IT201600069585A1 - THERMOMACCHINA MAKES IT TO PRODUCE MECHANICAL WORK USING THE OPEN HEAT IN A CYCLE OPENED BY A WORKING FLUID - Google Patents
THERMOMACCHINA MAKES IT TO PRODUCE MECHANICAL WORK USING THE OPEN HEAT IN A CYCLE OPENED BY A WORKING FLUIDInfo
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Classifications
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description
“TERMOMACCHINA ATTA A PRODURRE LAVORO MECCANICO UTILIZZANDO IN CICLO APERTO IL CALORE POSSEDUTO DA UN FLUIDO DI LAVORO” "THERMOMACHINE SUITABLE TO PRODUCE MECHANICAL WORK USING THE HEAT POSSIBLE BY A WORKING FLUID IN THE OPEN CYCLE"
SETTORE DELLA TECNICA TECHNIQUE SECTOR
La presente invenzione è relativa ad una termomacchina, ovvero ad una macchina termica, atta a produrre lavoro meccanico utilizzando in ciclo aperto il calore posseduto da un fluido di lavoro. The present invention relates to a thermo machine, or to a thermal machine, suitable for producing mechanical work by using the heat possessed by a working fluid in an open cycle.
La presente invenzione trova vantaggiosa applicazione ad una macchina termica che utilizza come fluido di lavoro l’aria atmosferica (sfruttando il calore presente in atmosfera per effetto del riscaldamento solare), cui la trattazione che segue farà esplicito riferimento senza per questo perdere di generalità. The present invention finds advantageous application to a thermal machine that uses atmospheric air as a working fluid (exploiting the heat present in the atmosphere due to solar heating), to which the following discussion will explicitly refer without losing generality.
ARTE ANTERIORE ANTERIOR ART
Il tipo di macchina oggetto della presente invenzione risulta quello teorizzato da Nikola Tesla nel famoso trattato “The problem of increasing human power”, pubblicato nel 1900 dal “Century Magazine” di New York, dal quale si evince la possibilità di realizzare un “selfacting engine” in grado di utilizzare l'energia solare presente nell'atmosfera per autoalimentarsi; tuttavia, nello stesso articolo viene fatto presagire che le soluzioni meccaniche esistenti porterebbero a risultati di sicuro profitto, ma non così eclatanti (la macchina, a pistoni, avrebbe avuto il problema di quella di Bob Neal, sotto descritta). Tesla continuò a perseguire il suo sogno fino al brevetto di diverse macchine oggi identificate come turbina/pompa/compressore/decompressore di Tesla, basate sul principio di adesione e viscosità dei fluidi e dei gas, in grado di eliminare i difetti riscontrati nei motori a pistoni. Contemporaneamente ai brevetti delle succitate macchine, è stata depositata una domanda di brevetto dal titolo “Method of and Apparatus for Thermo-Dynamic Transformation of Energy” (domanda n. 533,524 del 02.02.1922) che presumibilmente conteneva la sequenza di assemblaggio delle macchine succitate per ottenere energia dal calore ambientale, con le relative specifiche. Le difficoltà economiche dello scienziato in quel tempo non permisero evidentemente di perseguire il brevetto, che fu abbandonato. The type of machine object of the present invention is the one theorized by Nikola Tesla in the famous treatise "The problem of increasing human power", published in 1900 by the "Century Magazine" of New York, which shows the possibility of creating a "selfacting engine "Able to use the solar energy present in the atmosphere to self-feed; however, in the same article it is suggested that the existing mechanical solutions would lead to results of sure profit, but not so striking (the piston machine would have had the problem of Bob Neal's, described below). Tesla continued to pursue his dream until the patent of several machines today identified as Tesla turbine / pump / compressor / decompressor, based on the principle of adhesion and viscosity of fluids and gases, able to eliminate the defects found in piston engines. . Simultaneously with the patents of the aforementioned machines, a patent application entitled "Method of and Apparatus for Thermo-Dynamic Transformation of Energy" was filed (application no. 533,524 of 02.02.1922) which presumably contained the assembly sequence of the aforementioned machines for obtain energy from ambient heat, with the relative specifications. The economic difficulties of the scientist at that time evidently did not allow him to pursue the patent, which was abandoned.
Il brevetto US2030759, depositato Bob Neal e pubblicato nel 1934, protegge un motore/compressore basato sullo stesso principio enunciato da Tesla, con il limite concettuale dell'utilizzo di un sistema a pistoni dove la bassa temperatura generata dall'espansione adiabatica, presumibilmente tendeva a “gelare” i pistoni; di conseguenza, questo brevetto prevede un riscaldatore in linea per limitare il danno, cosa che comporta tuttavia una grossa diminuzione dell'energia residuale utilizzabile dell'applicazione. Patent US2030759, filed by Bob Neal and published in 1934, protects a motor / compressor based on the same principle enunciated by Tesla, with the conceptual limit of using a piston system where the low temperature generated by the adiabatic expansion, presumably tended to "Freeze" the pistons; consequently, this patent provides for an in-line heater to limit the damage, which however entails a large decrease in the usable residual energy of the application.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE DESCRIPTION OF THE INVENTION
Scopo della presente invenzione è fornire una termomacchina atta a produrre, in modo efficace ed efficiente, lavoro meccanico utilizzando in ciclo aperto il calore posseduto da un fluido di lavoro. The object of the present invention is to provide a thermo machine capable of producing mechanical work effectively and efficiently by using the heat possessed by a working fluid in an open cycle.
