotativo impiegabile in particolare in macchine termiche che realizzano cicli termodinamici diretti e/o inversi di tipo Rankine o Rankine-Hirn e che, tra l’altro, possa essere in grado di ovviare ad uno o più degli inconvenienti citati.

Ulteriore scopo del presente trovato è quello di mettere a disposizione un espansore rotativo caratterizzato da un elevato rendimento termodinamico e/o da un ottimo rapporto peso-potenza. Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di proporre un espansore rotativo caratterizzato da una struttura meccanica semplice e/o di rapida realizzazione. Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di proporre un espansore rotativo caratterizzato da un ridotto costo di realizzazione.

Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di mettere a disposizione un impianto di cogenerazione o micro-cogenerazione in grado di produrre energia elettrica e calore in modo efficiente e/o con un elevato rendimento termodinamico. Un ulteriore scopo del presente trovato è quello di realizzare un impianto di cogenerazione o micro-cogenerazione di semplice e/o economica realizzazione e/o di ingombro ridotto.

Tali scopi, e altri eventuali, che meglio risulteranno nel corso della seguente descrizione, vengono sostanzialmente raggiunti da un espansore rotativo, e/o da un impianto di cogenerazione comprendente tale espansore rotativo, secondo una o più delle unite rivendicazioni, ciascuna delle quali presa da sola (senza le relative dipendenze) o in qualsiasi combinazione con le altre rivendicazioni, nonché secondo i seguenti aspetti e/o forme realizzative, variamente combinati, anche con le suddette rivendicazioni.

In un primo aspetto, il trovato riguarda un espansore rotativo, utilizzabile in particolare per la realizzazione di macchine termiche atte a impiegare cicli termodinamici diretti e/o inversi di tipo Rankine ordinario e/o Rankine-Hirn.

In un aspetto, l’espansore rotativo è atto ad essere impiegato come apparato in grado di produrre energia meccanica utilizzando flussi di fluido pressurizzato, cicli esotermici o endotermici, oppure di pompare, aspirare, comprimere mediante dette fasi di riduzione e aumento dinamico del volume delle camere.

In un aspetto, l’espansore rotativo comprende:

- un involucro dotato di una cavità interna definente un cilindro toroidale (o cilindro anulare);

- una prima coppia di pistoni e una seconda coppia di pistoni rotabilmente alloggiate all’interno del cilindro toroidale (o cilindro anulare), ciascuna coppia di pistoni essendo collegata ad un rispettivo disco di trascinamento, le due coppie di pistoni avendo i rispettivi pistoni alternati tra loro;

- un carter e una giunzione cinetica a tre alberi alloggiata in detto carter e configurata e predisposta per operare una trasmissione del moto da e/o verso dette due coppie di pistoni, detta giunzione cinetica comprendendo un albero primario, un primo albero secondario e un secondo albero secondario, ciascun albero secondario essendo collegato ad una rispettiva coppia di pistoni.

In un aspetto, senza pregiudizio per l’idea inventiva, l’espansore rotativo può essere dotato di un qualsiasi sistema di trasmissione del moto tra le due coppie di pistoni e l’albero primario, in particolare potendo utilizzare una trasmissione con quattro ingranaggi ellittici, dei quali due calettati a 90° tra di loro sull’albero primario e gli altri due calettati rispettivamente sui dischi di trascinamento di una coppia e dell’altra coppia di pistoni, oppure potendo adottare un qualsiasi altro meccanismo cinematicamente equivalente.

In un aspetto, una rotazione continua dell’albero primario determina una variazione ciclica periodica della velocità di rotazione del primo albero secondario e del secondo albero secondario.

In un aspetto, l’albero primario determina una variazione ciclica periodica della velocità angolare del primo e del secondo albero secondario e delle corrispondenti coppie di pistoni rotanti all’interno del cilindro toroidale (o cilindro anulare), consentendo la generazione di quattro distinte camere a volume e rapporto variabile, alle quali corrispondono, per ciascuna rotazione completa dell’albero primario, otto fasi di riduzione e otto fasi di aumento dinamico di volume.

In un aspetto preferito, di cui alla presente idea inventiva, la trasmissione del moto tra i pistoni e l’albero primario viene ottenuta con detta giunzione cinetica comprendente un doppio giunto cardanico concentrico che collega il primo e il secondo albero secondario all’albero primario, caratterizzato dal fatto che mentre l’albero primario ruota con velocità angolare costante i due alberi secondari ruotano a velocità angolare periodicamente più alta, uguale o più bassa rispetto a quella dell’albero primario. In un aspetto, la prima coppia di pistoni è collegata ad un primo disco di trascinamento e la seconda coppia di pistoni è collegata ad un secondo disco di trascinamento.

In un aspetto il primo albero secondario è pieno e solidale ad una estremità con un semigiunto e all’estremità opposta con il primo disco di trascinamento. In un aspetto il secondo albero secondario è cavo e solidale ad una estremità con un rispettivo semigiunto e all'estremità opposta con il secondo disco di trascinamento. In un aspetto l’albero primario è solidale con un primo semigiunto e un secondo semigiunto, posizionati a 90° tra loro e posti su due diverse circonferenze di lavoro, il primo semigiunto avendo un diametro minore del secondo semigiunto. In un aspetto la giunzione cinetica comprende un disco interno sul quale sono rigidamente fissati quattro perni di trascinamento, posizionati a 90° tra loro, destinati al collegamento meccanico del primo semigiunto solidale all'albero primario con il semigiunto del primo albero secondario. In un aspetto la giunzione cinetica comprende un anello esterno sul quale sono rigidamente fissati quattro perni di trascinamento, posizionati a 90° tra loro, destinati al collegamento meccanico del secondo semigiunto solidale all'albero primario con il semigiunto del secondo albero secondario.

In un aspetto la giunzione cinetica è caratterizzata da un angolo di inclinazione fra l’albero primario e i due alberi secondari, e tale angolo di inclinazione può essere selezionato e/o variato, manualmente o automaticamente, in modo tale da determinare un aumento o una diminuzione della differenza fra la velocità media e le velocità minima e massima delle corrispondenti coppie di pistoni, tale selezione e/o variazione consentendo di modificare, anche dinamicamente, il rapporto di volume fra le camere, ovvero il loro rapporto di compressione-espansione.

In un aspetto il cilindro toroidale (o cilindro anulare) è dotato di una prima luce di immissione e di una seconda luce di immissione, distinte tra loro, per l’ingresso nel cilindro di vapore ad alta pressione e di una prima luce di espulsione e di una seconda luce di espulsione, distinte tra loro, per lo scarico del vapore esausto a bassa pressione, facenti riferimento rispettivamente a due diverse sezioni che, nell’espansore rotativo, possono essere utilizzate “in parallelo”, ovvero realizzando lo stesso ciclo termico nelle due sezioni oppure “in serie”, realizzando un ciclo termico “ad alta pressione-temperatura” nella prima sezione e un ciclo termico “a media pressione-temperatura” nella seconda sezione.

In un aspetto dette luci di immissione e dette luci di espulsione sono ricavate su detto involucro. In un aspetto dette luci di immissione e dette luci di espulsione sono simmetriche e poste a 180° tra di loro, potendosi determinare, in un solo cilindro toroidale (o anulare), due distinte sezioni di carico e scarico del vapore.

In un aspetto, mediante una rotazione angolare, manuale o automatica, del carter rispetto a dette luci di immissione e scarico è possibile anticipare o posticipare le fasi del ciclo termico allo scopo di ottimizzare il rendimento termodinamico e/o per facilitare l’avviamento autonomo dell’espansore rotativo.

In un aspetto l’espansore rotativo è completamente privo di valvole di carico-scarico e dei relativi meccanismi, in quanto dette coppie di pistoni, in movimento nel cilindro toroidale (o cilindro anulare), determinano esse stesse l’apertura e la chiusura delle due luci di immissione e delle due luci di espulsione del fluido termodinamico.

In un suo aspetto indipendente, il presente trovato riguarda inoltre un impianto di cogenerazione di energia elettrica e calore comprendente il suddetto espansore rotativo configurato per poter realizzare cicli termodinamici ordinari di Rankine e/o Rankine-Hirn allo scopo di produrre energia elettrica e calore per una o più unità abitative, o per altre utenze di qualsiasi genere.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione comprende un generatore di vapore dotato di un primo scambiatore-surriscaldatore disposto a monte dell’espansore rotativo e collegato ad esso per fornire un flusso di vapore ad alta temperatura e pressione in grado di porre in rotazione le due coppie di pistoni di detto espansore rotativo.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione comprende un alternatore/generatore elettrico disposto a valle dell’espansore rotativo e collegato ad esso per ricevere energia meccanica dalle due coppie di pistoni rotanti nel cilindro e quindi per produrre una quantità di energia elettrica destinata ad essere inviata ad un impianto utilizzatore, preferibilmente di una o più unità abitative (o altre utenze di qualsiasi genere).

