Tecnologie per il recupero energetico da motori a combustione interna di piccola potenza

1 Introduzione Lo sfruttamento incontrollato dei combustibili fossili, se lasciato a se stesso, porterà a breve ad una crisi energetica di livello mondiale. Infatti il complesso sistema dell’energia è basato quasi totalmente su macchine che funzionano grazie alla combustione di petrolio, carbone e gas naturale, idrocarburi presenti ancora in quantità notevoli sul pianeta, ma in veloce esaurimento. Questo rende gli studi sulle macchine termiche non più solamente un hobby degli specialisti del settore, o un problema di tipo economico, ma un onere a cui essi devono sottostare per far si che il benessere che l’uomo ha fin qui conquistato non svanisca nell’egoismo, lasciando solamente le rimembranze di una civiltà futuristica. In base a quanto detto, qualsiasi studio volto al miglioramento del rendimento meccanico delle macchine termiche, oltre che essere una conquista del’intelletto umano, è soprattutto una maniera per risparmiare sul carburante, ottenendo lo stesso risultato in termini di lavoro meccanico, e ciò farà ritardare l’attimo in cui l’ultima goccia di oro nero sarà bruciata. In questa tesi, si è cercato di valutare la fattibilità nel migliorare il rendimento di un motore a combustione interna sfruttando il calore dei gas di scarico altrimenti disperso in ambiente. Questi propulsori trovano larghissimo impiego, nel campo della movimentazione terrestre. Tra le varie tipologie di veicoli, sono stati analizzati i trattori in quanto sottostanno a condizioni di funzionamento nominali per lunghi periodi, per esempio durante l’aratura. Ciò fa si che le portate dei fumi di scarico siano non aleatorie ma stazionarie, per molte delle ore di funzionamento. Questa caratteristica, unita alle elevate temperature dei fumi in uscita dalla camera di combustione, circa 700°C, fa vertere in modo naturale nella scelta di un impianto a ciclo diretto a vapore come soluzione tecnologica da adottarsi per la conversione dell’energia termica in energia meccanica. In base a questa idea di principio, la tesi è stata sviluppata nel seguente modo. Nel capitolo 1 vengono riproposte le nozioni teoriche riguardanti i cicli diretti a vapore, comprendenti i cicli ideali, quelli reali e le maniere che permettono il miglioramento del rendimento termodinamico. Lo scopo del capitolo, peraltro breve, è quello di fornire al lettore materiale per un veloce ripasso qualora non ricordasse limpidamente la teoria di base; inoltre è un modo per prendere famigliarità con i simboli adottati nell’elaborato. Il capitolo 2 tratta della tecnologia ORC, acronimo di Organic Rankine Cycle, cioè di cicli Rankine a fluido organico. L’utilizzo dei fluidi organici permette di ottenere rendimenti termodinamici migliori rispetto a quelli che si avrebbero con l’acqua, nel caso in cui la sorgente termica si presenti a bassa temperatura (100 – 300 °C) e fornisca una piccola potenza termica (fino a 200 kW). I fluidi organici sono dei composti aventi in molecola una o più molecole di carbonio. Fra questi, d’uso comune nei cicli inversi per la refrigerazione sono i fluidi frigorigeni alogenati, che si ottengono a partire da idrocarburi sostituendo in tutto o in parte gli atomi di idrogeno con gli alogeni cloro, fluoro, bromo. La descrizione, la classificazione, i problemi legati all’inquinamento e la legislazione sono discussi in modo sufficientemente ampio per fornire un quadro generale su di essi. I fluidi organici possiedono diverse caratteristiche che li rendono interessanti. Innanzitutto sono definiti bassobollenti cioè, a parità di pressione, la temperatura di saturazione corrispondente è minore rispetto a quella dell’acqua. Questa è la proprietà che li rende preferibili all’acqua se la temperatura della sorgente fredda non è elevata. Inoltre il calore latente di vaporizzazione è minore. Questa è invece la proprietà che rende sfruttabili le potenze termiche più piccole senza che la portata massica sia troppo scarsa e quindi difficilmente gestibile. Altro punto a vantaggio dei fluidi organici è il fatto di avere un elevato peso molecolare. A parità di potenza, quindi, la turbina di un ORC può girare più lentamente, rendendo possibili