ITUD20120093A1 - Motore termico con fonte di calore esterna e valvola per detto motore - Google Patents

Description

"MOTORE TERMICO CON FONTE DI CALORE ESTERNA E VALVOLA PER DETTO MOTORE"

CAMPO DI APPLICAZIONE

II presente trovato si riferisce ad un motore termico con fonte di calore esterna, quale combustione, oppure scambio di calore, ovvero riscaldamento, esterno, per realizzare un ciclo termodinamico, tipo un ciclo Ericsson o ciclo Brayton, mediante un fluido, o gas, quale ad esempio aria, in cui la fase attiva di generazione della potenza, ovvero fasi di lavoro, prevede un’espansione adiabiatica, per la produzione di potenza, convertibile in energia elettrica per tutti gli usi noti. Il trovato è anche diretto ad una relativa valvola per detto motore.

Il motore, e la relativa valvola, del presente trovato sono utilizzati ad esempio, ma non esclusivamente, in un impianto integrato per la conversione dell’energia termica associata alla luce solare, oppure derivante dalla combustione di combustibili tradizionali, fluido, o gas, quale aria, liquidi o solidi, eventualmente anche biomasse, in energia elettrica, con una conversione meccanica intermedia, che può essere impiegata ad esempio per le utenze domestiche, con possibile recupero del calore associato al fluido, o gas, quale aria, impiegato nel ciclo termodinamico del motore stesso.

Va da sé che la valvola ed il motore del presente trovato possono in ogni caso essere utilizzati per altre applicazioni nelle quali sia necessario sfruttare la forza motrice generata dal motore.

STATO DELLA TECNICA

Sono noti motori termici con fonte di calore esterna, quali una fornace, o concentratore solare, oppure una caldaia a combustibile, solido, liquido o fluido, o gas, quale aria.

Tali motori sono progettati per effettuare un ciclo termodinamico mediante un fluido, o gas, quale aria, in cui è prevista, come fase di lavoro, un’espansione adiabatica del fluido. Tali motori noti prevedono due cilindri separati associati a relativi steli, di cui un primo cilindro compressore ed un secondo cilindro espansore. La testata del primo e del secondo cilindro sono tradizionalmente equipaggiate ciascuna con due valvole a spillo, o fungo, di non ritorno, per indirizzare selettivamente l’immissione e lo scarico del fluido rispetto all’interno del primo cilindro, coordinatamente alle fasi di espansione e compressione. Dette valvole sono di tipo automatico, ovvero azionate dalla pressione del fluido, o gas, quale aria, e non da dispositivi meccanici esterni.

Il fluido, o gas, quale aria, viene immesso, tramite una delle suddette valvole a spillo, o fungo, nel primo cilindro, dove viene aspirato dal movimento discendente dello stantuffo associato, inizialmente avviato da un motore ausiliario di avviamento. Successivamente, è prevista una fase di compressione in cui il movimento ascendente dello stantuffo nel primo cilindro determina l’invio, attraverso l’altra valvola a spillo, o fungo, verso un gruppo di riscaldamento associato alla suddetta fonte di calore esterna che provvede ad un riscaldamento isobaro del fluido, o gas, quale aria, di lavoro, anche fino a 700-100 gradi.

II fluido, o gas, quale aria, riscaldato viene immesso, attraverso una delle valvole a spillo, o fungo, nel secondo cilindro espansore, determinando il movimento discendente dell’associato stantuffo, effettuando, così, l’espansione adiabatica che produce la potenza richiesta fornendo l’energia meccanica all’asse del motore. Il fluido, o gas, quale aria, esausto viene espulso dall’altra valvole a spillo, o fungo che funge da scarico. Il ciclo successivo prosegue con l’aria esausta che viene nuovamente immessa nel primo cilindro.

In genere, il ciclo termodinamico di questi motori noti sottopone gli elementi ed i materiali costituenti ad un elevato stress termico, che può portare, in caso di un dimensionamento non effettuato correttamente, a problemi costruttivi, o addirittura al cedimento.

Le valvole a spillo, o fungo note, così come eventualmente le valvole a farfalla, per la loro configurazione, contribuiscono ad una fasatura che diventa approssimativa nel contesto di un motore del tipo di cui si discute e garantiscono un rendimento piuttosto basso, o quantomeno migliorabile.

Inoltre, un ulteriore inconveniente consiste nella difficoltà di realizzazione delle suddette valvole in relazione alla loro conformazione e anche in relazione al rendimento da ottenere.

Le diverse fasi dei cicli termodinamici di cui sopra sono definiti da tempi ridottissimi, praticamente istantanei. Diventa un parametro importante l’esatta fasatura delle valvole.

Uno scopo del presente trovato è quello di realizzare una valvola, particolarmente per un motore utilizzato per la generazione congiunta di elettricità e calore, che resista agli stress termici a cui è sottoposta durante il ciclo, che garantisca un rendimento elevato del motore durante il suo ciclo e che sia semplice da realizzare.

Per ovviare agli inconvenienti della tecnica nota e per ottenere questi ed ulteriori scopi e vantaggi, la Richiedente ha studiato, sperimentato e realizzato il presente trovato.

ESPOSIZIONE DEL TROVATO

Il presente trovato è espresso e caratterizzato nella rivendicazione indipendente. Le rivendicazioni dipendenti espongono altre caratteristiche del presente trovato o varianti dell’idea di soluzione principale.