In un aspetto l’impianto di cogenerazione comprende uno scambiatore/condensatore disposto a valle dell’espansore rotativo e collegato ad esso per ricevere dal cilindro toroidale (o cilindro anulare) di detto espansore rotativo un flusso di vapore esausto a bassa pressione in modo tale da estrarre da esso una quantità di calore destinata ad essere inviata ad un impianto di riscaldamento e/o di produzione di acqua calda sanitaria, preferibilmente di una o più unità abitative (o altre utenze di qualsiasi genere).

In una aspetto il generatore di vapore si identifica con una caldaia dotata di bruciatore di combustibile.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione è configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore, in modo tale che detto flusso di vapore prodotto da detto generatore di vapore è immesso in detto espansore rotativo contemporaneamente attraverso detta prima e detta seconda luce di immissione sotto forma di doppio flusso di vapore, dove ciascuna luce di immissione riceve sostanzialmente metà di detto flusso di vapore e ciascuna luce di espulsione espelle sostanzialmente metà di detto flusso di vapore, in modo tale da produrre una rotazione bilanciata della prima e della seconda coppia di pistoni e una variazione uniforme, lungo una rotazione completa dei pistoni, del volume di dette camere, le due metà di detto flusso di vapore espulse dalle due luci di espulsione essendo convogliate in detto scambiatore/condensatore.

In un aspetto, preferibilmente alternativo al precedente, l’impianto di cogenerazione è configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore, in modo tale che detto flusso di vapore prodotto da detto generatore di vapore è immesso in detto espansore rotativo interamente attraverso detta prima luce di immissione ed espulso interamente attraverso detta prima luce di espulsione, e da quest’ultima è interamente ri-immesso in detto espansore rotativo attraverso detta seconda luce di immissione ed espulso interamente attraverso detta seconda luce di espulsione verso detto scambiatore/condensatore, in modo tale da determinare un percorso in serie del vapore proveniente da detto generatore di vapore. In un aspetto detto percorso prevede un’iniziale immissione del vapore in una camera dell’espansore rotativo attraverso detta prima luce di immissione, una prima espulsione da detta camera tramite detta prima luce di espulsione, un successivo re-inserimento in una ulteriore camera dell’espansore rotativo attraverso detta seconda luce di immissione ed una successiva espulsione da detta ulteriore camera tramite detta seconda luce di espulsione.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione comprende un primo scambiatoresurriscaldatore collocato in posizione intermedia tra detto generatore di vapore e detto espansore rotativo, il primo scambiatore-surriscaldatore essendo configurato e predisposto per operare un surriscaldamento di detto flusso di vapore.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione comprende un secondo scambiatoresurriscaldatore configurato e predisposto per operare un surriscaldamento di detto flusso di vapore e disposto in posizione intermedia tra detta prima luce di espulsione e detta seconda luce di immissione, in modo tale da surriscaldare il flusso di vapore in transito lungo detto percorso in serie in un punto a valle di detta prima espulsione dall’espansore rotativo e a monte di detto successivo re-inserimento in detto espansore rotativo.

In un aspetto il primo e/o il secondo scambiatore-surriscaldatore possono anche essere separati dal generatore di vapore propriamente detto e l’impianto può comprendere opportune condutture configurate per consentire di sottoporre il vapore ad un primo surriscaldamento in uscita dal generatore di vapore, a monte della prima luce di immissione, ed un secondo surriscaldamento del vapore nel tragitto tra la prima luce di espulsione e la seconda luce di immissione.

In un aspetto detti primo e/o secondo scambiatore-surriscaldatore possono essere integrati nella stessa struttura e/o nel condotto dei fumi di scarico di detto generatore di vapore.

In un aspetto detto generatore di vapore e/o detto primo e/o detto secondo scambiatore-surriscaldatore può utilizzare un bruciatore di combustibile (ad esempio gas) oppure una qualsiasi fonte di calore esterna, quale energia solare, biomassa, combustibile non raffinato, scarico industriale ad alta temperatura, fusione fredda, o altro, atta a produrre vapore saturo ad alta temperatura e pressione.

In un aspetto, l’impianto di cogenerazione comprende opportune condutture che collegano detto generatore di vapore con detti scambiatori-surriscaldatori di vapore, con detto espansore rotativo e quest’ultimo con detto scambiatore/condensatore. In un aspetto, l’impianto di cogenerazione comprende un pressostato, operativamente collegato al generatore di vapore e configurato per regolare la pressione del vapore all’interno del generatore.

In un aspetto, l’impianto di cogenerazione comprende un’apparecchiatura elettronica di controllo configurata per rilevare una richiesta di energia elettrica e/o di calore da parte di un’utenza dell’impianto elettrico, allo scopo di predisporre e controllare l’impianto di cogenerazione di energia elettrica e calore.

In un aspetto, detta apparecchiatura elettronica di controllo è operativamente collegata al generatore di vapore e/o al pressostato in modo tale da poter determinare un valore di taratura sulla base di detta richiesta di energia elettrica, detta apparecchiatura elettronica di controllo essendo configurata per rilevare un valore di pressione e/o un valore di temperatura del vapore all’interno del generatore di vapore.

In un aspetto, l’impianto di cogenerazione comprende una valvola di intercettazione del vapore, in uscita dal generatore, operativamente connessa a, e comandabile da, detta apparecchiatura elettronica di controllo, in modo tale che, al raggiungimento della pressione richiesta nel generatore di vapore, detta valvola si porta in una configurazione di apertura consentendo la fuoriuscita del vapore ad alta pressione dal generatore di vapore e, attraverso le luci di immissione nell’espansore rotativo, tale vapore si immetta nel cilindro toroidale (o cilindro anulare) e determinandone l’avviamento ed il normale funzionamento.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione comprende un regolatore operativamente connesso a detto alternatore/generatore elettrico, e configurato per controllarne i valori di tensione e/o corrente dell’energia elettrica dallo stesso prodotta.

In un aspetto, l’impianto di cogenerazione comprende un serbatoio di raccolta dell’acqua condensata, posto a valle dello scambiatore/condensatore e configurato per ricevere da quest’ultimo acqua di condensa.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione comprende una pompa, preferibilmente azionata dall’espansore rotativo e configurata per riportare l’acqua di condensa, preferibilmente contenuta in detto serbatoio, all’interno del generatore di vapore per essere nuovamente riscaldata e trasformata in vapore saturo, in modo tale assicurare la continuità del ciclo termodinamico.

In un aspetto l’impianto di cogenerazione è configurato e predisposto per operare almeno nelle le seguenti fasi e per passare tra una e l’altra fase:

- una fase di attesa, nella quale il generatore di vapore mantiene il vapore al suo interno ad una determinata pressione di taratura, corrispondente al valore di taratura del pressostato, determinata mediante un’apparecchiatura elettronica di controllo, in modo tale da poter attivare rapidamente il ciclo,

- una fase di avvio, nella quale il generatore di vapore riscalda il vapore al suo interno in modo tale da aumentarne la pressione, tale fase consentendo, al manifestarsi di una richiesta di energia elettrica da parte dell’utenza, di adeguare il valore di taratura del pressostato adeguandolo alla effettiva necessità;

- una fase di normale funzionamento, nella quale l’apparecchiatura elettronica di controllo comanda l’apertura della valvola di intercettazione, provocando la fuoriuscita di vapore dal generatore di vapore e l’immissione di tale vapore nel cilindro toroidale o cilindro anulare dell’espansore rotativo, che determina la rotazione delle due coppie di pistoni e, conseguentemente, il trascinamento dell’alternatore, dando luogo alla produzione di energia elettrica nella quantità richiesta dall’utenza.

Un metodo di cogenerazione di energia elettrica e calore, impiegante un impianto di cogenerazione secondo il presente trovato, può comprendere una o più delle seguenti fasi:

- predisporre un impianto di cogenerazione secondo uno qualsiasi degli aspetti sopra e/o delle rivendicazioni, configurato per realizzare un ciclo termodinamico di Rankine o di Rankine-Hirn;

- produrre un flusso di vapore ad alta pressione mediante un generatore di vapore; - inviare detto flusso di vapore all’espansore rotativo dell’impianto di cogenerazione; - porre in rotazione, mediante detto flusso di vapore, la prima coppia di pistoni e la seconda coppia di pistoni dell’espansore rotativo;

- produrre, mediante un alternatore/generatore elettrico disposto a valle dell’espansore rotativo e collegato ad esso per ricevere energia meccanica dalle due coppie di pistoni rotanti, una quantità di energia elettrica destinata ad essere inviata ad un impianto utilizzatore, preferibilmente di una o più unità abitative o altre utenze di qualsiasi genere;

- estrarre, mediante uno scambiatore/condensatore disposto a valle dell’espansore rotativo e collegato ad esso per ricevere dallo stesso un flusso di vapore scarico a bassa pressione, una quantità di calore destinata ad essere inviata ad un impianto di riscaldamento e/o di produzione di acqua calda sanitaria, preferibilmente di una o più unità abitative o altre utenze di qualsiasi genere.