Secondo la presente invenzione viene fornita una termomacchina atta a produrre lavoro meccanico utilizzando in ciclo aperto il calore posseduto da un fluido di lavoro, secondo quanto rivendicato dalle rivendicazioni allegate. BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI According to the present invention, a thermo machine is provided which is suitable for producing mechanical work using the heat possessed by a working fluid in an open cycle, according to what is claimed in the attached claims. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
La presente invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, che ne illustrano un esempio di attuazione non limitativo, in cui: The present invention will now be described with reference to the attached drawings, which illustrate a non-limiting example of embodiment, in which:
• La figura 1 rappresenta schematicamente una termomacchina che è realizzata in accordo con la presente invenzione ed è atta a produrre lavoro meccanico utilizzando in ciclo aperto il calore posseduto dall’aria atmosferica; • Figure 1 schematically represents a thermo machine that is made in accordance with the present invention and is suitable for producing mechanical work using the heat possessed by atmospheric air in an open cycle;
• le figure 2-6 illustrano una prima forma di attuazione di un sistema di surriscaldamento basato su induzione magnetica, coi relativi circuiti di alimentazione; Figures 2-6 illustrate a first embodiment of a superheating system based on magnetic induction, with the relative power supply circuits;
• la figura 7 illustra una seconda forma di attuazione di un sistema di surriscaldamento basato sull'induzione magnetica e sulle correnti di Foucault; • le figure 8-11 illustrano una terza forma di attuazione di un sistema di surriscaldamento basato sull'induzione magnetica o elettromagnetica e la generazione di calore sfruttando l'isteresi del ferro; • la figura 12 illustra una quarta forma di attuazione di un sistema di surriscaldamento basato su un concentratore di raggi elettromagnetici, nell'esempio quelli solari; Figure 7 illustrates a second embodiment of a superheating system based on magnetic induction and eddy currents; • figures 8-11 illustrate a third embodiment of a superheating system based on magnetic or electromagnetic induction and the generation of heat by exploiting the hysteresis of iron; Figure 12 illustrates a fourth embodiment of a superheating system based on a concentrator of electromagnetic rays, in the example those of the sun;
• la figura 13 illustra una quinta forma di attuazione di un sistema di surriscaldamento basato su uno scambiatore di calore a camera di combustione; e Figure 13 illustrates a fifth embodiment of a superheating system based on a combustion chamber heat exchanger; And
• la figura 14 illustra una sesta forma di attuazione di un sistema di surriscaldamento basato solo sui flussi d'aria composta da una valvola amplificatrice d'aria a monte di un tubo a vortice di Ranque. • figure 14 illustrates a sixth embodiment of a superheating system based only on air flows composed of an air amplifier valve upstream of a Ranque vortex tube.
FORME DI ATTUAZIONE PREFERITE DELL’INVENZIONE PREFERRED FORMS OF IMPLEMENTATION OF THE INVENTION
Nella figura 1, è illustrata nel suo complesso una termomacchina atta a produrre lavoro meccanico utilizzando in ciclo aperto il calore posseduto da un fluido di lavoro ed in particolare dall’aria atmosferica sfruttando il calore presente in atmosfera per effetto del riscaldamento solare. Figure 1 illustrates as a whole a thermo machine capable of producing mechanical work by using the heat possessed by a working fluid in an open cycle and in particular by atmospheric air by exploiting the heat present in the atmosphere due to solar heating.
La termomacchina comprende, nella sua implementazione di base, un compressore 1 (preferibilmente dinamico, eventualmente a più stadi) per portare in pressione il fluido 2 di lavoro costituito dall’aria atmosferica e prelevato dall’ambiente esterno. Il lavoro consumato da questa compressione si trasforma in calore (escludendo la percentuale trascurabile di attriti) che viene estratto da uno scambiatore 3 di calore; in particolare, lo scambiatore 3 di calore comprende un primo circuito che viene attraversato dal fluido 2 di lavoro che esce dal compressore 1. Il fluido 2 di lavoro esce dal primo circuito dello scambiatore 3 di calore a temperatura ambiente e viene espanso a piena espansione in una turbina 4 (eventualmente a più stadi). The thermo machine includes, in its basic implementation, a compressor 1 (preferably dynamic, possibly multi-stage) to bring the working fluid 2 made up of atmospheric air and taken from the external environment under pressure. The work consumed by this compression is transformed into heat (excluding the negligible percentage of friction) which is extracted by a heat exchanger 3; in particular, the heat exchanger 3 comprises a first circuit which is traversed by the working fluid 2 leaving the compressor 1. The working fluid 2 leaves the first circuit of the heat exchanger 3 at room temperature and is expanded at full expansion in a turbine 4 (possibly multi-stage).
