Introduzione
Il rendimento dei motori termici
I diversi modi di costruire meccanicamente un motore esotermico a ciclo chiuso
La progettazione dei motori esotermici
Il motore esotermico e i combustibili
Il motore esotermico e le energie rinnovabili
Introduzione
I motori esotermici hanno una lunga storia e può sembrare arcaico per il ricordo che i cittadini hanno di questi motori, visto che uno dei più noti esempi è quello del treno a vapore, i primi esemplari furono costruiti nei primi anni del 1800 e il motore non superava il 10% di rendimento e questo vale anche per i vaporetti i battelli, ecc. Però nell’era attuale abbiamo degli esempi di motori esotermici che hanno raggiunto rendimenti elevati, come per esempio le moderne centrali termoelettriche a ciclo combinato, che raggiungono rendimenti anche fino al 60% . "Esotermico" vuol dire che il processo di produzione del calore avviene all'esterno ("eso" vuol dire "fuori") dei meccanismi che producono l'energia meccanica. Per coloro che non fossero conoscitori del mondo dei motori, faccio una breve descrizione dei motori "Endotermici", (visto che nel resto del documento saranno citati per vari motivi), "Endotermico" vuol dire che il processo di produzione del calore avviene all'interno ("endo" vuol dire "dentro"), quindi in un motore endotermico il calore viene prodotto direttamente all'interno dei meccanismi che producono l'energia meccanica. L'esempio più comune di motore endotermico è il motore alternativo (cilindri e pistoni) benzina o diesel delle automobili, ma è endotermico anche il motore a turbina degli aerei. I motori endotermici hanno avuto un enorme successo a partire dalla fine del 1800, sono risultati migliori dei motori esotermici a vapore per rendimento potenza specifica e usabilità .Il rendimento dei motori termici
Un motore termico, usa la espansione di un gas che viene ottenuta mediante una introduzione di calore nel gas stesso in modo che questa espansione vada a spingere su un organo meccanico che trasforma la espansione del gas in un movimento meccanico utilizzabile per i più svariati scopi. Un esempio classico è quello del cilindro e pistone dei vecchi treni a vapore o dei moderni motori automobilistici e un altro esempio classico è quello delle turbine , in entrambi i casi, ci sono applicazioni sia di tipo esotermico che endotermico .Il rendimento di un motore termico è tanto maggiore quanto maggiore è la energia meccanica che riesce a creare con una determinata quantità di calore.
PARTI DEL RENDIMENTO DEL MOTORE
Il rendimento però va diviso almeno in due parti (più un terza che è all'esterno del motore) .
1) IL RENDIMENTO TEORICO DEL MOTORE . Il rendimento teorico è determinato dai calcoli teorici delle trasformazioni termodinamiche del gas usato per il lavoro di produzione della energia meccanica, senza tenere conto delle perdite e incapacità del dispositivo meccanico che costituisce il motore .
2) IL RENDIMENTO REALE DEL MOTORE . il rendimento reale dipende da molti fattori, come le perdite per attrito meccanico, per dispersione termica o per le difficoltà a eseguire una corretta combustione ai diversi regimi di rotazione, ecc. ,
3) IL RENDIMENTO FINALE DELLA APPLICAZIONE DEL MOTORE . Il rendimento finale della applicazione del motore è dato dal rendimento reale a cui vengono sottratte le perdite del contesto applicativo della energia meccanica fornita dal motore, per esempio, nel caso del motore di una automobile, quello che è la potenza meccanica all'albero del motore è la potenza reale del motore, poi da li in avanti le perdite del sistema di trasmissione (frizione, cambio, differenziale, ruote, resistenza aerodinamica della vettura, ecc.) non dipendono dal motore, lo stesso motore può essere montato su automobili diverse con efficienze diverse o addirittura può essere montato su di una imbarcazione o per azionare un mezzo di lavoro come un muletto, ecc. (In questo documento ho citato anche il rendimento finale della applicazione perché facendo un motore in un certo modo si può avere una maggiore efficienza quando poi lo si va ad applicare in un certo contesto e questo fatto condiziona la scelta di come fare il motore) .
) OSSERVAZIONI SUL RENDIMENTO DI UNA TRASFORMAZIONE TERMODINAMICA DI UN GAS (ambito teorico)
Premetto che in questo documento non viene trattata la esposizione della termodinamica, ma si fa riferimento solo a ciò che è utile per gli scopi di questo documento .