In un aspetto detta fase di inviare detto flusso di vapore all’espansore rotativo comprende la fase di immettere il vapore in detto espansore rotativo contemporaneamente attraverso la prima e la seconda luce di immissione sotto forma di doppio flusso di vapore, dove ciascuna luce di immissione riceve sostanzialmente metà di detto flusso di vapore e ciascuna luce di espulsione espelle sostanzialmente metà di detto flusso di vapore, in modo tale da produrre una rotazione bilanciata della prima e della seconda coppia di pistoni e una variazione uniforme, lungo una rotazione completa dei pistoni, del volume di dette camere, le due metà di detto flusso di vapore espulse dalle due luci di espulsione essendo convogliate in detto scambiatore/condensatore.

In un aspetto detta fase di inviare detto flusso di vapore all’espansore rotativo comprende le fasi di immettere il vapore in detto espansore rotativo interamente attraverso detta prima luce di immissione, per produrre una rotazione di dette coppie di pistoni, espellere interamente attraverso detta prima luce di espulsione, da quest’ultima ri-immettere il vapore interamente in detto espansore rotativo attraverso detta seconda luce di immissione, per contribuire alla rotazione di dette due coppie di pistoni, ed espellere il vapore interamente attraverso detta seconda luce di espulsione verso detto scambiatore/condensatore, in modo tale da determinare un percorso in serie del vapore proveniente da detto generatore di vapore.

In un aspetto il metodo comprende la fase di surriscaldare il flusso di vapore in uscita dal generatore di vapore mediante un primo scambiatore-surriscaldatore collocato in posizione intermedia tra detto generatore di vapore e detto espansore rotativo.

In un aspetto il metodo comprende la fase di surriscaldare il flusso di vapore in transito lungo detto percorso in serie in un punto a valle di detta prima luce di espulsione e a monte di detta seconda luce di immissione, tramite la quale il vapore è ri-immesso nell’espansore rotativo, detta fase di surriscaldare essendo operata mediante un secondo scambiatore-surriscaldatore disposto in posizione intermedia tra detta prima luce di espulsione e detta seconda luce di immissione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione dettagliata di alcune forme di realizzazione, tra cui anche una forma di esecuzione preferita, esemplari ma non esclusive, di un espansore rotativo e dalla descrizione di una forma preferita di impiego di detto espansore rotativo in un impianto di cogenerazione, in accordo con il presente trovato. Tale descrizione verrà esposta qui di seguito con riferimento agli uniti disegni, forniti a solo scopo indicativo e, pertanto, non limitativo, nei quali:

- le figure 1a e 1b rappresentano i grafici dei cicli teorici di Carnot, rispettivamente ordinario e frigorifero;

- le figure 2a e 2b rappresentano gli schemi termodinamici, e relativi principali componenti, dei cicli di Rankine, rispettivamente ordinario e frigorifero;

- le figure 3a e 3b rappresentano i grafici dei cicli teorici di Rankine, rispettivamente ordinario e frigorifero;

- la figura 4 mostra la sezione di un esempio realizzativo di un espansore rotativo secondo il presente trovato, realizzato mediante un cilindro toroidale (o cilindro anulare) e una giunzione cinetica che aziona le due coppie di pistoni alloggiate in detto cilindro toroidale ;

- le figure 4a e 4b mostrano rispettivamente l'anello esterno e il disco interno di trascinamento di detta giunzione cinetica, con i rispettivi perni;

- le figure 5 e 6 mostrano la sezione generica di un espansore rotativo, secondo il presente trovato, realizzato mediante un cilindro toroidale (o cilindro anulare) che utilizza, come trasmissione del moto tra i pistoni e l’albero primario, una specifica combinazione di quattro ingranaggi ellittici;

- la figura 7 rappresenta lo schema a blocchi di una possibile forma realizzativa di un micro-cogeneratore di energia elettrica e calore, secondo il presente trovato, comprendente l’espansore rotativo, impiegato in un ciclo termodinamico ordinario di Rankine;

- le figure da 8a a 8h rappresentano schematicamente le posizioni assunte dalle due coppie di pistoni dell’espansore rotativo, oggetto del presente trovato, all’interno del cilindro toroidale (o cilindro anulare), per ogni singola rotazione dell’albero primario;

- le figure 9a-9d rappresentano schematicamente il ciclo ordinario di Rankine sul diagramma entropico T-S;

- le figure 10a-10d rappresentano schematicamente il ciclo di Rankine-Hirn, con singolo surriscaldamento, sul diagramma entropico T-S;

- la figura 11 rappresenta il ciclo di Rankine-Hirn con doppio surriscaldamento, sul diagramma entropico T-S;

- la figura 12 rappresenta lo schema a blocchi di una possibile forma realizzativa di un micro-cogeneratore di energia elettrica e calore, secondo il presente trovato, comprendente un espansore rotativo utilizzato con configurazione a doppio flusso bilanciato e impiegato in un ciclo termodinamico di Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento;

- la figura 13 rappresenta lo schema a blocchi di una ulteriore possibile forma realizzativa di un micro-cogeneratore di energia elettrica e calore, secondo il presente trovato, comprendente un espansore rotativo utilizzato con configurazione a doppio flusso in serie e impiegato in un ciclo termodinamico di Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento;

- la figura 14 rappresenta lo schema a blocchi di una ulteriore possibile forma realizzativa di un micro-cogeneratore di energia elettrica e calore, secondo il presente trovato, comprendente un espansore rotativo utilizzato con configurazione a doppio flusso in serie e impiegato in un ciclo termodinamico di Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento;

- la figura 15 rappresenta lo schema a blocchi di una ulteriore possibile forma realizzativa di un micro-cogeneratore di energia elettrica e calore, secondo il presente trovato, comprendente un espansore rotativo utilizzato con configurazione a doppio flusso in serie e impiegato in un ciclo termodinamico di Rankine-Hirn con doppio surriscaldamento.

Con riferimento alle figure citate, con il numero di riferimento 1 è stato complessivamente indicato un espansore rotativo, in accordo con il presente trovato, mentre con il numero 50 è indicato un micro-cogeneratore in accordo con il presente trovato.

Le figure 4, 4a e 4b, mostrano l’espansore rotativo 1, di cui alla presente idea inventiva, in grado di operare vantaggiosamente in una macchina termica che realizza un ciclo termodinamico, diretto o inverso, di Rankine o di Rankine-Hirn. L’espansore rotativo 1 comprende un involucro, preferibilmente composto da due metà 11 e 12 tra loro accoppiate, che definisce al suo interno una cavità che costituisce il cilindro toroidale (o cilindro anulare). L’espansore rotativo 1 comprende inoltre una prima coppia di pistoni 24-25 e una seconda coppia di pistoni 34-35, rispettivamente collegate ad un primo disco di trascinamento 23 e ad un secondo disco di trascinamento 33; dove detti dischi di trascinamento, con la loro sagoma, determinano il completamento della circonferenza interna del cilindro toroidale (o cilindro anulare).

Il cilindro dell’espansore rotativo è rappresentato esemplarmente con forma toroidale; infatti è possibile osservare la sezione circolare del cilindro (e, corrispondentemente, la forma della coppia di pistoni 24-25 visibile in sezione). Il cilindro può, in alternativa, essere di forma “anulare”, ovvero avente una conformazione ad anello e una sezione, ad esempio, quadrata o rettangolare.

In una forma di soluzione preferita, ma non esclusiva, oggetto dell’idea inventiva, l’espansore rotativo 1 comprende: un carter 13 che alloggia i cinematismi per la trasmissione del moto, un supporto 15 per un albero motore primario 41. Quest’ultimo è predisposto con la calettatura necessaria per il fissaggio di un volano 71 e di un generico sistema di avviamento 72 il quale è configurato per far ruotare il volano 71 al fine di movimentare i pistoni 24-25-34-35 nel verso giusto e fino ad una posizione corrispondente alle due luci di immissione 81-82 in modo da poter ricevere il flusso di vapore in grado di determinare l’avviamento di detto espansore rotativo 1. Il suddetto sistema di posizionamento 72 può disporre, esemplarmente, di un pignone o di un altro meccanismo che si accoppia (al momento opportuno) con una cremagliera o altro componente del volano 71.