Non potendo scambiare, idealmente, calore con l'ambiente, il lavoro prodotto per espansione nella turbina 4 viene sottratto al calore dell'energia interna del fluido 2 di lavoro che viene espulso nel condotto 5 a decine di gradi centigradi sotto lo zero. Il problema della cristallizzazione dell'umidità presente naturalmente nel fluido 2 di lavoro (ovvero nell'aria atmosferica) viene risolto dalla tipologia della turbina 4 utilizzata, in grado di gestire ed espellere parti solide. A valle della turbina 4, cioè in corrispondenza di uno scarico 5 della turbina 4, viene eventualmente montato un dispositivo 6 di decompressione che, creando un sottovuoto allo scarico 5, permette al fluido 2 di lavoro di cedere ulteriore calore espandendosi al di sotto della pressione atmosferica. Il fluido 2 di lavoro, così raffreddato, viene inviato allo scambiatore 3 di calore, dove assorbe il calore della compressione iniziale, aumentando così di volume e portata; in particolare, il fluido 2 di lavoro che esce dal dispositivo 6 di decompressione attraversa un secondo circuito dello scambiatore 3 di calore che è isolato fluidicamente dal primo circuito (ovvero non travasa fluido 2 di lavoro con il primo circuito) ed è termicamente accoppiato al primo circuito (ovvero scambia calore con il primo circuito). In particolare, il calore viene trasferito dal primo circuito al secondo circuito dello scambiatore 3 di calore per riscaldare il fluido 2 di lavoro proveniente dal dispositivo 6 di decompressione raffreddando di conseguenza il fluido 2 di lavoro proveniente dal compressore 1. Not being able, ideally, to exchange heat with the environment, the work produced by expansion in the turbine 4 is subtracted from the heat of the internal energy of the working fluid 2 which is expelled into the duct 5 at tens of degrees centigrade below zero. The problem of the crystallization of the humidity naturally present in the working fluid 2 (ie in the atmospheric air) is solved by the type of turbine 4 used, capable of managing and expelling solid parts. Downstream of the turbine 4, i.e. in correspondence with an outlet 5 of the turbine 4, a decompression device 6 is optionally mounted which, by creating a vacuum in the outlet 5, allows the working fluid 2 to release further heat by expanding below the pressure. atmospheric. The working fluid 2, thus cooled, is sent to the heat exchanger 3, where it absorbs the heat of the initial compression, thus increasing its volume and flow rate; in particular, the working fluid 2 that leaves the decompression device 6 passes through a second circuit of the heat exchanger 3 which is fluidically isolated from the first circuit (i.e. it does not transfer the working fluid 2 with the first circuit) and is thermally coupled to the first circuit (i.e. exchanges heat with the first circuit). In particular, the heat is transferred from the first circuit to the second circuit of the heat exchanger 3 to heat the working fluid 2 coming from the decompression device 6, consequently cooling the working fluid 2 coming from the compressor 1.
Il fluido 2 di lavoro che esce dal secondo circuito dello scambiatore 3 di calore viene quindi convogliato su una seconda turbina 7 eventualmente a più stadi dove si ripete il processo di espansione; anche in questo caso, a valle della turbina 7, cioè in corrispondenza di uno scarico 8 della turbina 7, viene eventualmente montato un altro dispositivo 9 di decompressione che, creando un sottovuoto allo scarico 8, permette al fluido 2 di lavoro di cedere ulteriore calore espandendosi al di sotto della pressione atmosferica. Dal dispositivo 9 di decompressione il fluido 10 di lavoro residuale viene rilasciato nell’ambiente esterno ad una temperatura (ampiamente) più bassa rispetto al suo ingresso nella termomacchina. Possono essere utilizzati più cicli di espansione, riscaldamento, eventualmente ricorrendo ad altri scambiatori che scambino calore con l'atmosfera, o altre fonti di calore (ad esempio il fluido di raffreddamento di altri macchinari, bruciatori,...) o uno degli altri sistemi sotto elencati (ed illustrati nelle figure 2-14). The working fluid 2 that leaves the second circuit of the heat exchanger 3 is then conveyed to a second turbine 7, possibly with several stages, where the expansion process is repeated; also in this case, downstream of the turbine 7, i.e. in correspondence with an outlet 8 of the turbine 7, another decompression device 9 is optionally mounted which, by creating a vacuum in the outlet 8, allows the working fluid 2 to release further heat expanding below atmospheric pressure. From the decompression device 9, the residual working fluid 10 is released into the external environment at a (largely) lower temperature than it entered the thermo machine. Multiple expansion and heating cycles can be used, possibly resorting to other exchangers that exchange heat with the atmosphere, or other heat sources (for example the cooling fluid of other machinery, burners, ...) or one of the other systems listed below (and illustrated in Figures 2-14).