R1) DATA UNA QUANTITA' DI GAS, LO SPAZIO (VOLUME) CHE OCCUPA E' UN CONTENITORE DI ENERGIA
Espressioni derivate dalla "R1)" :
R1.1) A PARITA' DI PRESSIONE E TEMPERATURA, PIU' AUMENTA IL VOLUME PIU' AUMENTA LA ENERGIA CONTENUTA
R1.2) A PARITA' DI PRESSIONE E TEMPERATURA, PIU' RIDUCE IL VOLUME PIU' RIDUCE LA ENERGIA CONTENUTA
Può sembrare molto poco quanto espresso come regole sul rendimento, ma è quello che serve come base per continuare nel percorso di ragionamento da esporre . Sempre senza entrare in formule termodinamiche complicate, possiamo usare una semplice osservazione pratica, prendiamo ad esempio i tradizionali motori endotermici benzina e diesel, il diesel ha un rendimento superiore al benzina di circa il 30% rispetto alla quantità di combustibile in litri, di cui circa il 15% è dovuto al fatto che il gasolio ha un 15% in più di potere calorico perché ha una massa (ovvero pesa) circa il 15% in più rispetto alla benzina (a parità di quantità in litri), ma quello che interessa è il fatto che il motore diesel ha un rendimento teorico di circa il 15% in più rispetto al motore a benzina perché ha un rapporto di compressione più elevato, mentre i motori a benzina raggiungono un massimo di 12:1 , per i diesel si arriva a 23:1 .
Una affermazione che troviamo nella letteratura sull'argomento è che il rendimento aumenta con l'aumento della PME (Pressione Media Effettiva), con questo si intende la pressione media di esecuzione della espansione dovuta alla combustione nel cilindro benzina o diesel che sia (che è la fase utile che fornisce la energia meccanica che produce il motore). Il diesel quindi, avendo un rapporto di compressione più alto, ha una PME maggiore . La PME è molto importante e costituisce l'argomento principale di questo documento ed è legata funzionalmente alla "R1)" e alle derivate "R1.1)" e "R1.2)" .
Visto che il rendimento è tanto maggiore quanto maggiore è la PME, possiamo dire che per alzare il rendimento del motore dobbiamo alzare il più possibile la PME, ma per come sono stati fatti e sono fatti attualmente i motori endotermici non è possibile superare certi limiti, in quanto, la maggior parte dei motori è a ciclo aperto, vale a dire che il gas che viene usato nel funzionamento del motore viene preso da un ambiente esterno al motore, usato nel motore e fatto uscire dal motore a fine ciclo (solitamente questo gas è l'aria della atmosfera come nei tradizionali motori benzina e diesel o le turbine degli aerei) , quindi il fatto di partire dalla pressione atmosferica e comprimere il gas nel motore pone il limite di temperatura che raggiunge il gas alla fine della compressione, con i vari problemi che comporta, autoaccensione nei motori a benzina, danno ai materiali del motore, ecc.
) I MOTORI ESOTERMICI A CICLO CHIUSO E LA "PME" Arriviamo finalmente al punto della questione, per quanto riguarda la necessità di alzare la PME, i motori esotermici a ciclo chiuso possono essere "pressurizzati", quindi possiamo fare funzionare il motore con una PME molto più alta che con un motore a ciclo aperto .
Nella letteratura troviamo citazioni di motori pressurizzati (soprattutto per gli stirling), e solitamente gli autori (da quanto ho avuto occasione di leggere) affermano che la pressurizzazione serve per aumentare la potenza specifica, visto che aumenta la massa del fluido operante, a mio parere però aumenta anche il rendimento . Con una PME maggiore, il rendimento è maggiore perché il gas ha meno spazio (volume) per trattenere l'energia termica e quindi data una certa quantità "Q" di calore introdotto le reazioni di temperatura e pressione del gas sono maggiori se il gas ha meno volume a disposizione (ovvero se ha una PME maggiore), detto in altri termini, la introduzione di una quantità "Q" in un gas a bassa pressione produce meno "lavoro" (lavoro inteso come dato fisico), ovvero "energia meccanica" perché trattiene tanta energia termica dentro la sua massa, mentre invece, sempre a parità di massa, se il gas è ad alta pressione (quindi se a parità di massa partirà ad espandere da un volume minore) trattiene meno energia termica e può creare più "lavoro" (energia meccanica) .