In accordo con il suddetto scopo, un motore termico con fonte di calore esterna secondo il presente trovato è utilizzabile per effettuare un ciclo termodinamico mediante un fluido, o gas, quale aria, in cui è prevista, come fase di lavoro, un’espansione adiabatica del fluido.

Il motore comprende un primo cilindro compressore provvisto di un primo stantuffo mobile in modo alterno lungo una prima corsa ed un secondo cilindro espansore provvisto di un secondo stantuffo mobile in modo alterno lungo una seconda corsa, nel quale secondo cilindro avviene un’espansione adiabatica del fluido per generare la potenza voluta.

Il primo cilindro ed il secondo cilindro sono associati ad una testata che comprende una prima coppia di luci associate al primo cilindro ed equipaggiate con primi mezzi valvolari ed una seconda coppia di luci associate al secondo cilindro, in cui i moti alternati del primo stantuffo e del secondo stantuffo sono tra loro coordinati in modo alterno a mezzo di un meccanismo di sfasatura a sua volta connesso ad un albero motore che fornisce in uscita la potenza prodotta dall’espansione adiabatica, sì che la posizione di punto morto superiore del primo stantuffo corrisponda alla posizione di punto morto inferiore del secondo stantuffo, e viceversa.

Secondo il presente trovato, il motore comprende un’unica valvola rotante associata alla seconda coppia di luci del secondo cilindro, che presenta due vie di passaggio, ciascuna posta alternativamente in comunicazione con una corrispondente di dette luci per indirizzare selettivamente Γ immissione e lo scarico del fluido rispetto aH’intemo del secondo cilindro, coordinatamente al moto alterno che compie il secondo stantuffo nel secondo cilindro.

La rotazione della valvola rotante, che presenta di volta in volta, in modo sincronizzato, le vie di passaggio in cooperazione con una o l’altra luce del secondo cilindro, in funzione del movimento alternato del secondo stantuffo, garantisce la periodicità dell’apertura e della chiusura della valvola, sincronizzandosi con le fasi del ciclo. Il motore, e la valvola, del presente trovato garantiscono così una fasatura adeguata per massimizzare il rendimento.

Infatti, prove sperimentali condotte dalla Richiedente hanno dimostrato che una configurazione di questo tipo porta ad un rendimento elevato del ciclo termodinamico in cui si impiegano il motore e la valvola rotante del presente trovato.

Inoltre, la configurazione rotante consente una maggiore resistenza agli stress termici a cui sono sottoposti il motore e la valvola, durante il ciclo. Ulteriormente, la realizzazione della valvola rotante è economica e non complessa rispetto alle soluzioni della tecnica nota.

Secondo una forma di realizzazione del presente trovato, il motore comprende un organo statore montato su detta testata, all’interno di detto organo statore essendo girevolmente alloggiata la valvola rotante. L’organo statore presenta aperture le quali pongono in comunicazione selettivamente dette vie di passaggio con l’interno del secondo cilindro e rispettivamente da un lato con l’ingresso dell’aria riscaldata nel secondo cilindro e dall’altro lato con l’uscita dell’aria esausta dal secondo cilindro.

Secondo una forma di realizzazione del presente trovato, detta valvola rotante è configurata per ruotare attorno ad un proprio asse centrale di simmetria, trasversale alla direzione lungo la quale avviene il movimento alternato del secondo stantuffo. In una variante, le luci del secondo cilindro e le relative vie di passaggio sono associate a corrispondenti condotti di immissione del fluido nella luce, attraverso la via di passaggio di immissione e di scarico del fluido nella luce, attraverso la via di passaggio di scarico.

In una variante, le vie di passaggio della valvola rotante sono rispettivamente associate, in modo sfalsato l’una rispetto all’altra, alle luci del secondo cilindro, in modo che quando la via di passaggio di immissione si trova rivolta ed affacciata alla luce di ingresso, consentendo l’immissione del fluido nel secondo cilindro per la fase di espansione correlata al moto discendente del secondo stantuffo, la via di passaggio di scarico non è rivolta verso la luce di uscita, che risulta così chiusa, e viceversa. In una variante realizzativa, la valvola rotante è formata da almeno un corpo cilindrico, favorevolmente montato girevole in detto organo statore, sulla cui superficie laterale sono ricavate dette vie di passaggio. La posizione angolare reciproca delle vie di passaggio sulla superficie laterale del corpo cilindrico è angolarmente sfalsata in maniera coordinata alla seconda corsa del secondo stantuffo nel secondo cilindro, in modo che quando il secondo stantuffo si muove per effettuare la compressione verso la posizione di punto morto superiore, l’aria può essere scaricata attraverso la luce, che risulta posta in comunicazione con la via di passaggio mentre la luce è chiusa da una determinata parte piena della superficie laterale del corpo cilindrico, mentre quando il secondo stantuffo si muove per effettuare l’espansione adiabatica verso la posizione di punto morto inferiore, l’aria può essere immessa attraverso la luce, che risulta posta in comunicazione con la via di passaggio e la luce è chiusa da un’altra determinata parte piena della superficie laterale del corpo cilindrico.

In una variante, la sincronia tra valvola rotante e movimento alternato del secondo stantuffo è determinata mediante un reciproco accoppiamento cinematico che deriva la rotazione dall’albero motore verso la valvola rotante, abbinando in modo univoco la posizione del punto morto superiore ed inferiore del secondo stantuffo alla posizione angolare delle vie di passaggio della valvola rotante.