Le trasformazioni termodinamiche tramite le quali si ottiene la trasformazione dell'energia di calore interna del fluido 2 di lavoro (ovvero del medium ambientale) in lavoro meccanico possono essere una compressione isotermica (in cui il calore estratto viene recuperato nello scambiatore 3 di calore), un'espansione adiabatica che porti il fluido 2 di lavoro ad una bassa densità e bassa pressione, un riscaldamento isobarico nello scambiatore 3 di calore, una compressione isocora tramite compressione dinamica (ugello), un'altra espansione adiabatica. E’ importante precisare che il ciclo non è un ciclo chiuso, ovvero il fluido 2 di lavoro entra con un certo calore (temperatura) nella termomacchina ed esce dalla termomacchina con un calore (temperatura) più basso; pertanto, la termomacchina non rientra nello schema di un ciclo di Carnot che prevede rigorosamente un ciclo chiuso; infatti, essendo la termomacchina alimentata a calore ambientale, qualora la temperatura ambientale dovesse tendere allo zero assoluto, l'alimentazione della termomacchina (il calore ambientale) verrebbe a mancare e quindi la termomacchina si fermerebbe. The thermodynamic transformations through which the transformation of the internal heat energy of the working fluid 2 (i.e. of the environmental medium) into mechanical work is obtained can be an isothermal compression (in which the extracted heat is recovered in the heat exchanger 3), an adiabatic expansion that brings the working fluid 2 to a low density and low pressure, an isobaric heating in the heat exchanger 3, an isochoric compression through dynamic compression (nozzle), another adiabatic expansion. It is important to specify that the cycle is not a closed cycle, ie the working fluid 2 enters the thermo machine with a certain heat (temperature) and leaves the thermo machine with a lower heat (temperature); therefore, the thermo machine does not fall within the scheme of a Carnot cycle which strictly provides for a closed cycle; in fact, being the thermo machine powered by ambient heat, should the ambient temperature tend to absolute zero, the thermo machine's power supply (ambient heat) would fail and therefore the thermo machine would stop.
Secondo una possibile, ma non limitativa, forma di attuazione, il fluido 10 di lavoro residuale (eventualmente anche allo stato liquido se la temperatura di uscita fosse inferiore a -196°C) degli stati di espansione (ovvero il fluido 10 di lavoro residuale che esce dal dispositivo 9 di decompressione) può essere recuperato per alimentare impianti di raffreddamento o impianti frigoriferi collegati all’uscita della termomacchina eliminando i consumi energetici di tali apparati. Secondo una possibile, ma non limitativa, forma di attuazione, il fluido 10 di lavoro residuale in minima parte può essere miscelato al fluido 2 di lavoro proveniente dall’ambiente esterno tramite una valvola 11 di non ritorno sull'uscita del compressore 1 per aumentare l’efficienza della compressione isotermica, qualora non fosse sufficiente il solo scambiatore 3 di calore a recuperare tutta l'energia di compressione. In altre parole, può essere previsto un condotto di ricircolo che preleva una frazione del fluido 10 di lavoro residuale che viene rilasciato nell’ambiente esterno e lo alimenta tra il compressore 1 ed il primo circuito dello scambiatore 3 di calore attraverso la valvola 11 di non ritorno disposta in corrispondenza dell’uscita del compressore 1. According to a possible, but not limiting, embodiment, the residual working fluid 10 (possibly also in the liquid state if the outlet temperature was lower than -196 ° C) of the expansion states (i.e. the residual working fluid 10 which exits from the decompression device 9) can be recovered to supply cooling systems or refrigeration systems connected to the outlet of the thermo machine, eliminating the energy consumption of these devices. According to a possible, but not limiting, embodiment, the residual working fluid 10 can be minimally mixed with the working fluid 2 coming from the external environment by means of a non-return valve 11 on the outlet of the compressor 1 to increase the efficiency of isothermal compression, if the heat exchanger 3 alone is not sufficient to recover all the compression energy. In other words, a recirculation duct can be provided which takes a fraction of the residual working fluid 10 which is released into the external environment and feeds it between the compressor 1 and the first circuit of the heat exchanger 3 through the non-return valve 11. return located at the compressor 1 outlet.
Secondo una preferita forma di attuazione, è previsto un motore che è atto a generare energia meccanica ed è collegato al compressore 1 per azionare il compressore 1 stesso, e, per ciascuna turbina 4 o 7, è previsto almeno un generatore che assorba energia meccanica dalla turbina 4 o 7 stessa. Secondo una possibile, ma non limitante forma di attuazione, il motore è un motore elettrico e almeno un generatore è un generatore elettrico che produce l’energia elettrica che alimenta il motore; è importante precisare che l’energia elettrica generata dai generatori è maggiore dell’energia elettrica assorbita dal motore e la differenza tra l’energia elettrica generata dai generatori e l’energia elettrica assorbita dal motore costituisce l’energia “utile” prodotta dalla termomacchina. According to a preferred embodiment, a motor is provided which is capable of generating mechanical energy and is connected to the compressor 1 to drive the compressor 1 itself, and, for each turbine 4 or 7, at least one generator is provided which absorbs mechanical energy from the turbine 4 or 7 itself. According to a possible, but not limiting embodiment, the engine is an electric motor and at least one generator is an electric generator that produces the electricity that powers the engine; it is important to specify that the electricity generated by the generators is greater than the electricity absorbed by the engine and the difference between the electricity generated by the generators and the electricity absorbed by the engine constitutes the "useful" energy produced by the thermo machine.