Le due coppie di pistoni 24-25 e 34-35, poste all’interno del cilindro toroidale (o cilindro anulare), determinano la creazione tra loro, in modo dinamico, di quattro distinte camere rotanti (C1-C2-C3-C4) che, nella rotazione, assumono un volume periodicamente variabile tra un valore minimo e un valore massimo.

La diversa velocità angolare delle due coppie di pistoni 24-25 e 34-35 è ottenuto mediante il particolare sistema di giunzione cinematica, parte integrante della presente idea inventiva, dove l’albero primario 41 è solidale con due forcelle 42 e 43 (rispettivamente, primo e secondo semigiunto) posizionate perpendicolarmente tra loro e operanti su diverse circonferenze di lavoro. La prima forcella 42 tramite il disco interno di trascinamento 51 e i suoi quattro perni 52, 53, 54 e 55 è meccanicamente collegata ad una forcella 22 (o semigiunto) di un albero secondario pieno 21 che fa capo al disco di trascinamento 23 e alla coppia di pistoni 24-25. Una seconda forcella 43, tramite il disco esterno di trascinamento 61 e i suoi quattro perni 62, 63, 64 e 65, è meccanicamente collegata ad una forcella 32 (o rispettivo semigiunto) di un albero secondario cavo 31 che fa da capo al disco di trascinamento 33 e alla coppia di pistoni 34-35.

L’albero primario 41 ha un determinato angolo di inclinazione W rispetto agli alberi secondari 21 e 31; per cui, sfruttando la configurazione reciproca delle forcelle e degli alberi si ottiene che: l’albero motore primario 41 è costretto dal volano 71 a ruotare a velocità costante, mentre invece i due alberi secondari 21 e 31, pur avendo la stessa velocità media, ruotano con velocità angolare periodicamente variabile (ovvero utilizzando allo scopo proprio ciò che rappresenta la principale “anomalia” del giunto di Cardano). Detta caratteristica è ben evidenziata nelle figure 8a-8h, dove si può rilevare che, nel movimento rotatorio, le due coppie di pistoni 24-25 e 34-35 si avvicinano e si allontanano tra di loro ciclicamente creando una variazione periodica continuativa del volume delle quattro camere C1,C2,C3,C4, delimitate dai pistoni stessi. I pistoni delle due coppie di pistoni sono posizionati, all’interno del cilindro toroidale, alternati tra loro: ciò significa che (come appare chiaramente dagli schemi delle figure 8a-8h), procedendo circolarmente lungo il cilindro toroidale si incontra un pistone (24) appartenente alla prima coppia di pistoni, un pistone (34) appartenente alla seconda coppia di pistoni, l’ulteriore pistone (25) appartenente alla prima coppia di pistoni e l’ulteriore pistone (35) appartenente alla seconda coppia di pistoni, a completare un’ampiezza angolare di un intero angolo giro.

L’espansore rotativo 1 del presente trovato è particolarmente adatto ad impiegare come fluido operativo il vapore acqueo o, in alternativa, altri gas o liquidi adatti allo scopo.

Con riferimento alle figure 8a-8h, l’espansore rotativo 1, di cui alla presente idea inventiva, viene definito a “doppio flusso” in quanto nello stesso cilindro sono presenti due luci di immissione (o di carico) 81-82 del vapore ad alta pressione e due luci di espulsione (o di scarico) 91-92 del vapore a bassa pressione o esausto, normalmente simmetriche a 180° tra di loro. Ciò significa che l’espansore rotativo 1 può essere funzionalmente diviso in due “sezioni” che possono essere attraversate da un flusso di vapore in modo indipendente l’una dall’altra; una prima sezione è quella compresa tra la prima luce di immissione 81 fino alla prima luce di espulsione 91, mentre una seconda sezione è quella compresa tra la seconda luce di immissione 82 fino alla seconda luce di espulsione 92. Il passaggio del vapore ad alta pressione e l’espansione dello stesso all’interno delle due sezioni determina la rotazione delle coppie di pistoni e, conseguentemente, delle corrispondenti camere C1-C2-C3-C4, rispettivamente definite tra due pistoni adiacenti.

L’espansore rotativo 1 è caratterizzato dal fatto che per ogni giro dell’albero primario (albero motore), con l’utilizzo “in parallelo”, a doppio flusso bilanciato, si possono realizzare otto possibili singoli cicli termici completi di immissione-espansioneespulsione del vapore oppure, con l’utilizzo “in serie”, a singolo flusso, si possono realizzare quattro cicli termici completi di immissione-espansione-travasoespansione-espulsione del vapore.

Si osservi che, senza pregiudizio per l’idea inventiva, l’espansore rotativo 1 può essere dotato di un qualsiasi sistema di trasmissione del moto tra le due coppie di pistoni e l’albero primario. In particolare, come mostrato nelle figure 5 e 6, è possibile utilizzare una trasmissione con quattro ingranaggi ellittici, dei quali due calettati a 90° tra di loro sull’albero primario e gli altri due calettati rispettivamente sui dischi di trascinamento di una coppia e dell’altra coppia di pistoni. In tale forma realizzativa, per ottenere una rotazione delle due coppie di pistoni a velocità diverse periodicamente variabili e di valore contrario, e per avere una rotazione complessiva a velocità costante, è possibile ricorrere a due coppie di ingranaggi ellittici 41a-41b e 21a-31a. I primi due ingranaggi 41a-41b sono calettati - a 90° tra loro - sull’albero primario 41 e ingranano i secondi due ingranaggi 21a-31a, a loro volta calettati sul primo e sul secondo albero secondario, coassiali tra loro.

Con riferimento a quanto esposto sopra, per chiarezza espositiva, vengono di seguito elencate, in modo esemplificativo e non limitativo, le principali modalità funzionali che possono essere adottate, da un impianto di cogenerazione 50, utilizzando l’espansore rotativo 1 di cui alla presente idea inventiva.

Nella figura 7 viene rappresentata una prima modalità funzionale dell’espansore rotativo 1, basata sul ciclo ordinario di Rankine, dove l’impianto di cogenerazione 50 è configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore con immissione “in parallelo”, in modo tale che detto flusso di vapore, prodotto dal generatore di vapore 10, viene immesso (ad alta temperatura e pressione) in detto espansore rotativo 1, dividendosi l’intera portata esattamente per la metà in ciascuna delle due luci di carico 81,82 ovvero, rispettivamente, per la metà nella prima e nella seconda “sezione”, nelle quali il vapore si espande, producendo lavoro utile, per poi essere espulso (a bassa temperatura e pressione), attraverso le due luci di scarico 91,92, verso lo scambiatore-condensatore 3. In detta configurazione, nel susseguirsi dei cicli termici, vi è una variazione simmetrica del volume delle camere con una rotazione perfettamente bilanciata delle due coppie di pistoni, circostanza questa che consente una rotazione, anche ad altissima velocità, senza vibrazioni e rumorosità.

Nella figura 12 viene rappresentata una seconda modalità funzionale preferita dell’espansore rotativo 1, basata sul ciclo di Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento del vapore saturo, dove l’impianto di cogenerazione 50 è configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore con immissione “in parallelo”, in modo tale che detto flusso di vapore, prodotto dal generatore di vapore 10 (mediante un bruciatore 10a), ad alta temperatura e pressione, viene prima fatto transitare attraverso un primo scambiatore-surriscaldatore 10c, dove il vapore subisce un ulteriore incremento di temperatura senza incremento di pressione, e poi viene immesso in detto espansore rotativo 1, dividendosi l’intera portata esattamente per la metà in ciascuna delle due luci di immissione 81,82 ovvero, rispettivamente, per la metà nella prima e nella seconda “sezione”, nelle quali il vapore si espande, producendo lavoro utile, per poi essere espulso (a bassa temperatura e pressione), attraverso le due luci di espulsione 91,92, verso lo scambiatore-condensatore 3. In detta configurazione, nel susseguirsi dei cicli termici, vi è una variazione simmetrica del volume delle camere con una rotazione perfettamente bilanciata delle due coppie di pistoni, circostanza questa che consente una rotazione, anche ad altissima velocità, senza vibrazioni e rumorosità.

Nella figura 13 viene rappresentata una terza modalità funzionale dell’espansore rotativo 1, che si avvale del ciclo di Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento del vapore, dove l’impianto di cogenerazione 50 è configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore con immissione “in serie”, in modo tale che detto flusso di vapore, prodotto dal generatore di vapore 10 (mediante un bruciatore 10a), ad alta temperatura e pressione, viene fatto transitare attraverso un primo scambiatore-surriscaldatore 10c, dove il vapore subisce un ulteriore incremento di temperatura senza incremento di pressione, per essere poi interamente immesso, attraverso la prima luce di immissione 81, nella prima sezione di detto espansore rotativo 1, dove si espande fino a “media pressione” creando lavoro utile, per poi essere “travasato” interamente, attraverso la prima luce di espulsione 91 e la seconda luce di immissione 82, nella seconda sezione di detto espansore rotativo, dove viene completata l’espansione, creando ulteriore lavoro utile, fino a bassa pressione, prima di essere espulso interamente, attraverso la seconda luce di espulsione 92, verso lo scambiatore/condensatore 3, per il proseguimento del ciclo.