Secondo una forma di realizzazione, il collegamento cinematico tra albero motore e valvola rotante è realizzato mediante una prima puleggia accoppiata all’albero motore che, tramite mezzi di trasmissione, pone in rotazione una seconda puleggia accoppiata alla valvola rotante, ponendola in rotazione.

In una variante realizzativa, il motore del presente trovato è associato ad un compressore a monte del primo cilindro, mediante il quale pre-comprimere l’aria in ingresso al primo cilindro, e meccanicamente accoppiato all’albero motore.

Forme di realizzazione del presente trovato prevedono che la valvola rotante sia cava, e quindi che il flusso di fluido entri assialmente al suddetto, mentre l’uscita dalla valvola avvenga ortogonalmente all’asse longitudinale attraverso una relativa via di passaggio, ricavata su tutto lo spessore del cilindro rotante.

Altre forme di realizzazione prevedono che la valvola rotante sia piena, in modo che il fluido entrante nella valvola sia ortogonale all’asse longitudinale della stessa.

ILLUSTRAZIONE DEI DISEGNI

Queste ed altre caratteristiche del presente trovato appariranno chiare dalla seguente descrizione di una forma di realizzazione, fornita a titolo esemplificativo, non limitativo, con riferimento agli annessi disegni in cui:

- la fig. 1 è la schematizzazione di una vista frontale di un motore secondo il presente trovato associato ad un impianto per il recupero del calore associato al fluido, o gas, quale aria, di lavoro;

- la fig. 2 è uno schema a blocchi di un motore secondo il presente trovato associato ad un impianto per il recupero del calore associato al fluido, o gas, quale aria, di lavoro; - la fig. 3 è una vista in prospettiva di una parte del motore di fig. 1 ;

- la fig. 4 è una parte di fig. 3;

- la fig. 5 è un’ulteriore parte di fig. 3;

- la figg. 6 e 7 sono diagrammi relativi ad un possibile esempio di fasatura del motore del presente trovato.

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME DI REALIZZAZIONE

Con riferimento alla fig. 1, un motore 10 termico con fonte di calore esterna secondo il presente trovato è utilizzabile in un impianto 90 per convertire l’energia termica prodotta dalla fonte di calore esterna, nel caso in esempio da un impianto a concentrazione solare, generalmente provvisto di uno specchio parabolico concentratore, in energia meccanica convertibile in energia elettrica e calore. Non si esclude, tuttavia, che la fonte di calore esterna sia una caldaia a combustibile fluido, o gas, quale aria, liquido o solido, vantaggiosamente combustibile solido a biomassa, ad esempio cippato, pellet od analoghi. In fig. 2 si rappresenta un esempio di impianto 90 completo per la generazione di elettricità e recupero calore comprendente il motore 10 del presente trovato.

Il motore 10 è progettato per effettuare un ciclo termodinamico mediante un fluido, o gas, quale aria, in cui è prevista, come fase di lavoro, un’espansione adiabatica del fluido.

Nel caso descritto in esempio il fluido impiegato è aria a pressione ambiente.

Il motore 10 comprende un primo cilindro 11 compressore in cui scorre con moto alternato, lungo una determinata prima corsa, un primo stantuffo, o pistone, 12 ed un secondo cilindro 13 espansore, separato dal primo cilindro 11, in cui scorre con moto alternato, lungo una determinata seconda corsa, un secondo stantuffo, o pistone, 14. Vantaggiosamente, la cilindrata del primo cilindro 11 è circa quattro volte inferiore alla cilindrata del secondo cilindro 13.

Il primo cilindro 11 ed il secondo cilindro 13 sono associati ad una testata 31 comune che li chiude superiormente, definendo complessivamente un corpo motore 15 chiuso in cui avvengono le fasi di compressione e espansione dell’aria previste.

La testata 31 comprende una prima coppia di luci 36, 37, rispettivamente di immissione del fluido e di scarico, associate al primo cilindro 11 ed una seconda coppia di luci 43, 44, anche in questo caso rispettivamente di immissione del fluido e di scarico, associate al secondo cilindro 13.

I moti alternati del primo stantuffo 12 e del secondo stantuffo 14 sono tra loro coordinati e sfasati di 180° in modo che la posizione di punto morto superiore (PMS), ovvero di massima compressione, del primo stantuffo 12 corrisponda alla posizione di punto morto inferiore (PMI), ovvero di massima espansione, del secondo stantuffo 14, e viceversa.

II primo stantuffo 12 ed il secondo stantuffo 14 sono cinematicamente associati a mezzo di un meccanismo a collo d’oca 17 con sfasamento angolare a 180°, disposto inferiormente nel corpo motore 15, che determina il voluto sfasamento alternato del primo stantuffo 12 e del secondo stantuffo 14. A sua volta, il meccanismo a collo d’oca 17 è associato ad un albero motore 22 che fornisce la potenza richiesta.

Le luci 36, 37 del primo cilindro 11 sono equipaggiate con due valvole a spillo, o fungo, di non ritorno, rispettivamente di immissione 26, per l’aspirazione dell’aria nel primo cilindro 11 e di scarico 27, per lo scarico del fluido, coordinatamente alle fasi di espansione e compressione che compie il primo stantuffo 12 nel primo cilindro 11. Dette valvole 26, 27 sono di tipo automatico, ovvero azionate dalla pressione del fluido, o gas, quale aria, e non da dispositivi meccanici esterni.