Il salto termico totale realizzato genera lavoro meccanico in surplus rispetto all'energia iniziale posseduta dal sistema e tale surplus di lavoro meccanico è pari (secondo il primo principio della termodinamica) alla quantità di calore sottratta al fluido 2 di lavoro dall'ingresso all'uscita della termomacchina moltiplicata per il volume di fluido 2 di lavoro processato. Al solo fine di dare una stima realistica alla possibilità della termomacchina, utilizzando un compressore 1 avente potenza nominale pari a 12 kW e due turbine 4 e 7 in disposte serie (come illustrato nella figura 1, la turbina 4 di alimentazione del compressore 1 e la turbina 7 per il surplus) e prevedendo una compressione conservativa pari a 6 Atm dovrebbero risultare estraibili circa 4 kW di energia meccanica. The total temperature difference achieved generates surplus mechanical work with respect to the initial energy possessed by the system and this mechanical work surplus is equal (according to the first principle of thermodynamics) to the quantity of heat subtracted from the working fluid 2 from the inlet to the outlet of the thermo machine multiplied by the volume of working fluid 2 processed. For the sole purpose of giving a realistic estimate of the possibility of the thermo machine, using a compressor 1 with a nominal power of 12 kW and two turbines 4 and 7 in series (as shown in Figure 1, the turbine 4 feeding compressor 1 and the turbine 7 for the surplus) and providing for a conservative compression equal to 6 Atm, about 4 kW of mechanical energy should be extractable.
Secondo una possibile, ma non limitante, forma di attuazione, per avviare la turbomacchina è necessario portare in rotazione le turbine 4 e 7 inizialmente ferme utilizzando, ad esempio, una piccola riserva di aria compressa oppure un motorino elettrico di avviamento. According to a possible, but not limiting, embodiment, in order to start the turbomachine it is necessary to rotate the turbines 4 and 7 initially at a standstill using, for example, a small reserve of compressed air or an electric starter motor.
Secondo una possibile, ma non limitante, forma di attuazione, al fine di aumentare ulteriormente la quantità di energia in surplus, è possibile utilizzare diversi sistemi 12 di surriscaldamento montati in corrispondenza degli ingressi delle turbine 4 e 7 (come esemplificato nelle figure 2-14), aumentando così il volume del fluido 2 di lavoro compresso e di conseguenza il salto termico che si trasforma in lavoro utile sull'asse delle turbine 4 e 7. In accordo con le dichiarazioni rese da Nikola Tesla, un tale sistema 12 di surriscaldamento di per sé può avere un “Coefficient Of Performance” (l'acronimo inglese “COP -Coefficient Of Performance” è tradotto in italiano con l'espressione coefficiente di prestazione ed indica la quantità di lavoro prodotto rispetto all'energia utilizzata) di uno a decine di unità, il che significa utilizzare una piccola percentuale della forza estratta dal fluido 2 di lavoro per ottenere un effetto di sovralimentazione del sistema ampiamente superiore. According to a possible, but not limiting, embodiment, in order to further increase the amount of surplus energy, it is possible to use different superheating systems 12 mounted at the inlets of the turbines 4 and 7 (as exemplified in Figures 2-14 ), thus increasing the volume of the compressed working fluid 2 and consequently the thermal jump which is transformed into useful work on the axis of the turbines 4 and 7. In accordance with the statements made by Nikola Tesla, such an overheating system 12 of by itself it can have a "Coefficient Of Performance" (the English acronym "COP - Coefficient Of Performance" is translated into Italian with the expression coefficient of performance and indicates the amount of work produced compared to the energy used) of one to tens of units, which means using a small percentage of the force extracted from the working fluid 2 to obtain a greatly superior supercharging effect of the system.
Tali sistemi 12 di surriscaldamento possono essere presenti singolarmente o pluralmente, montati in serie o in parallelo. Alcuni sistemi 12 di surriscaldamento possono essere ventilconvettori la cui ventola è, eventualmente, alimentata dall'asse delle turbine 4 e 7, o scambiatori di calore atti al recupero di calore di impianti industriali esistenti, come ad esempio il liquido di raffreddamento di macchinari. I sistemi 12 di surriscaldamento per surriscaldare con un lavoro di costo estremamente ridotto l'ingresso delle turbine 4 e 7 migliorano l’efficienza della turbomacchina; tuttavia, l’utilizzo di uno o più sistemi 12 di surriscaldamento è comunque opzionale e non obbligatorio. I possibili sistemi 12 di surriscaldamento sono alimentati dalle turbine 4 e 7 stesse, e ne amplificano il lavoro utile. Such superheating systems 12 can be present individually or plurally, mounted in series or in parallel. Some superheating systems 12 can be fan coils the fan of which is possibly powered by the axis of the turbines 4 and 7, or heat exchangers suitable for recovering the heat of existing industrial plants, such as the cooling liquid of machinery. The superheating systems 12 to overheat with an extremely low cost work the input of the turbines 4 and 7 improve the efficiency of the turbomachine; however, the use of one or more superheating systems 12 is in any case optional and not mandatory. The possible superheating systems 12 are powered by the turbines 4 and 7 themselves, and amplify their useful work.