In altre parole, la figura 13 mostra una forma realizzativa che prevede un doppio flusso di tipo “in serie” e comprende inoltre un rispettivo primo scambiatoresurriscaldatore 10c collocato (come visto per l’impianto di figura 12) in posizione intermedia tra il generatore di vapore 10 e l’espansore rotativo 1. Il primo scambiatore-surriscaldatore è configurato per operare un surriscaldamento del flusso di vapore, in modo tale che l’impianto di figura 13 realizzi un ciclo di Rankine-Hirn, ossia un ciclo di Rankine con surriscaldamento.

Nella figura 14 viene rappresentata una quarta modalità funzionale dell’espansore rotativo 1, che si avvale del ciclo di Rankine-Hirn ad un solo surriscaldamento del vapore, dove l’impianto di cogenerazione 50 è configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore con immissione “in serie”, in modo tale che detto flusso di vapore, che viene prodotto dal generatore di vapore 10 (mediante un bruciatore 10a), ad alta temperatura e pressione, viene interamente immesso, attraverso la prima luce di immissione 81, nella prima sezione di detto espansore rotativo 1; dove si espande fino a “medio-bassa pressione” creando lavoro utile, per poi essere “travasato” interamente, attraverso la luce di espulsione 91, e indotto ad attraversare lo scambiatore-surriscaldatore 10d, dove il vapore subisce un notevole incremento di temperatura e pressione, per poi essere immesso, attraverso la seconda luce di immissione 82 nella seconda sezione di detto espansore rotativo, in modo tale da completare l’espansione del vapore e produrre lavoro utile prima di essere espulso interamente (a bassa temperatura e pressione), attraverso la seconda luce di espulsione 92, verso lo scambiatore/condensatore 3, per il proseguimento del ciclo. Nella figura 15 viene rappresentata una quinta modalità funzionale dell’espansore rotativo 1, che si avvale del ciclo di Rankine-Hirn con due surriscaldamenti, dove l’impianto di cogenerazione 50 è configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore con immissione “in serie”, in modo tale che detto flusso di vapore saturo, prodotto dal generatore di vapore 10, ad alta temperatura e pressione, è indotto a transitare attraverso il primo scambiatore-surriscaldatore 10c, dove il vapore subisce un incremento di temperatura senza incremento di pressione, per poi essere interamente immesso, attraverso la prima luce di immissione 81, nella prima sezione di detto espansore rotativo 1, dove si espande fino a “media pressione” creando lavoro utile, dopo di ché viene interamente espulso, attraverso la prima luce di espulsione 91, viene indotto a transitare attraverso il secondo scambiatoresurriscaldatore 10d, dove il vapore subisce nuovamente un incremento di temperatura e pressione per essere poi interamente immesso, attraverso la seconda luce di immissione 82, nella seconda sezione di detto espansore rotativo 1, in modo tale da completare l’espansione del vapore e produrre lavoro utile prima di essere espulso interamente (a bassa temperatura e pressione), attraverso la seconda luce di espulsione 92, verso lo scambiatore/condensatore 3, per il proseguimento del ciclo. In altre parole, la figura 15 mostra, come in figura 13 e 14, un impianto con doppio flusso in serie; tuttavia tale impianto è completato con una ulteriore fase di surriscaldamento: l’impianto comprende infatti il secondo scambiatoresurriscaldatore 10d configurato per operare un surriscaldamento del flusso di vapore e disposto in posizione intermedia tra la prima luce di espulsione e la seconda luce di immissione, in modo tale da intercettare e surriscaldare il flusso di vapore in transito lungo il suddetto percorso in serie in un punto a valle della prima espulsione dall’espansore rotativo e a monte del successivo re-inserimento nell’espansore rotativo.

L’impianto di figura 15 risulta essere il più completo, in quanto comprende sia un primo surriscaldamento del vapore (a monte dell’espansore rotativo) sia un successivo surriscaldamento del vapore tra una sezione e l’altra del suo percorso in serie nell’espansore rotativo. Tale impianto realizza quindi un ciclo Rankine-Hirn con doppio surriscaldamento (o risurriscaldamento).

Il secondo surriscaldamento (“interno” al percorso nell’espansore rotativo) consente di aumentare l’energia del vapore all’uscita dalla prima sezione dell’espansore rotativo, prima che esso venga immesso nella seconda sezione: in questo modo il rendimento dell’impianto aumenta notevolmente, senza tuttavia richiedere un elevato dispendio energetico, in quanto l’apporto di energia avviene direttamente sul vapore e non richiede un passaggio di stato. In pratica, si surriscalda il vapore prima che esso venga inviato allo scambiatore/condensatore, ossia prima che passi allo stato liquido, in modo tale da fornire alla seconda sezione un vapore ad alta energia ma senza “sprecare” energia in un passaggio di stato.

La configurazione in serie dell’impianto di figura 12, 13, 14 o 15 è ottenibile grazie alla peculiare struttura dell’espansore rotativo del presente trovato, potendo esso disporre di due sezioni indipendenti definite da due diverse luci di immissione 81,82 e di espulsione 91,92, e ciò rende possibile realizzare cicli termodinamici anche molto diversificati. Infatti, disponendo di due sezioni indipendenti definite da due diverse luci di immissione e di espulsione, è possibile introdurre il vapore proveniente dal generatore di vapore (eventualmente surriscaldato) nella prima sezione, quindi surriscaldarlo nuovamente e re-immetterlo nella seconda sezione. Al contrario, nella tecnica nota il “doppio surriscaldamento” non è possibile con i normali espansori e può essere possibile solamente con turbine a doppio stadio o con due differenti turbine in serie, con un evidente aumento dei costi di realizzazione e di esercizio.

L’impianto del presente trovato, al contrario, può impiegare un solo espansore rotativo 1 (ossia una stessa turbina) dotato di due ingressi e due uscite indipendenti attraverso i quali eseguire un ciclo in serie avente il seguente schema di percorrenza del vapore: ingresso prima luce di immissione - uscita prima luce di espulsione -ingresso seconda luce di immissione - uscita seconda luce di espulsione.

Inoltre, gli impianti di figura 12, 13, 14 e 15 si prestano in particolare per applicazioni che richiedono una produzione di energia e/o di calore elevata, quali ad esempio applicazioni in ambito industriale.

Il primo e/o il secondo surriscaldamento, ad opera rispettivamente del primo e del secondo scambiatore-surriscaldatore, può innalzare la temperatura del vapore fino a valori, ad esempio, di 500°C-600°C.

Come mostrato in figura 12, 13, 14 o 15, il suddetto pressostato 10b è collegato preferibilmente al generatore di vapore, al primo e/o al secondo scambiatoresurriscaldatore (ancor più preferibilmente a tutti gli organi riscaldatori) per regolarne la pressione e/o la temperatura operativa.

L’impianto di cogenerazione 50 di energia elettrica e calore comprende il suddetto espansore rotativo 1 che è configurato e predisposto per utilizzare un qualsiasi generatore di vapore 10 che si avvale di un qualsiasi bruciatore di combustibile 10a oppure di una qualsiasi fonte di calore esterna, quale energia solare, biomassa, combustibile non raffinato, scarico industriale ad alta temperatura, fusione fredda, o altro, atta a produrre vapore acqueo ad alta temperatura e pressione.

Di seguito viene descritto il funzionamento dell’espansore rotativo 1, oggetto dell’idea inventiva, in una sua applicazione “preferenziale”, ovvero all’interno di un impianto di cogenerazione 50 di energia elettrica e calore, vantaggiosamente impiegabile - ad esempio - in ambito domestico per la produzione di energia elettrica e termica per una o più unità abitative.