Le luci 36, 37 del primo cilindro 11 e le relative valvole 26, 27 sono associate a corrispondenti condotti 39, 40, di cui un primo condotto 39 di immissione deH’aria nella luce 36, attraverso la valvola 26, ed un secondo condotto 40 di scarico dell’aria nella luce 37, attraverso la vaiola 27.

Secondo il presente trovato, le luci 43, 44 del secondo cilindro 13, rispettivamente luce 43 di immissione deH’aria e luce 44 di scarico dell’aria, sono equipaggiate con un’unica valvola rotante 80, formata da un corpo cilindrico 16 (fig. 1), 45 (figg. 3 - 5) calettato sulla testata 31, che può essere cavo o pieno, la quale è configurata per ruotare attorno ad un proprio asse centrale X di simmetria, trasversale, vantaggiosamente perpendicolare, alla direzione lungo la quale avviene il movimento alternato del secondo stantuffo 14.

In particolare, la valvola rotante 80 presenta due vie di passaggio 53, 54 ricavate sulla superficie laterale del corpo cilindrico 16, 45 per indirizzare selettivamente l’immissione e lo scarico del fluido rispetto all’interno del secondo cilindro 13, coordinatamente alle fasi di espansione e compressione che compie il secondo stantuffo 14 nel secondo cilindro 13.

Le luci 43, 44 del secondo cilindro 13 e le relative vie di passaggio 53, 54 sono associate a corrispondenti condotti 41, 42, di cui un terzo condotto 41 di immissione dell’aria nella luce 43, attraverso la via di passaggio 53, ed un quarto condotto 42 di scarico dell’aria nella luce 44, attraverso la via di passaggio 54.

Le vie di passaggio 53, 54 sono in comunicazione selettiva rispettivamente con il terzo condotto 41 di immissione dell’aria riscaldata e con il quarto condotto 42 di scarico dell’ aria esausta.

Sulla testata 31 è montato un organo statore 46 di connessione meccanica, al cui interno è girevolmente alloggiata la valvola rotante 80. Ciascun organo statore 46 presenta aperture 52, 55, di cui una prima apertura 52 interna è affacciata ad una rispettiva luce 43, 44 ed una seconda apertura 55 esterna è prevista per la comunicazione fluidica con l’esterno.

Considerando il flusso di fluido dall’esterno all’interno del secondo cilindro 13 in corrispondenza della luce 43, la prima apertura 52 interna è a valle della seconda apertura 55 lungo il percorso del fluido così individuato, mentre considerando il flusso di fluido dall’interno all’esterno del secondo cilindro 13 in corrispondenza della luce 44, la prima apertura 52 interna è a monte della seconda apertura 55 lungo il percorso del fluido così individuato.

Tali aperture 52, 55 pongono, quindi, in comunicazione selettivamente le rispettive vie di passaggio 53, 54 da un lato con l’interno del secondo cilindro 13 e dall’altro lato rispettivamente da un lato con l’ingresso dell’aria riscaldata nel secondo cilindro 13, mediante il terzo condotto 41 e con l’uscita dell’aria esausta dal secondo cilindro 13, mediante il quarto condotto 42.

La fasatura della valvola rotante 80 è prevista principalmente in funzione dei volumi dei condotti 39, 40, 41 e 42 e in funzione della corsa del secondo stantuffo 13. In particolare, le vie di passaggio 53, 54 sono rispettivamente associate, in modo sfalsato Luna rispetto all’altra, alle luci 43, 44 del secondo cilindro 13, in modo che quando la via di passaggio 53 si trova rivolta ed affacciata alla luce 43, consentendo l’immissione dell’aria nel secondo cilindro 13 per la fase di espansione correlata al moto discendente del secondo stantuffo 14, la via di passaggio 54 non è rivolta verso la luce 44, che risulta così chiusa, e viceversa.

Secondo il presente trovato, la posizione angolare reciproca delle vie di passaggio 53, 54 sulla superficie laterale del corpo cilindrico 16, 45 è angolarmente sfalsata in maniera coordinata alla corsa del secondo stantuffo 14 nel secondo cilindro 13, in modo che quando il secondo stantuffo 14 si muove per effettuare la compressione e dirige verso la posizione di punto morto superiore (PMS), l’aria può essere scaricata attraverso la luce 44, che risulta posta in comunicazione con la via di passaggio 54 mentre la luce 43 è chiusa da una determinata parte piena della superficie laterale del corpo cilindrico 16, 45 (fig. 1). Invece, quando il secondo stantuffo 14 si muove per effettuare l’espansione adiabatica e si dirige verso la posizione di punto morto inferiore (PMI), l’aria può essere immessa attraverso la luce 43, che risulta posta in comunicazione con la via di passaggio 53 e la luce 44 è chiusa da un’altra determinata parte piena della superficie laterale del corpo cilindrico 16, 45.

La sincronia tra valvola rotante 80 e movimento alternato del secondo stantuffo 14 è consentita mediante un reciproco accoppiamento cinematico che deriva la rotazione dall’albero motore 22 verso la valvola rotante 80. In questo modo, la valvola rotante 80 e l’albero motore 22 ruotano allo stesso numero di giri, abbinando in modo univoco la posizione del punto morto superiore (PMS) ed inferiore (I) del secondo stantuffo 14 alla posizione angolare delle vie di passaggio 53, 54 della valvola rotante 80.