Un possibile sistema 12 di surriscaldamento (illustrato nelle figure 2 e 3) prevede la costruzione di un riscaldatore 13, il quale è disposto a monte dell'entrata del fluido 2 di lavoro nella turbina 4 o 7 ed è composto da un ingresso 14 ed una uscita 15 tra cui è posta una struttura perforata per esempio in ferro per facilitare lo scambio termico contenitore-contenuto. Tale struttura viene surriscaldata da un circuito contenente una bobina 16 di induzione elettromagnetica, eventualmente bifilare. Tale bobina 16 di induzione elettromagnetica può avere ad esempio alimentazione elettrica risonante ad onda smorzata (utilizzando ad esempio lo schema elettrico illustrato figura 4), alimentazione elettrica alternata (utilizzando ad esempio figura 5), oppure alimentazione elettrica pulsata (utilizzando ad esempio lo schema elettrico illustrato figura 6); secondo una possibile forma di attuazione, la bobina 16 di induzione potrebbe venire alimentata tramite un generatore elettromagnetico o elettrostatico azionato dalla corrispondente turbina 4 o 7 (il generatore può essere in asse con la turbina 4 o 7 oppure può essere meccanicamente collegato con la turbina 4 o 7 mediante un dispositivo di trasmissione). A possible superheating system 12 (illustrated in Figures 2 and 3) provides for the construction of a heater 13, which is arranged upstream of the inlet of the working fluid 2 in the turbine 4 or 7 and is composed of an inlet 14 and a outlet 15 between which a perforated structure is placed, for example in iron to facilitate the container-content heat exchange. This structure is overheated by a circuit containing an electromagnetic induction coil 16, possibly two-wire. Said electromagnetic induction coil 16 can have, for example, a resonant power supply with a damped wave (using for example the electrical diagram illustrated in figure 4), alternating electrical power supply (for example using figure 5), or pulsed electrical power supply (for example using the electrical diagram illustrated figure 6); according to a possible embodiment, the induction coil 16 could be powered by an electromagnetic or electrostatic generator driven by the corresponding turbine 4 or 7 (the generator can be in axis with the turbine 4 or 7 or it can be mechanically connected with the turbine 4 or 7 via a transmission device).
Un altro possibile sistema 12 di surriscaldamento (illustrato nella figura 7) è costituito da un decompressore 17 dinamico comprendente un rotore 19 realizzato in un metallo conduttore (rame, alluminio o simili) ed uno statore 18 provvisto di magneti 20 (che possono essere magneti permanenti oppure elettromagneti) che generano dei potenti campi magnetici che interessano il rotore 19; se i magneti 20 sono magneti permanenti, le polarità dei magneti 20 sono alternate (come illustrato nella figura 7), mentre se i magneti 20 sono elettromagneti vengono alimentati con corrente elettrica alternata. La rotazione del rotore 19 porterà alla generazione di correnti di Foucault sul medesimo, che, cortocircuitandosi, lo surriscalderanno fino ad oltre 500°C. Questo calore verrà ceduto dal rotore 19 al fluido 2 di lavoro in transito mentre il fluido 2 di lavoro lambisce il rotore 19 determinando un aumento di temperatura, e quindi di volume, del fluido 2 di lavoro; per aumentare la superficie di scambio termico del rotore 19, il rotore 19 è preferibilmente composto da un pacco di dischi tra loro paralleli e leggermente distanziati uno dall’altro (in modo tale che il fluido 2 di lavoro possa fluire in mezzo ai dischi del rotore 19). Il “Coefficient Of Performance” di tale sistema 12 di surriscaldamento è legato alla frequenza di cambiamento del campo magnetico ed alla sua intensità; questo sistema 12 di surriscaldamento di per sé può avere un “Coefficient Of Performance” superiore a 1:5. Another possible superheating system 12 (illustrated in Figure 7) consists of a dynamic decompressor 17 comprising a rotor 19 made of a conductive metal (copper, aluminum or the like) and a stator 18 equipped with magnets 20 (which can be permanent magnets or electromagnets) which generate powerful magnetic fields which affect the rotor 19; if the magnets 20 are permanent magnets, the polarities of the magnets 20 are alternating (as illustrated in Figure 7), while if the magnets 20 are electromagnets they are supplied with alternating electric current. The rotation of the rotor 19 will lead to the generation of eddy currents on it, which, by short-circuiting, will overheat it up to over 500 ° C. This heat will be transferred by the rotor 19 to the working fluid 2 in transit while the working fluid 2 laps the rotor 19 causing an increase in the temperature, and therefore in the volume, of the working fluid 2; to increase the heat exchange surface of the rotor 19, the rotor 19 is preferably composed of a pack of discs parallel to each other and slightly spaced from each other (so that the working fluid 2 can flow between the discs of the rotor 19). The “Coefficient Of Performance” of this superheating system 12 is linked to the frequency of change of the magnetic field and to its intensity; this superheating system 12 by itself can have a “Coefficient Of Performance” higher than 1: 5.