Con riferimento alla figura 12, viene rappresentato lo schema a blocchi dell’impianto di cogenerazione 50, secondo l’idea inventiva e nella sua forma di esecuzione preferita, benché non esclusiva, che utilizza un ciclo termodinamico Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento, dotato di uno o più dei seguenti componenti:

- un generatore di vapore 10 dotato di un bruciatore di combustibile 10a e di un pressostato 10b, in grado di fornire al sistema la quantità necessaria di vapore saturo ad alta pressione e temperatura;

- un’apparecchiatura elettronica di controllo 6, operativamente collegata al generatore di vapore 10, in grado di rilevare la richiesta di energia elettrica da parte delle utenze, di determinare il valore di taratura del pressostato 10b e di comandare la valvola di intercettazione del circuito vapore 6b;

- uno scambiatore-surriscaldatore 10c, termicamente integrato nel generatore 10 o nel condotto di scarico fumi del bruciatore 10a, che ha lo scopo di incrementare il valore della temperatura del vapore, in uscita dal generatore 10, prima dell’immissione di detto vapore surriscaldato nell’espansore rotativo 1;

- un espansore rotativo 1, principale oggetto della presente idea inventiva, in grado di ricevere il vapore ad alta temperatura e pressione prodotto dal generatore 10 e poi surriscaldato nello scambiatore-surriscaldatore 10c, per trasformarlo (tramite la rotazione dei pistoni, rappresentata nelle figure 8a-8h) in lavoro utile ed idoneo ad azionare l’alternatore/generatore di corrente elettrica 2;

- un alternatore/generatore di corrente elettrica 2, meccanicamente collegato all’espansore rotativo 1, con annesso regolatore di tensione-corrente 2a, predisposto per controllarne i valori di tensione e/o corrente;

- uno scambiatore-condensatore 3, disposto a valle dell’espansore rotativo 1 e collegato ad esso per ricevere il flusso di vapore esausto a bassa pressione e per trasformarlo in acqua condensata, sottraendo una quantità di calore destinata ad essere inviata ad un impianto di riscaldamento e/o di produzione di acqua calda sanitaria, al servizio di una o più unità abitative o altre utenze di qualsiasi genere; - un serbatoio di raccolta dell’acqua condensata 4, posto a valle dello scambiatore/condensatore 3;

- una pompa ad alta pressione 5, preferibilmente azionata dallo stesso espansore rotativo 1, in grado di riportare l’acqua condensata all’interno del generatore 10, in modo tale assicurare la continuità del ciclo termodinamico.

All’interno del ciclo termodinamico, detto espansore rotativo 1, oggetto della presente idea inventiva, svolge due principali funzioni: la prima è quella di utilizzare il vapore, prodotto dal generatore ad alta temperatura e pressione 10 e incrementato come valore di temperatura dallo scambiatore-surriscaldatore 10c, per trasformarlo, nel ciclo espansivo, in lavoro utile (corrispondente ai tratti C-DII del grafico di figura 10a), la seconda funzione è quella di “comprimere” il vapore esausto, a bassa temperatura e pressione, per espellerlo e costringerlo a transitare attraverso lo scambiatore-condensatore 3 (corrispondente ai tratti DII-A del grafico di figura 10a), con il minor possibile dispendio di energia ed assicurando la continuità del ciclo. Nella forma di realizzazione preferita che utilizza il ciclo termodinamico di Rankine-Hirn con un solo surriscaldamento, la funzionalità operativa si realizza preferibilmente attraverso le seguenti fasi:

- fase di attesa, nella quale l’apparecchiatura elettronica di controllo 6, coadiuvata da un pressostato 10b, controlla il funzionamento del bruciatore 10a e quindi l’apporto termico al generatore 10, allo scopo di mantenere il vapore saturo alla temperaturapressione prefissata o automaticamente determinata;

- fase preparatoria, nella quale, al manifestarsi di una richiesta di energia elettrica da parte dell’utenza, viene attivato il bruciatore 10a del generatore 10 in modo da poter riscaldare il vapore saturo fino ai valori di temperatura-pressione automaticamente determinati;

- fase di avviamento, nella quale l’apparecchiatura elettronica di controllo 6 comanda l’apertura della valvola di intercettazione 6b, determinando la fuoriuscita “controllata” del vapore dal generatore 10 verso lo scambiatore-surriscaldatore 10c e l’immissione di tale vapore in un ipotetico sistema di auto-avviamento (non indicato in figura) e, contemporaneamente, attraverso le luci di carico 81-82, rispettivamente nella prima e nella seconda sezione dell’espansore rotativo 1, in modo da porre in rotazione le due coppie di pistoni e l’albero primario, meccanicamente collegato all’alternatore/generatore elettrico 2;

- fase di normale funzionamento, nella quale, tramite l’apparecchiatura elettronica 6, che controlla il bruciatore 10a e determina la temperatura-pressione del generatore di vapore 10, qualora fosse necessario, si potrebbe anche regolare la velocità di rotazione dell’espansore rotativo 1, adeguandola alla effettiva richiesta e/o necessità di produzione di energia elettrica.

Il presente trovato consente di ottenere numerosi vantaggi e supera uno o più degli inconvenienti descritti per le soluzioni note. Anzitutto, l’espansore rotativo 1 ha un miglior rendimento meccanico e migliora il rendimento volumetrico, consentendo un notevole miglioramento dei rendimenti complessivi del ciclo di Rankine e/o di Rankine-Hirn. Un indiscutibile vantaggio è rappresentato dal fatto che, potendo utilizzare un sistema di combustione ad alto rendimento (a condensazione), vengono drasticamente ridotte le emissioni inquinanti. Un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che l’espansore rotativo 1 è completamente privo di valvole di carico-scarico e dei relativi meccanismi, in quanto sono gli stessi pistoni in movimento a svolgere anche questa funzione. L’ampio spazio disponibile sulla circonferenza del cilindro toroidale (o cilindro anulare) permette molteplici soluzioni per la disposizione delle luci di immissione e di espulsione, finalizzate al miglioramento dinamico dei percorsi del fluido operativo. L’espansore rotativo 1 presenta inoltre i seguenti ulteriori vantaggi: - tutti i suoi componenti sono facilmente producibili in serie, con un notevole abbassamento dei costi di produzione;

- non vi è necessità di materiali o leghe particolari se non quelle normalmente utilizzate nei motori tradizionali;

- la lubrificazione del cilindro, dei pistoni e dei dischi di trascinamento degli stessi viene assicurata dallo stesso fluido termodinamico (vapore acqueo demineralizzato) utilizzato in circuito chiuso (senza necessità di alcuna manutenzione);

- la lubrificazione della trasmissione cinematica può essere assicurata con olio minerale di tipo noto, potendo essere la stessa contenuta in un carter a perfetta tenuta idraulica;

- nelle applicazioni ad alto numero di giri, allo scopo di ridurre gli attriti meccanici ed aumentare i rendimenti, i pistoni possono essere privi di fasce elastiche e costruiti per sfruttare le caratteristiche di viscosità del fluido;

- per le applicazioni a medio/basso numero di giri che necessitano di alta tenuta alla pressione, il cilindro e i pistoni possono essere realizzati di forma toroidale utilizzando le stesse fasce elastiche dei motori rotativi tradizionali.

In definitiva, l’espansore rotativo 1, oggetto del presente trovato, grazie alla sua grande semplicità costruttiva ed avendo pochissima necessità di manutenzione, supera le criticità tipiche dei motori endotermici alternativi o espansori rotativi noti, rendendo possibile l’industrializzazione di piccole unità di cogenerazione e/o trigenerazione, per singole unità abitative o piccole comunità.

Claims (45)