In una possibile soluzione esemplificativa del trovato, il collegamento cinematico tra albero motore 22 e valvola rotante 80 è realizzato mediante una prima puleggia 32 accoppiata all’albero motore 22 che, tramite mezzi di trasmissione, tipo cinghia dentata 33, pone in rotazione una seconda puleggia 34, accoppiata ad una porzione di accoppiamento, o codolo, 30 del corpo cilindrico 16, 45 della valvola rotante 80, ponendola in rotazione.

Nella fattispecie, le vie di passaggio 53 e 54 sono ricavate con sfalsamento angolare di circa 90° sulla superficie laterale del corpo cilindrico 16, 45 della valvola rotante 80.

Secondo alcune varianti del presente trovato, tali vie di passaggio 53, 54 possono essere passanti radialmente attraverso la superficie laterale quali finestre, asole, di passaggio, oppure cieche radialmente passanti tangenzialmente alla superficie laterale del corpo cilindrico 16, 45.

Secondo un possibile funzionamento del presente trovato, l’aria viene immessa, vantaggiosamente precompressa, dal primo condotto 39 nel primo cilindro 11, passante attraverso la luce 36, con valvola 26 aperta automaticamente a causa del valore di pressione deH’aria.

In particolare, l’aria viene aspirata dal movimento discendente del primo stantuffo 12 associato, che si sposta verso il relativo punto morto inferiore (PMI).

In determinate applicazione, la cilindrata del primo cilindro 11 compressore può essere troppo limitata per poter ottenere un rendimento accettabile. A tal fine, considerando la fasatura di ammissione sul secondo cilindro 13 di espansione, che insieme alla temperatura massima raggiunta dall’aria nel ciclo determina il rapporto di compressione del sistema, è vantaggioso pre-comprimere l’aria a monte del primo cilindro 11.

Secondo una forma realizzativa del presente trovato, quindi, il motore 10 è associato ad un compressore 24 a monte del primo cilindro 11, mediante il quale precomprimere l’aria in ingresso al primo cilindro 11, ad esempio ad un valore di 2 bar, o più. Il compressore 24 riceve l’aria dall’esterno, filtrata da un filtro aria 98. Il compressore 24 può essere favorevolmente accoppiato direttamente, od indirettamente, all’albero motore 22. Nella soluzione descritta in esempio, tale accoppiamento viene effettuato mediante un’ulteriore terza puleggia 35, associata alla cinghia dentata 33 di cui sopra, nel caso di specie in posizione intermedia tra la prima puleggia 32 e la seconda puleggia 34, che aziona, mediante un albero 23, il compressore 24. Quest’ultimo può essere provvisto di una valvola di invio 25, del tipo analogo alle valvole 26, 27, per immettere l’aria pre-compressa nel suddetto primo condotto 39. In un’altra variante, il compressore 24 può essere un compressore elettrico ausiliario.

Vantaggiosamente, il motore 10 è associato ad un motore ausiliario di avviamento 18, che ne determina ravviamento iniziale, in particolare avviando il movimento del primo stantuffo 12 e consentendo la pre-compressione dell’aria.

Successivamente, con il primo stantuffo 12 che risale verso il punto morto superiore (PMS), con entrambe le valvole 26, 27 chiuse, è prevista una fase di compressione determinata dal movimento ascendente dello primo stantuffo 12 nel primo cilindro 11, fino a che, raggiunto punto morto superiore (PMS), è prevista l’apertura della valvola 27, sempre a causa del nuovo valore della pressione dell’aria, e lo scarico della stessa attraverso la luce 37 nel secondo condotto 40.

Da qui, l’aria scaricata viene inviata, direttamente, oppure effettuando uno o più passaggi di scambio termico di pre-riscaldo, verso un circuito di surriscaldamento 28, eventualmente passando attraverso un rigeneratore, o scambiatore termico, 29 di un gruppo di riscaldamento 92, non rappresentato in dettaglio, dell’impianto a concentrazione solare od altra possibile fonte di calore esterna, che provvede ad un riscaldamento isobaro dell’aria di lavoro, anche fino a 700-100 gradi. A monte del gruppo di riscaldamento 92 è previsto un raccordo 83 per alta pressione.

A questo punto, l’aria così riscaldata, passando lungo il terzo condotto 41, viene immessa, attraverso la via di passaggio 53 in posizione rivolta verso la luce 43, nel secondo cilindro 13. Il secondo stantuffo 14 compie il movimento discendente verso il punto morto inferiore (PMI), effettuando, così, l’espansione adiabatica che produce la potenza richiesta fornendo l’energia meccanica all’albero motore 22.

Al termine dell’espansione, la corsa di ritorno del secondo stantuffo 14 verso il punto morto superiore (PMS) determina lo scarico dell’aria esausta nel quarto condotto 42, attraverso la via di passaggio 54 in posizione rivolta verso la luce 44. Il ciclo successivo prosegue con l’aria esausta che viene nuovamente immessa nel primo cilindro 11, vantaggiosamente pre-compressa dal compressore 24.

E’ previsto, a monte dell’ingresso nel primo cilindro 11, un raccordo 85 per bassa pressione, cui convergono sia l’uscita del compressore 24, sia dell’aria esausta.