Un ulteriore possibile sistema 12 di surriscaldamento (illustrato nelle figure 8-11) è costituito da un riscaldatore 21 comprendente dei dischi 22 supportanti ciascuno una pluralità di magneti 23 a polarità alternata, ed un tubo 24 in un metallo conduttore (rame, alluminio o simili) che è disposto in posizione fissa in prossimità dei dischi 22. I dischi 22 vengono, ad esempio, portati in rotazione dalla turbina 4 o 7; in seguito alla rotazione dei dischi 22, il tubo 24 viene investito da un campo magnetico variabile nel tempo che induce la generazione di correnti cortocircuitate di Foucault determinanti il riscaldamento del tubo 24 stesso (quindi il fluido 2 di lavoro che scorre all’interno del tubo 24 viene riscaldato aumentando la propria temperatura ed il proprio volume). Il riscaldatore 21 può avere una conformazione assiale come illustrato nelle figure 8 e 9, oppure può avere una conformazione radiale come illustrato nelle figure 10 e 11. Il riscaldatore 21 di per sé può avere un “Coefficient Of Performance” superiore a 1:5. A further possible superheating system 12 (illustrated in Figures 8-11) is constituted by a heater 21 comprising discs 22 each supporting a plurality of magnets 23 with alternating polarity, and a tube 24 in a conductive metal (copper, aluminum or the like. ) which is arranged in a fixed position near the discs 22. The discs 22 are, for example, rotated by the turbine 4 or 7; following the rotation of the disks 22, the tube 24 is hit by a magnetic field which varies over time which induces the generation of short-circuited Foucault currents which determine the heating of the tube 24 itself (hence the working fluid 2 which flows inside the tube 24 is heated by increasing its temperature and volume). The heater 21 can have an axial conformation as shown in Figures 8 and 9, or it can have a radial conformation as shown in Figures 10 and 11. The heater 21 itself can have a "Coefficient Of Performance" higher than 1: 5.
Un ulteriore possibile sistema 12 di surriscaldamento (illustrato nella figura 12) comprende un concentratore 25 di raggi elettromagnetici, ad esempio quelli solari. Il concentratore 25 di raggi elettromagnetici potrebbe comprendere almeno uno specchio 26 convesso che indirizza (concentra) i raggi solari in corrispondenza di un collettore 27 che cede in modo noto il calore così riflesso al fluido 2 di lavoro in ingresso alla turbina 4 o 7. Tale sistema 12 di surriscaldamento utilizza energia solare che è disponibile gratuitamente e liberamente. A further possible superheating system 12 (illustrated in Figure 12) comprises a concentrator 25 of electromagnetic rays, for example those of the sun. The electromagnetic ray concentrator 25 could comprise at least a convex mirror 26 which directs (concentrates) the solar rays at a collector 27 which transfers the heat thus reflected to the working fluid 2 entering the turbine 4 or 7 in a known way. Overheating system 12 uses solar energy which is available free and freely.
Un ulteriore possibile sistema 12 di surriscaldamento (illustrato nella figura 13) comprende una camera 28 di combustione alimentata con combustibili fossili, carbone, legna o quant'altro produca una combustione idonea a riscaldare ed uno scambiatore 29 di calore che è termicamente accoppiato alla camera 28 di combustione e viene percorso dal fluido 2 di lavoro in ingresso alla turbina 4 o 7. Tale sistema 12 di surriscaldamento presenta presumibilmente un “Coefficient Of Performance” inferiore ad 1:1, ma può essere interessante per il recupero di energia residuale di scarto come gas da biomasse, etc. A further possible superheating system 12 (illustrated in Figure 13) comprises a combustion chamber 28 fed with fossil fuels, coal, wood or whatever produces a combustion suitable for heating and a heat exchanger 29 which is thermally coupled to the chamber 28 of combustion and is traversed by the working fluid 2 entering the turbine 4 or 7. This superheating system 12 presumably has a "Coefficient Of Performance" lower than 1: 1, but it can be interesting for the recovery of residual waste energy such as biomass gas, etc.
Un ulteriore possibile sistema 12 di surriscaldamento (illustrato nella figura 14) comprende un riscaldatore 30 dinamico, in cui un flusso di fluido 2 di lavoro compresso entra in un ugello 31 di tipo Venturi espandendosi e quindi generando un vuoto all'interno di una presa 32 posteriore, libera, da cui sarà “risucchiato” ulteriore fluido 2 di lavoro compresso; di conseguenza, all'uscita dell’ugello 31 si ottiene il fluido 2 di lavoro ad una pressione minore ma ad una temperatura maggiore. In corrispondenza dell’uscita dell’ugello 31 è disposto un tubo 33 a vortice di Ranque che genera un'uscita fredda ed a bassa pressione e concentra in una seconda uscita un flusso più caldo ed a maggior pressione rispetto al punto di ingresso. La pressione quindi torna pari a quella d'ingresso, ma viene aumentato il calore e di conseguenza il volume e la portata del fluido 2 di lavoro. Il “Coefficient Of Performance” di tale sistema 12 di surriscaldamento è superiore a 1:1 e dipende dal dimensionamento dell'apparato. A further possible superheat system 12 (illustrated in Figure 14) comprises a dynamic heater 30, in which a stream of compressed working fluid 2 enters a Venturi-type nozzle 31 expanding and thus generating a vacuum inside a tap 32 rear, free, from which further compressed working fluid 2 will be "sucked"; consequently, at the outlet of the nozzle 31 the working fluid 2 is obtained at a lower pressure but at a higher temperature. At the outlet of the nozzle 31 there is a Ranque vortex tube 33 which generates a cold and low pressure outlet and concentrates a hotter and higher pressure flow in a second outlet with respect to the inlet point. The pressure then returns equal to the inlet pressure, but the heat and consequently the volume and flow rate of the working fluid 2 are increased. The “Coefficient Of Performance” of this superheating system 12 is higher than 1: 1 and depends on the sizing of the apparatus.