1. RIVENDICAZIONI 1. Espansore rotativo (1) utilizzabile, in particolare per la realizzazione di macchine termiche atte a impiegare cicli termodinamici di tipo Rankine o Rankine-Hirn, l’espansore comprendente: - un involucro (11, 12) dotato di una cavità interna definente un cilindro toroidale o cilindro anulare; - una prima coppia di pistoni (24-25) e una seconda coppia di pistoni (34-35) rotabilmente alloggiate all’interno del cilindro toroidale o cilindro anulare, con detti rispettivi pistoni alternati tra loro; - un carter (13) e una giunzione cinetica - o trasmissione - a tre alberi alloggiata in detto carter e configurata e predisposta per operare una trasmissione del moto da e/o verso dette due coppie di pistoni, detta giunzione cinetica comprendendo un albero primario (41), un primo albero secondario (21) e un secondo albero secondario (31), ciascun albero secondario essendo collegato ad una rispettiva coppia di pistoni (24-25; 34-35), in cui una rotazione continua dell’albero primario determina una variazione ciclica periodica della velocità di rotazione del primo albero secondario e del secondo albero secondario.
2. 2. Espansore rotativo (1), secondo la rivendicazione precedente, caratterizzato dal fatto che l’albero primario (41) determina una variazione ciclica periodica della velocità angolare del primo e del secondo albero secondario (21, 31) e delle corrispondenti coppie di pistoni (24-25; 34-35) rotanti all’interno del cilindro toroidale, consentendo la generazione di quattro distinte camere (C1-C2-C3-C4) a volume e rapporto variabile, alle quali corrispondono, per ciascuna rotazione completa dell’albero primario (41), otto fasi di riduzione e otto fasi di aumento dinamico di volume.
3. 3. Espansore rotativo (1), secondo la rivendicazione 1 o 2, atto ad essere impiegato come apparato in grado di produrre energia meccanica utilizzando flussi di fluido pressurizzato, cicli esotermici o endotermici, oppure di pompare, aspirare, comprimere mediante dette fasi di riduzione e aumento dinamico del volume delle camere.
4. 4. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto cilindro toroidale o cilindro anulare è dotato di una prima luce di immissione (81) e di una seconda luce di immissione (82) per l’ingresso nel cilindro stesso di vapore ad alta pressione e di una prima luce di espulsione (91) e di una seconda luce di espulsione (92) per lo scarico di vapore esausto.
5. 5. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette luci di immissione e/o dette luci di espulsione sono ricavate su detto involucro (11, 12).
6. 6. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dette luci di immissione e dette luci di espulsione sono simmetriche tra loro.
7. 7. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui mediante una rotazione angolare, manuale o automatica, del carter (13) rispetto alle luci di immissione e di espulsione (81, 82, 91, 92) è possibile anticipare o posticipare le fasi del ciclo termico per ottimizzare il rendimento termodinamico e/o per facilitare l’avviamento autonomo dell’espansore rotativo (1).
8. 8. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta giunzione cinetica comprende un doppio giunto cardanico concentrico tramite il quale il primo albero secondario e il secondo albero secondario sono collegati al primo albero.
9. 9. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui mentre l’albero primario (41) ruota con velocità angolare costante i due alberi secondari (21 e 31) ruotano a velocità angolare periodicamente più alta, uguale o più bassa rispetto a quella dell’albero primario (41).
10. 10. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la prima coppia di pistoni (24-25) è collegata ad un primo disco di trascinamento (23) e la seconda coppia di pistoni (34-35) è collegata ad un secondo disco di trascinamento (33).
11. 11. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il primo albero secondario (21) è pieno e solidale ad una estremità con un semigiunto (22) e all’estremità opposta con il primo disco di trascinamento (23).
12. 12. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il secondo albero secondario (31) è cavo e solidale ad una estremità con un rispettivo semigiunto (32) e all'estremità opposta con il secondo disco di trascinamento (33).
13. 13. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’albero primario (41) è solidale con un primo semigiunto (42) e un secondo semigiunto (43), posizionati a 90° tra loro e posti su due diverse circonferenze di lavoro.
14. 14. Espansore rotativo (1), secondo la rivendicazione precedente, in cui il primo semigiunto ha un diametro minore del secondo semigiunto.
15. 15. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la giunzione cinetica comprende un disco interno (51) sul quale sono rigidamente fissati quattro perni di trascinamento (52, 53, 54, 55), posizionati a 90° tra loro, destinati al collegamento meccanico del primo semigiunto (42) solidale all'albero primario (41) con il semigiunto (22) del primo albero secondario (21).
16. 16. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la giunzione cinetica comprende un anello esterno (61) sul quale sono rigidamente fissati quattro perni di trascinamento (62, 63, 64, 65), posizionati a 90° tra loro, destinati al collegamento meccanico del secondo semigiunto (43) solidale all'albero primario (41) con il semigiunto (32) del secondo albero secondario (31).
17. 17. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta giunzione cinetica è caratterizzata da un angolo di inclinazione (W) fra l’albero primario (41) e i due alberi secondari (21, 31), detto angolo di inclinazione (W) potendo essere selezionato e/o variato, manualmente o automaticamente, in modo tale da determinare un aumento o una diminuzione della differenza fra la velocità media e le velocità minima e massima delle corrispondenti coppie di pistoni (24-25; 34-35), tale selezione e/o variazione consentendo di modificare, anche dinamicamente, il rapporto di volume fra le camere (C1-C2-C3-C4), ovvero il loro rapporto di espansione-compressione.
18. 18. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta giunzione cinetica comprende una trasmissione con quattro ingranaggi ellittici, dei quali due (41a-41b) calettati a 90° tra di loro sull’albero primario e gli altri due (21a-31a) calettati rispettivamente sul primo e sul secondo disco di trascinamento della prima e seconda coppia di pistoni.
19. 19. Espansore rotativo (1), secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l’espansore rotativo è completamente privo di valvole di carico-scarico e dei relativi meccanismi, in quanto dette coppie di pistoni, in movimento nel cilindro toroidale (o cilindro anulare), determinano esse stesse l’apertura e la chiusura delle due luci di immissione e delle due luci di espulsione del fluido termodinamico.
20. 20. Impianto di cogenerazione (50) di energia elettrica e calore comprendente un espansore rotativo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti e configurato per realizzare un ciclo termodinamico di Rankine o di Rankine-Hirn per produrre energia elettrica e calore per una o più unità abitative o per altre utenze di qualsiasi genere, detto impianto comprendendo un generatore di vapore (10) disposto a monte dell’espansore rotativo (1) e collegato ad esso per fornirgli un flusso di vapore acqueo ad alta temperatura e alta pressione in grado di porre in rotazione le due coppie di pistoni (24-25; 34-35).
21. 21. Impianto di cogenerazione (50) secondo la rivendicazione precedente, comprendente un alternatore/generatore elettrico (2) disposto a valle dell’espansore rotativo (1) e collegato ad esso per ricevere energia meccanica dalle due coppie di pistoni rotanti (24-25; 34-35) e produrre una quantità di energia elettrica destinata ad essere inviata ad un impianto utilizzatore, preferibilmente di una o più unità abitative o altre utenze di qualsiasi genere.
22. 22. Impianto di cogenerazione (50) secondo la rivendicazione 20 o 21, comprendente uno scambiatore/condensatore (3) disposto a valle dell’espansore rotativo (1) e collegato ad esso per ricevere dallo stesso un flusso di vapore scarico a bassa pressione in modo tale da estrarre da esso una quantità di calore destinata ad essere inviata ad un impianto di riscaldamento e/o di produzione di acqua calda sanitaria, preferibilmente di una o più unità abitative o altre utenze di qualsiasi genere.
23. 23. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 22, configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore saturo, in modo tale che detto flusso di vapore prodotto da detto generatore di vapore (10) è immesso in detto espansore rotativo (1) contemporaneamente attraverso detta prima (81) e detta seconda luce di immissione (82) sotto forma di doppio flusso di vapore, dove ciascuna luce di immissione riceve sostanzialmente metà di detto flusso di vapore e ciascuna luce di espulsione espelle sostanzialmente metà di detto flusso di vapore, in modo tale da produrre una rotazione bilanciata della prima e della seconda coppia di pistoni e una variazione uniforme e simmetrica, lungo una rotazione completa dei pistoni, del volume di dette camere (C1-C2-C3-C4), le due metà di detto flusso di vapore espulse dalle due luci di espulsione essendo convogliate in detto scambiatore/condensatore (3).
24. 24. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 23, configurato, mediante opportune condutture di trasporto del vapore, in modo tale che detto flusso di vapore prodotto da detto generatore di vapore (10) è immesso in detto espansore rotativo (1) interamente attraverso detta prima (81) luce di immissione, per produrre una rotazione di dette coppie di pistoni, ed espulso interamente attraverso detta prima (91) luce di espulsione, e da quest’ultima è interamente ri-immesso in detto espansore rotativo (1) attraverso detta seconda (82) luce di immissione, per produrre una rotazione delle coppie di pistoni, ed espulso interamente attraverso detta seconda (92) luce di espulsione verso detto scambiatore/condensatore (3), in modo tale da determinare un percorso in serie del vapore proveniente da detto generatore di vapore, detto percorso prevedendo un’iniziale immissione del vapore in una camera dell’espansore rotativo attraverso detta prima luce di immissione, una prima espulsione da detta camera tramite detta prima luce di espulsione, un successivo re-inserimento in una ulteriore camera dell’espansore rotativo attraverso detta seconda luce di immissione ed una successiva espulsione da detta ulteriore camera tramite detta seconda luce di espulsione.