I diversi modi di costruire meccanicamente un motore esotermico a ciclo chiuso
I modi di costruire un motore esotermico a ciclo chiuso sono i più svariati, gli stirling sono un esempio classico, ma si possono fare con motori a palette, motori alternativi (cilindri e pistoni) ecc. qui abbiamo uno schema di motore esotermico a circuito chiuso e pressurizzato con meccanica a turbina e generatore di energia elettrica all'interno dell'involucro di pressurizzazione .
) In S1 abbiamo l'entrata nello scambiatore di fluido caldo derivante dalla sorgente termica e in S2 l'uscita .
) In R1 abbiamo l'entrata nello scambiatore di fluido Refrigerante derivante dalla sorgente fredda ambientale e in R2 l'uscita .
) In C abbiamo il compressore, in T la turbina e in G il generatore di energia elettrica che esce dall'involucro di pressurizzazione mediante i due fili + e - .
Se però vogliamo aumentare i rendimenti mediante la rigenerazione possiamo pensare ad esempio qualcosa come nello schema esposto,
) In R3 abbiamo l'entrata nello scambiatore rigeneratore di fluido freddo derivante dalla sorgente fredda ambientale per preriscaldarsi con i fumi della caldaia, oppure se si preferisce e se è opportuno si può preriscaldare il fluido comburente per la caldaia mediante il refrigeratore R1->R2 dove in R1 entra il fluido freddo derivante dalla sorgente fredda ambientale ed esce in R2 riscaldato per poi entrare in R3 riscaldandosi ulteriormente con i fumi della caldaia (sempre ammesso che ci siano gli intervalli di temperatura opportuni) .
) Se la sorgente calda è un pannello solare il fluido vettore rientra direttamente in S3 .
La progettazione dei motori esotermici
In qualunque modo si voglia fare il motore, i calcoli termodinamici e la progettazione meccanica sono intimamente legati, se per esempio si vuole fare il motore mediante turbina, la forma delle palette e il resto devono essere progettati in funzione delle densità del fluido operante e che dipende dal tipo di gas usato e dalla pressurizzazione, inoltre se si usa aria non è opportuno pressurizzare con molti bar perché la presenza di ossigeno potrebbe provocare esplosioni del lubrificante che serve per gli organi meccanici, meglio usare azoto o elio che non hanno ossigeno . Per aumentare il più possibile la potenza specifica del motore bisogna aumentare il più possibile l'intervallo di pressione e temperatura tra l'uscita del compressore C e l'ingresso della turbina T . Inoltre si deve evitare di raggiungere il "punto triplo" all'uscita del compressore (o fase di compressione) (il punto triplo è lo stato in cui un gas è talmente compresso che le sue molecole non hanno più spazio e diventa incomprimibile come un liquido), potrebbe creare problemi alla meccanica (soprattutto se è una meccanica a cilindri e pistoni o a palette potrebbero crearsi i dannosi "colpi d'ariete") .Il motore esotermico e i combustibili
I motori esotermici sono molto versatili nell'uso dei combustibili (si possono usare anche biomasse o combustibili creati da fonti rinnovabili e quindi con produzione di anidride carbonica compensata), perché la combustione avviene all'esterno del motore e il calore viene trasferito all'interno del motore mediante uno scambiatore di calore . In questo modo la combustione avviene in maniera simile a come avviene in una caldaia e dobbiamo considerare che questo fatto comporta notevoli vantaggi, sia per la qualità della combustione (quindi meno inquinamento) che per la possibilità di introdurre dei "rigeneratori" che recuperano parte del calore dei fumi per preriscaldare l'aria comburente per la "caldaia". Nei motori endotermici il tempo a disposizione per eseguire la combustione è molto piccolo, per esempio in un motore alternativo a benzina o diesel che gira a 3000 giri al minuto, siccome la fase utile di combustione è circa mezzo giro di motore, il tempo di mezzo giro di motore è di 0.01 secondi vale a dire che ha 1 centesimo di secondo di tempo per eseguire la combustione, mentre in una caldaia il tempo e la qualità di combustione dipende da fattori molto più facilmente controllabili .Il motore esotermico e le energie rinnovabili
Nel motore esotermico, si può fornire calore anche mediante fonti di calore che non siano derivate da combustibili, come il calore derivante da pannelli solari a concentrazione solare, sorgenti termali, cascami (avanzi) termici di processi industriali, cascami (avanzi) termici della produzione di idrogeno aumentando il rendimento complessivo del processo, ricordo che l'idrogeno può essere utilizzato come forma di stoccaggio della energia per i periodi di tempo dove non c'è energia del sole .Stefano Sampietro.