Secondo una possibile forma di attuazione, nei sistemi 12 di surriscaldamento la maggior portata di fluido 2 di lavoro caldo può essere trasformata in maggior pressione (trasformando la isobara in isocora) tramite un opportuno ugello diffusore, per esempio quello di de Laval, idoneo a convertire la velocità del flusso in pressione statica. According to a possible embodiment, in the superheating systems 12 the greater flow rate of hot working fluid 2 can be transformed into greater pressure (transforming the isobar into isochoric) by means of a suitable diffuser nozzle, for example that of de Laval, suitable for converting the flow velocity under static pressure.
Secondo una possibile, ma non limitante, forma di attuazione, la turbomacchina comprende una serie di controlli elettronici dei flussi per modulare la potenza prodotta dalla turbomacchina stessa; ad esempio i controlli elettronici possono agire sui sistemi 12 di surriscaldamento aumentandone e diminuendone l'efficienza oppure possono controllare una saracinesca ad otturatore sul flusso primario del fluido 2 di lavoro per ottenere lo stesso effetto. According to a possible, but not limiting, embodiment, the turbomachine comprises a series of electronic flow controls to modulate the power produced by the turbomachine itself; for example the electronic controls can act on the superheat systems 12 increasing and decreasing their efficiency or they can control a shutter gate valve on the primary flow of the working fluid 2 to obtain the same effect.
Secondo una alternativa, e perfettamente equivalente, forma di attuazione, le turbine 4 e 7 potrebbero essere sostituire da un altro tipo di macchina fluidodinamica che genera lavoro meccanico sfruttando l’espansione del fluido 2 di lavoro (ovvero genera lavoro meccanico sfruttando la sovrapressione del fluido 2 di lavoro) quale, ad esempio, un motore a pistoni a singolo o plurimo stadio di espansione. According to an alternative, and perfectly equivalent, embodiment, the turbines 4 and 7 could be replaced by another type of fluid-dynamic machine which generates mechanical work by exploiting the expansion of the working fluid 2 (i.e. it generates mechanical work by exploiting the overpressure of the fluid 2 working) such as, for example, a single or multi-stage expansion piston engine.
Nella preferita, ma non limitativa, forma di attuazione sopra descritta, sono previsti due gruppi operatori composti ciascuno da un sistema 12 di surriscaldamento, da una turbina 4 o 7 e da un dispositivo 6 o 9 di decompressione disposti tra loro in serie in questo ordine. In generale sono previsti N (con numero intero uguale a 1 o maggiore di 1) gruppi operatori disposti in cascata. Dal terzo gruppo operatore in poi, lavorando sempre sul medesimo fluido 2 di lavoro, producono un "maggior lavoro" unicamente derivabile dall'effetto moltiplicativo del “Coefficient Of Performance” dei corrispondenti sistemi 12 di surriscaldamento. In the preferred but not limiting embodiment described above, two operating groups are provided, each consisting of a superheating system 12, a turbine 4 or 7 and a decompression device 6 or 9 arranged in series with each other in this order . In general, N (with integer number equal to 1 or greater than 1) are provided for operating groups arranged in cascade. From the third operating group onwards, always working on the same working fluid 2, they produce "greater work" that can only be derived from the multiplicative effect of the "Coefficient Of Performance" of the corresponding superheating systems 12.
Nella preferita, ma non limitativa, forma di attuazione sopra descritta, il fluido 2 di lavoro è costituito dall’aria atmosferica; tuttavia, secondo altre forme di attuazione il fluido 2 di lavoro può essere costituito da qualunque altro tipo di fluido (medium ambientale). In the preferred, but not limiting, embodiment described above, the working fluid 2 is constituted by atmospheric air; however, according to other embodiments, the working fluid 2 can consist of any other type of fluid (environmental medium).
La termomacchina sopra descritta presenta numerosi vantaggi. The thermo machine described above has numerous advantages.
In primo luogo, la termomacchina sopra descritta permette di produrre lavoro meccanico dal medium ambientale attraverso l'estrazione del calore quale, ad esempio, il calore presente in atmosfera, in modo efficace ed efficiente. In the first place, the thermo machine described above allows to produce mechanical work from the environmental medium through the extraction of heat such as, for example, the heat present in the atmosphere, in an effective and efficient way.
Inoltre, la termomacchina sopra descritta è di realizzazione relativamente semplice, economica e compatta. Furthermore, the thermo machine described above is relatively simple, economical and compact in construction.
Infine, la termomacchina sopra descritta presenta una struttura meccanica intrinsecamente robusta che consente lunghi periodi di funzionamento ininterrotto senza manutenzioni di sorta. Finally, the thermo machine described above has an intrinsically robust mechanical structure which allows long periods of uninterrupted operation without any maintenance whatsoever.
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Also Published As
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