25. 25. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 24, comprendente un primo scambiatore-surriscaldatore (10c) collocato in posizione intermedia tra detto generatore di vapore (10) e detto espansore rotativo (1), detto primo scambiatore-surriscaldatore essendo configurato e predisposto per operare un surriscaldamento di detto flusso di vapore in transito da detto generatore di vapore (10) a detto espansore rotativo (1).
26. 26. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 25, comprendente un secondo scambiatore-surriscaldatore (10d) configurato e predisposto per operare un surriscaldamento di detto flusso di vapore e disposto in posizione intermedia tra detta prima luce di espulsione e detta seconda luce di immissione, in modo tale da surriscaldare il flusso di vapore in transito lungo detto percorso in serie in un punto a valle di detta prima espulsione dall’espansore rotativo e a monte di detto successivo re-inserimento in detto espansore rotativo.
27. 27. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 26, comprendente un pressostato (10b), operativamente collegato al generatore di vapore (10) e configurato per regolare la pressione del vapore all’interno del generatore di vapore.
28. 28. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 27, comprendente un’apparecchiatura elettronica di controllo (6) configurata per rilevare una richiesta di energia elettrica e/o di calore da parte di un’utenza dell’impianto elettrico o di riscaldamento a valle del cogeneratore.
29. 29. Impianto di cogenerazione (50) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta apparecchiatura elettronica di controllo è operativamente collegata al generatore di vapore e/o al pressostato in modo tale da settare un valore di taratura del pressostato (10b) sulla base di detta richiesta di energia elettrica e/o di calore.
30. 30. Impianto di cogenerazione (50) secondo la rivendicazione 28 o 29, in cui detta apparecchiatura elettronica di controllo (6) è configurata per rilevare un valore di pressione e/o un valore di temperatura del vapore all’interno del generatore di vapore.
31. 31. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 30, comprendente una valvola di intercettazione (6b) operativamente connessa a, e comandabile da, detta apparecchiatura elettronica di controllo (6) in modo tale che, al raggiungimento della pressione richiesta nel generatore di vapore, detta valvola (6b) si porti in una configurazione di apertura consentendo la fuoriuscita del vapore ad alta pressione dal generatore di vapore e, attraverso luci di immissione (81, 82) dell’involucro dell’espansore rotativo (1), tale vapore si immetta nel cilindro toroidale e determini la progressiva rotazione delle due coppie di pistoni (24-25; 34-35).
32. 32. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 31, comprendente un regolatore (2a) operativamente connesso a detto alternatore/generatore elettrico (2) e configurato per comandarne la produzione di energia elettrica e controllarne i valori di tensione e/o corrente.
33. 33. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 32, comprendente un serbatoio di raccolta (4), posto a valle dello scambiatore/condensatore (3) e configurato per ricevere da quest’ultimo acqua di condensa.
34. 34. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 33, comprendente una pompa (5), preferibilmente azionata dallo stesso espansore rotativo (1) e configurata per riportare l’acqua di condensa, contenuta nel serbatoio (4), all’interno generatore (10) per essere nuovamente riscaldata e trasformata in vapore, in modo tale assicurare la continuità del ciclo termodinamico di Rankine.
35. 35. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 34, in cui il generatore di vapore è una caldaia dotata di bruciatore di combustibile.
36. 36. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 35, in cui il primo e/o il secondo scambiatore-surriscaldatore sono separati dal generatore di vapore propriamente detto e l’impianto può comprendere opportune condutture configurate per consentire di sottoporre il vapore ad un primo surriscaldamento in uscita dal generatore di vapore, a monte della prima luce di immissione, ed un secondo surriscaldamento del vapore nel tragitto tra la prima luce di espulsione e la seconda luce di immissione.
37. 37. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 36, in cui detti primo e/o secondo scambiatore-surriscaldatore sono integrati nella stessa struttura e/o nel condotto dei fumi di scarico di detto generatore di vapore.
38. 38. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 37, in cui detto generatore di vapore e/o detto primo e/o detto secondo scambiatoresurriscaldatore utilizzano un bruciatore di combustibile oppure una qualsiasi fonte di calore esterna, quale energia solare, biomassa, combustibile non raffinato, scarico industriale ad alta temperatura, fusione fredda, o altro, atta a produrre vapore saturo ad alta temperatura e pressione.
39. 39. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 38, comprendente opportune condutture che collegano detto generatore di vapore con detti scambiatori-surriscaldatori di vapore, con detto espansore rotativo e quest’ultimo con detto scambiatore/condensatore.
40. 40. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 39, configurato e predisposto per operare almeno nelle le seguenti fasi e per passare tra una e l’altra fase: - una fase di attesa, nella quale il generatore di vapore mantiene il vapore al suo interno ad una determinata pressione di taratura, corrispondente al valore di taratura del pressostato, determinata mediante un’apparecchiatura elettronica di controllo, in modo tale da poter attivare rapidamente il ciclo, - una fase di avvio, nella quale il generatore di vapore riscalda il vapore al suo interno in modo tale da aumentarne la pressione, tale fase consentendo, al manifestarsi di una richiesta di energia elettrica da parte dell’utenza, di adeguare il valore di taratura del pressostato adeguandolo alla effettiva necessità; - una fase di normale funzionamento, nella quale l’apparecchiatura elettronica di controllo comanda l’apertura della valvola di intercettazione, provocando la fuoriuscita di vapore dal generatore di vapore e l’immissione di tale vapore nel cilindro toroidale o cilindro anulare dell’espansore rotativo, che determina la rotazione delle due coppie di pistoni e, conseguentemente, il trascinamento dell’alternatore, dando luogo alla produzione di energia elettrica nella quantità richiesta dall’utenza.
41. 41. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 20 a 40, configurato e predisposto per realizzare un metodo di cogenerazione di energia elettrica e calore comprendente le fasi di: - produrre un flusso di vapore ad alta pressione mediante detto generatore di vapore (10); - inviare detto flusso di vapore all’espansore rotativo (1) dell’impianto di cogenerazione (50); - porre in rotazione, mediante detto flusso di vapore, la prima coppia di pistoni (24-25) e la seconda coppia di pistoni (34-35) dell’espansore rotativo (1); - produrre, mediante un alternatore/generatore elettrico (2) disposto a valle dell’espansore rotativo (1) e collegato ad esso per ricevere energia meccanica dalle due coppie di pistoni rotanti (24-25; 34-35), una quantità di energia elettrica destinata ad essere inviata ad un impianto utilizzatore, preferibilmente di una o più unità abitative o altre utenze di qualsiasi genere; - estrarre, mediante uno scambiatore/condensatore (3) disposto a valle dell’espansore rotativo (1) e collegato ad esso per ricevere dallo stesso un flusso di vapore scarico a bassa pressione, una quantità di calore destinata ad essere inviata ad un impianto di riscaldamento e/o di produzione di acqua calda sanitaria, preferibilmente di una o più unità abitative o altre utenze di qualsiasi genere.
42. 42. Impianto di cogenerazione (50) secondo la rivendicazione precedente, in cui detta fase di inviare detto flusso di vapore all’espansore rotativo (1) comprende la fase di immettere il vapore in detto espansore rotativo (1) contemporaneamente attraverso la prima (81) e la seconda luce di immissione (82) sotto forma di doppio flusso di vapore, dove ciascuna luce di immissione (81-82) riceve sostanzialmente metà di detto flusso di vapore e ciascuna luce di espulsione (91-92) espelle sostanzialmente metà di detto flusso di vapore, in modo tale da produrre una rotazione bilanciata della prima e della seconda coppia di pistoni (24-25;34-35) e una variazione uniforme, lungo una rotazione completa dei pistoni, del volume di dette camere (C1-C2-C3-C4), le due metà di detto flusso di vapore espulse dalle due luci di espulsione (91-92) essendo convogliate in detto scambiatore/condensatore (3).
43. 43. Impianto di cogenerazione (50) secondo la rivendicazione 41, in cui detta fase di inviare detto flusso di vapore all’espansore rotativo (1) comprende le fasi di immettere il vapore in detto espansore rotativo (1) interamente attraverso detta prima luce di immissione (81), per produrre una rotazione di dette coppie di pistoni (24-25;34-35), espellere interamente attraverso detta prima luce di espulsione (91), da quest’ultima reimmettere il vapore interamente in detto espansore rotativo (1) attraverso detta seconda luce di immissione (82), per produrre una rotazione di dette coppie di pistoni (24-25;34-35), ed espellere il vapore interamente attraverso detta seconda luce di espulsione (92) verso detto scambiatore/condensatore (3), in modo tale da determinare un percorso in serie del vapore proveniente da detto generatore di vapore (10).
44. 44. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 41 a 43, in cui detto metodo comprende la fase di surriscaldare il flusso di vapore in uscita dal generatore di vapore (10) mediante un primo scambiatore-surriscaldatore (10c) collocato in posizione intermedia tra detto generatore di vapore (10) e detto espansore rotativo (1).
45. 45. Impianto di cogenerazione (50) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 41 a 44, in cui detto metodo comprende la fase di surriscaldare il flusso di vapore in transito lungo detto percorso in serie in un punto a valle di detta prima luce di espulsione (91) e a monte di detta seconda luce di immissione (82), tramite la quale il vapore è reimmesso nell’espansore rotativo (1), detta fase di surriscaldare essendo operata mediante un secondo scambiatore-surriscaldatore (10d) disposto in posizione intermedia tra detta prima luce di espulsione (91) e detta seconda luce di immissione (82).