In una variante dell’impianto 90, prima che l’aria esausta venga nuovamente precompressa, l’energia termica residua della stessa viene recuperata dal rigeneratore 29. Nel rigeneratore 29 l’energia termica viene ceduta ad una massa ad alto calore specifico che la assorbe dall’aria esausta in uscita e, vantaggiosamente, la cede all’aria in entrata, diretta verso il gruppo di riscaldamento 92, pre-riscaldandola prima che venga inviata al gruppo di riscaldamento 92, aumentando l’efficienza termica del sistema. Il calore residuo ancora presente nell’aria viene ulteriormente scambiato attraverso uno scambiatore di calore 38 per accumulare calore nell’acqua per il riscaldamento ed uso sanitario, in modo da sfruttare la maggior parte dell’energia solare, eventualmente cooperando con uno scambiatore aria ambiente 57. L’acqua così riscaldata può anche raggiungere la temperatura di 10-85°C.

Può essere previsto un by-pass 84, per evitare il passaggio nel rigeneratore 29 dell’aria uscente dal primo cilindro 11 ed indirizzarla direttamente verso il gruppo di riscaldamento 92.

In una variante esemplificativa del presente trovato il motore di avviamento ausiliario 18 può essere alimentato da un pannello fotovoltaico 82 che può essere installato solidalmente all’asse dello specchio parabolico dell’impianto 90 a concentrazione solare.

Quando l’esposizione luminosa è sufficiente, una centralina elettronica di comando 19 alimenta il motore di avviamento ausiliario 18 collegato ad una puleggia di avviamento 20. Quest’ultima trasmette il moto ad un volano 21, il cui asse di rotazione corrisponde con l’asse di rotazione dell’albero motore 22.

Nell’esempio di fig. 2, all’albero motore 22 è accoppiato un alternatore 93 per la produzione di energia elettrica. A sua volta, l’alternatore 93 è collegato ad un raddrizzatore/regolatore di carica 94, ed un banco accumulatori 95, ad un inverte 96 a 230V ed infine ai carichi utilizzatori 97.

La valvola rotante 80, secondo una prima variante realizzativa rappresentata schematicamente in fig. 1, può essere formata da un pezzo unico rappresentato dal corpo cilindrico 16, su cui come detto sono ricavate le vie di passaggio 53, 54. In tale soluzione, il corpo cilindrico 16 è internamente suddiviso, mediante una parete di separazione 62, in due camere 63, 64 tra loro non comunicanti, in cui sono previste le rispettive vie di passaggio 53, 54.

Nella variante delle figg. 3 - 5, invece, la valvola rotante 80 è formata da due parti o corpi cilindrici cavi, di cui si rappresenta per praticità di comprensione solamente un corpo cilindrico 45 rotante, mentre sono illustrati sia il terzo condotto 41 sia il quarto condotto 42 ricavati nella testata 31.

Ciascun corpo cilindrico 45 è girevolmente alloggiato all’interno di un manicotto che nel caso di specie rappresenta l’organo statore 46 di collegamento meccanico e fluidico (figg. 3 e 4).

Nella soluzione illustrata, ciascun corpo cilindrico 45 definisce una cavità 51 interna, che pone in comunicazione le aperture 52 esterna e 55 interna, tramite la relativa via di passaggio 53, 54.

Ciascun corpo cilindrico 45 è posto in rotazione, attorno al suo asse longitudinale, nel caso di specie dalla terza puleggia 35 connessa direttamente all’albero motore 22. Il movimento rotante dei due corpi cilindrici 45, in particolare la loro velocità angolare, è sincronizzato in modo coordinato alle fasi di espansione e compressione del secondo stantuffo 14 in modo meccanico, elettromeccanico od elettronico mediante mezzi di sincronizzazione cinematica non rappresentati nei disegni.

Il manicotto 46, di cui nelle figg. 3 e 5 si rappresenta solo quello associato al corpo cilindrico raffigurato, è predisposto per alloggiare il corpo cilindrico 45 all’interno di un foro di alloggiamento 47 e comprende, inoltre, una superficie di battuta 48 per la superficie laterale 58 del cilindro rotante 45.

II manicotto 46 comprende, inoltre, due primi fori di fissaggio 49 da sovrapporre a corrispondenti secondi fori di fissaggio 50, questi ultimi realizzati sulla testata 31, per fissare, ad esempio tramite viti, il manicotto 46 alla testata 31 stessa.

Quattro fori di collegamento 56 collegano, ad esempio tramite viti, una flangia del quarto condotto 42, non rappresentato nelle figg. 3 - 5, ma che si estende in direzione ortogonale all’asse di rotazione della valvola rotante 80 e all’asse dei condotti 41 e 42 della testata 31. Il terzo condotto 41 è collegato in modo analogo mediante flangia. Nel caso di specie, ciascuna prima apertura 52 interna di immissione è realizzata sul relativo manicotto 46 risultando sovrapposta al quarto condotto 42 della testata 31, mentre la seconda apertura 55 esterna di scarico viene collegata al quarto condotto 42.

Sul corpo cilindrico 45 rappresentato viene ricavata la via di passaggio 53 di aspirazione, opportunamente sagomata secondo dimensioni tali da assicurare un’adeguata fasatura. L’altro corpo cilindrico 45, non rappresentato, presenta la via di passaggio 54 di scarico.

Nella soluzione in esempio, la valvola rotante 80, ruotando attorno al suo asse longitudinale grazie al moto dell’albero motore 22, mette in comunicazione il quarto condotto 42 con il secondo stantuffo 14 di espansione nell’istante in cui la via di passaggio 53 si sovrappone alla prima apertura 52.

