Motori termici, combustione esterna

Un motore termico è un dispositivo che permette di ottenere lavoro meccanico utilizzando il calore.  

Il lavoro ottenuto può essere utilizzato per muovere veicoli, per pompe idrauliche, per muovere una turbina accoppiata ad un generatore, ecc.

La fonte di calore può derivare da un combustibile ma anche da concentratori solari.

Il principio di funzionamento dei motori termici si basa sul ciclo di Carnot, per cui il rendimento sarà:  (Th-Tc)/Th
dove:
Th è la temperatura massima di processo (Kelvin)
Tc  è la temperatura minima di processo (Kelvin)

Quindi un motore termico dove il calore massimo di processo è di 500°C e il calore minimo del ciclo termodinamico è di 100°C avrà un'efficienza teorica del 51% circa, infatti in Kelvin si ha la seguente formula  (773-373) / 773. Questo in una macchina perfetta priva di attriti, pompe, dispersioni termiche, generatori, ecc., quindi l'efficienza effettiva è comunque sempre inferiore all'efficienza teorica.

 

Turbina a vapore ciclo Rankine

E' il sistema più diffuso per la produzione di energia elettrica e quindi utilizzato nelle centrali termoelettriche, alimentate a  metano, a carbone, olio combustibile e anche nelle centrali nucleari, dove il calore di processo è dato dalla fissione di atomi di Uranio. Più recentemente viene utilizzato anche nelle centrali solari termoelettriche a concentrazione. Normalmente il fluido che descrive il ciclo è l’acqua.
Descrizione del ciclo di Rankine
  • da 1 a 2: il fluido che è nella fase liquida viene compresso mediante la pompa;
  • da 2 a 2’ e da 2’ a 3: il fluido viene riscaldato e poi vaporizzato a pressione costante per mezzo di una caldaia;
  • da 3 a 4: il fluido nella fase di vapore saturo secco compie lavoro espandendosi isoentropicamente nella turbina;
  • da 4 a 1: il fluido ora nella fase di vapore saturo a bassa pressione viene condensato nella fase liquida a pressione e temperatura costanti per mezzo di un condensatore all’interno del quale si trova un serpentino percorso da acqua fredda
Ciclo di Rankine

Oltre all'acqua è possibile utilizzare anche dei fluidi organici (es. freon, isopentano o ammoniaca), i quali hanno un punto di evaporazione più basso e quindi migliorano l'efficienza quando si hanno temperature di esercizio più basse di quelle normalmente utilizzate, che sono di circa 500°C. Questi sistemi sono denominati Organic Rankine Cycle (ORC). Tali sistemi sono utilizzabili con cascami di calore industriale, fonti geotermiche, calore derivato dalla concentrazione solare e sistemi alimentati a biomasse. europa.eu.int

Fonte:
www.angelofarina.it
www.pcfarina.eng.unipr.it

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Motore ad aria ciclo Stirling

Il motore di Stirling è una macchina ad aria che opera secondo un ciclo termodinamico chiuso che prevede una compressione ed una espansione. Una peculiarità del motore di Stirling è il fatto che il moto del fluido che evoluisce è regolato non dalla presenza di valvole, bensì dalle variazioni dei volumi relativi che compongono lo spazio di lavoro offerto al fluido stesso e queste variazioni vengono, di norma, causate dal moto di stantuffi.

Con la dizione di macchina di Stirling si indica quindi una gamma assai vasta di macchine a fluido, motrici ed operatrici, funzionanti in ciclo chiuso, rigenerativo, impiegabili quali motori primi, pompe di calore, macchine refrigeranti o compressori ed aventi moto caratteristico di lavoro alternativo o, raramente, rotativo.

Le immagini animate mostrano due diverse soluzioni meccaniche nell'applicazione del ciclo Stirling, nel primo sistema serve una fonte di raffreddamento, nel sistema illustrato nell'immagine più in basso oltre ad una diversa configurazione meccanica si adotta un sistema di dissipamento del calore con un radiatore.

Fonte:
www.travel.howstuffworks.com
www.sesusa.org




 

Motore ad aria ciclo Brayton
Questo ciclo termico per la conversione dell'energia termica in energia meccanica comporta in alcune applicazioni dei vantaggi sia rispetto al ciclo Rankine (motore a vapore) sia rispetto al motore Stirling; rispetto al motore a vapore ha un maggior rendimento e migliori condizioni di sicurezza; rispetto al motore Stirling un minore peso ed una maggiore superficie captante l'energia solare, che può essere assorbita attraverso tutta la superficie esposta del tubo a serpentina, da sistemare all'interno di una cavità termicamente isolata posta all'altezza del piano di focalizzazione del concentratore solare.
Inoltre questo motore termico funziona con lo stesso principio delle pompe di calore e dei condizionatori; quindi può essere facilmente convertito per questi utilizzi.

Descrizione del funzionamento: l'aria fresca a temperatura ambiente Ta entra dalla valvola A (che può essere azionata, al pari delle altre due valvole C e D mediante un sistema di aste e bilanceri, facenti capo ciascuno ad una opportuna camma fissata sullo stesso albero motore) e successivamente compressa; in questa fase aumenta la sua temperatura al valore Tc; quindi passa nel tubo a serpentina passando attraverso la valvola B che è una semplice valvola di non ritorno (come quelle dei pneumatici delle auto o delle biciclette).

L' aria in uscita può essere immessa in un'altro tubo a serpentina immerso nell'acqua ottenendo acqua calda da inviare ad un serbatoio termicamente isolato per un successivo utilizzo.

Fonte:
www.digilander.libero.it  

Studio NASA sistema con motore Bayton
www.grc.nasa.gov 
Ciclo di Brayton
Illustrazione di un motore a vapore derivante da un motore a scoppio. 
www.people.linux-gull.ch


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