L’aria, in arrivo dal circuito di surriscaldamento 28 attraverso il terzo condotto 41, entra assialmente al corpo cilindrico 45, attraversa la via di passaggio 53 di aspirazione che si trova sovrapposta, in quel momento, alla prima apertura 52 di immissione. L’aria riscaldata è quindi libera di entrare nel secondo cilindro 14 di espansione.

In questa variante, la valvola rotante 80 comprende un altro corpo cilindrico 45 alloggiato in un relativo manicotto 46, come detto non rappresentati per praticità di comprensione, analoghi a quella sopra descritta, collegati in corrispondenza del terzo condotto 41, attraverso cui l’aria esce dal secondo cilindro 14 per essere inviata al rigeneratore 29.

A titolo esemplificativo, e non limitativo dell’ambito di tutela del presente trovato, al fine di ottenere un rendimento elevato, la Richiedente ha effettuato simulazioni matematiche per dimensionare le vie di passaggio 53, 54 del cilindro rotante 45 e prime 52 e seconde 55 aperture del manicotto 46 sia per il terzo 41 e sia per il quarto condotto 42, in funzione della rotazione del cilindro rotante 45 stesso, nel caso di un secondo stantuffo 14 avente una corsa di 76 mm (figg. 6 e 7). Nelle figure si può osservare schematicamente il movimento dello stantuffo e la rotazione della sua estremità imperniata all’albero motore 22.

L’apertura dell’aspirazione, ossia dell’ingresso dell’aria nel secondo stantuffo 14, avviene 3 mm prima del punto morto superiore (PMS), che corrisponde a 19,31° prima del punto morto superiore (PMS).

La chiusura dell’aspirazione avviene 15 mm dopo il punto morto superiore (PMS), che corrisponde a 44,77°, dopo il punto morto superiore (PMS).

L’apertura dello scarico, ossia dell’ingresso dell’aria dal secondo stantuffo 14 al terzo condotto 41, avviene 80 mm, che corrisponde a 53,99°, prima del punto morto inferiore (PMI). La chiusura dello scarico avviene 3 mm, che corrisponde 19,31°, prima del punto morto superiore (PMS).

Claims (14)

1. RIVENDICAZIONI 1. Motore termico con fonte di calore esterna per effettuare un ciclo termodinamico mediante un fluido, o gas, quale aria, in cui è prevista, come fase di lavoro, un’espansione adiabatica del fluido, comprendente un primo cilindro (11) compressore provvisto di un primo stantuffo (12) mobile in modo alterno lungo una prima corsa ed un secondo cilindro (13) espansore provvisto di un secondo stantuffo (14) mobile in modo alterno lungo una seconda corsa, nel quale secondo cilindro (13) avviene un’espansione adiabatica del fluido per generare la potenza voluta, il primo cilindro (11) ed il secondo cilindro (13) essendo associati ad una testata (31) che comprende una prima coppia di luci (36, 37) associate al primo cilindro (11) ed equipaggiate con primi mezzi valvolari (26, 27) ed una seconda coppia di luci (43, 44) associate al secondo cilindro (13), in cui i moti alternati del primo stantuffo (12) e del secondo stantuffo (14) sono tra loro coordinati in modo alterno a mezzo di un meccanismo di sfasatura (17) a sua volta connesso ad un albero motore (22) che fornisce in uscita la potenza prodotta dall’espansione adiabatica, si che la posizione di punto morto superiore del primo stantuffo (12) corrisponda alla posizione di punto morto inferiore del secondo cilindro (14), e viceversa, caratterizzato dal fatto che la seconda coppia di luci (43, 44) del secondo cilindro (13) è associata ad un’unica valvola rotante (80), che presenta due vie di passaggio (53, 54), ciascuna posta alternativamente in comunicazione con una corrispondente di dette luci (43, 44) per indirizzare selettivamente l’immissione e lo scarico del fluido rispetto all’interno del secondo cilindro (13), coordinatamente al moto alterno che compie il secondo stantuffo (14) nel secondo cilindro (13).
2. 2. Motore come nella rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che comprende un organo statore (46) montato su detta testata (31), all’interno di detto organo statore (46) essendo girevolmente alloggiata la valvola rotante (80), detto organo statore (46) presentando aperture (52, 55) le quali pongono in comunicazione selettivamente dette vie di passaggio (53, 54) con l’interno del secondo cilindro (13) e rispettivamente da un lato con l’ingresso dell’aria riscaldata nel secondo cilindro (13) e dall’altro lato con l’uscita dell’aria esausta dal secondo cilindro (13).
3. 3. Motore come nella rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detta valvola rotante (80) è configurata per ruotare attorno ad un proprio asse centrale (X) di simmetria, trasversale alla direzione lungo la quale avviene il movimento alternato del secondo stantuffo (14).
4. 4. Motore come nella rivendicazione 1, 2 o 3, caratterizzato dal fatto che, le luci (43, 44) del secondo cilindro (13) e le relative vie di passaggio (53, 54) sono associate a corrispondenti condotti (41, 42) di immissione del fluido nella luce (43), attraverso la via di passaggio (53) di immissione e di scarico del fluido nella luce (44), attraverso la via di passaggio (54) di scarico.
5. 5. Motore come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le vie di passaggio (53, 54) della valvola rotante (80) sono rispettivamente associate, in modo sfalsato l’una rispetto all’altra, alle luci (43, 44) del secondo cilindro (13), in modo che quando la via di passaggio (53) di immissione si trova rivolta ed affacciata alla luce (43) di ingresso, consentendo l’immissione del fluido nel secondo cilindro (13) per la fase di espansione correlata al moto discendente del secondo stantuffo (14), la via di passaggio (54) di scarico non è rivolta verso la luce (44) di uscita, che risulta così chiusa, e viceversa.
6. 6. Motore come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la valvola rotante (80) è formata da almeno un corpo cilindrico (16, 45) sulla cui superficie laterale sono ricavate dette vie di passaggio (53, 54), in cui la posizione angolare reciproca delle vie di passaggio (53, 54) sulla superfìcie laterale del corpo cilindrico (16, 45) è angolarmente sfalsata in maniera coordinata alla seconda corsa del secondo stantuffo (14) nel primo cilindro (13), in modo che quando il secondo stantuffo (14) si muove per effettuare la compressione verso la posizione di punto morto superiore, l’aria può essere scaricata attraverso la luce (44), che risulta posta in comunicazione con la via di passaggio (54) mentre la luce (43) è chiusa da una determinata parte piena della superficie laterale del corpo cilindrico (16, 45), mentre quando il secondo stantuffo (14) si muove per effettuare l’espansione adiabatica verso la posizione di punto morto inferiore, l’aria può essere immessa attraverso la luce (43), che risulta posta in comunicazione con la via di passaggio (53) e la luce (44) è chiusa da un’altra determinata parte piena della superfìcie laterale del corpo cilindrico (16, 45).
7. 7. Motore come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la sincronia tra valvola rotante (80) e movimento alternato del secondo stantuffo (14) è determinata mediante un reciproco accoppiamento cinematico che deriva la rotazione dall’albero motore (22) verso la valvola rotante (80), abbinando in modo univoco la posizione del punto morto superiore ed inferiore del secondo stantuffo (14) alla posizione angolare delle vie di passaggio (53, 54) della valvola rotante (80).
8. 8. Motore come nella rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che il collegamento cinematico tra albero motore (22) e valvola rotante (80) è realizzato mediante una prima puleggia (32) accoppiata all’albero motore (22) che, tramite mezzi di trasmissione (33), pone in rotazione una seconda puleggia (34) accoppiata alla valvola rotante (80), ponendola in rotazione.
9. 9. Motore come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che è associato ad un compressore (24) a monte del primo cilindro (11), mediante il quale pre-comprimere l’aria in ingresso al primo cilindro (11), e meccanicamente accoppiato all’albero motore (22).
10. 10. Motore come nelle rivendicazioni 8 e 9, caratterizzato dal fatto che l’accoppiamento meccanico tra compressore (24) e albero motore (22) viene effettuato mediante una terza puleggia (35), associata ai mezzi di trasmissione (33) che aziona, mediante un albero (23), il compressore (24).
11. 11. Motore come nella rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la valvola rotante (80) è formata da un pezzo unico definito da un singolo corpo cilindrico (16), suddiviso in due camere (63, 64) separate, su cui sono ricavate le vie di passaggio (53, 54).
12. 12. Motore come nella rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che la valvola rotante (80) è formata da due parti o corpi cilindrici (45), configurati per ruotare in modo coordinato con il movimento del secondo stantuffo (14), su cui sono ricavate le rispettive vie di passaggio (53, 54).
13. 13. Impianto per la generazione di elettricità ed recupero calore comprendente un motore come in una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
14. 14. Valvola rotante per un motore termico con fonte di calore esterna per effettuare un ciclo termodinamico mediante un fluido, o gas, quale aria, in cui è prevista, come fase di lavoro, un’espansione adiabatica del fluido, detto motore comprendendo un primo cilindro (11) compressore provvisto di un primo stantuffo (12) mobile in modo alterno lungo una prima corsa ed un secondo cilindro (13) espansore provvisto di un secondo stantuffo (14) mobile in modo alterno lungo una seconda corsa, nel quale secondo cilindro (13) avviene un’espansione adiabatica del fluido per generare la potenza voluta, il primo cilindro (11) ed il secondo cilindro (13) essendo associati ad una testata (31) che comprende una prima coppia di luci (36, 37) associate al primo cilindro (11) ed equipaggiate con primi mezzi valvolari (26, 27) ed una seconda coppia di luci (43, 44) associate al secondo cilindro (13), in cui i moti alternati del primo stantuffo (12) e del secondo stantuffo (14) sono tra loro coordinati in modo alterno a mezzo di un meccanismo di sfasatura (17) a sua volta connesso ad un albero motore (22) che fornisce in uscita la potenza prodotta dall’espansione adiabatica, sì che la posizione di punto morto superiore del primo stantuffo (12) corrisponda alla posizione di punto morto inferiore del secondo cilindro (14), e viceversa, caratterizzata dal fatto che è associabile alla seconda coppia di luci (43, 44) del secondo cilindro (13) ed è configurata per ruotare attorno ad un proprio asse centrale (X) di simmetria, presentando due vie di passaggio (53, 54), ciascuna posta alternativamente in comunicazione con una corrispondente di dette luci (43, 44) per indirizzare selettivamente l’immissione e lo scarico del fluido rispetto all’interno del secondo cilindro (13), coordinatamente al moto alterno che compie il secondo stantuffo (14) nel secondo cilindro (13).