B.R.I.G.IT. - Syngen s.r.l. | Ricerca e innovazione per l ... · Ciclo Rankine con le turbine a...

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B.R.I.G.IT.

Brayton Reciprocating Isobaric Genset ITaly

Sintesi dell’attività di ricerca per l’industrializzazione di

elettrogeneratori propulsi con motori a combustione esterna

Piacenza 01/12/2012


1. SINTESI DEL PROGETTO

Il progetto si pone l’obiettivo di industrializzare una gamma di gruppi elettrogeni con

motore a combustione esterna, aventi aria come fluido di lavoro e che utilizzano, come

carburante, biomassa o calore di recupero.

Il funzionamento di B.R.I.G.IT è descritto dal ciclo termodinamico di Brayton aperto, lo

stesso delle turbine a gas o aeronautiche.

Differentemente dai comuni motori a combustione interna che utilizzano liquidi o gas

combustibili, dosati e fatti esplodere all’interno dei motori stessi, quelli a combustione

esterna sono una tipologia di motori nei quali il combustibile viene utilizzato per riscaldare

un fluido di lavoro, attraverso il quale si realizza la conversione dell'energia termica in

lavoro meccanico.

All’interno di questo tipo di propulsore, è introdotto un gas (aria, vapore, idrogeno, elio,

ecc) che viene preriscaldato esternamente al motore dai combustibili più svariati (carbone,

legna, ecc.) e quindi, i residui della combustione, non entrano mai in contatto con le parti

del motore stesso.

A parità di potenza, un motore a combustione esterna è in genere più ingombrante e

pesante di un motore a combustione interna. Questo perché contiene uno scambiatore di

calore utilizzato per riscaldare il fluido di lavoro. Per contro, può essere più efficiente ed è

indifferente al tipo di carburante che si utilizza. Inoltre la temperatura e la pressione

relativamente basse della combustione (che avvengono in apposite caldaie esterne)

portano ad una minor formazione di inquinanti, quali gli ossidi di azoto.

La turbina a vapore è un buon esempio di comune motore a combustione esterna. In

questa macchina, il calore, ottenuto bruciando un combustibile, oppure generato da un

reattore nucleare, viene utilizzato per portare dell'acqua allo stato di vapore. All'interno

della turbina, l'energia di pressione, posseduta dal vapore, viene trasformata in energia

cinetica ed utilizzata per far muovere le palette della turbina.


1.1 Breve storia e stato dell’arte sui motori a combustione esterna

Nell’ottocento ebbero una grande diffusione i motori volumetrici a pistoni a combustione

esterna che permettevano l’uso del carbone come combustibile.

Tra questi il più diffuso era il motore alternativo a vapore che è rimasto in uso nella

trazione ferroviaria fino alla seconda guerra mondiale.

I motori ad aria calda furono in competizione tecnologica e commerciale con quelli a

vapore in quanto presentavano due importanti vantaggi:

non necessitavano per il funzionamento di alte pressioni, cosa all’epoca, pericolosa da

raggiungere, data la scarsa affidabilità dei materiali e delle tecniche di costruzione;

presentavano rendimenti elevati, ossia un consumo di carbone per cavallo prodotto molto

inferiore al motore a vapore.

Pagavano invece il limite di essere più grandi ed ingombranti, cosa che li rendeva inadatti

all’impiego sui mezzi di trasporto.

Nel 1853 venne varato il Caloric, una nave a pale che montava un motore ad aria calda da

300 CV con un rendimento di oltre 13%, circa il doppio dei battelli a vapore

contemporanei, .ma con una capacità di carico limitata dal grande volume occupato dal

sistema di propulsione.


Piroscafo a pale "Caloric" 1853

Motore Ericsson (navale)

Il motore ad aria calda si affermò nei generatori di piccola potenza per gli utilizzi della

piccola industria e venne prodotto in serie sino ai primi del ‘900 (Allegato n.4) per

terminare la propria parabola commerciale all’affermarsi dei motori a combustione interna.

Anche i grandi motori alternativi a combustione esterna vennero progressivamente

abbandonati quando la tecnica metallurgica permise, alla fine del XIX secolo, di sfruttare il

Ciclo Rankine con le turbine a vapore.

Oggi una rinascita dei motori alternativi ad aria calda è giustificata dai seguenti motivi:

• il costo elevato dell’energia porta verso la disseminazione dei generatori di piccola

taglia, alimentati con fonti energetiche di scarto o a basso costo che possono

avvalersi degli incentivi statali per la produzione di energia da fonte rinnovabile;

• A parità di potenza generata, in un range sino a 1000 kWh termici e a parità di ciclo

termodinamico di funzionamento (ciclo Brayton), i motori a pistoni sono più efficienti

delle turbine cioè, a parità di cavalli prodotti, hanno consumi di combustibile molto

inferiori;


• la semplicità di funzionamento e di conduzione, permettono l’impiego anche a

personale non qualificato;

• il livello qualitativo dalle tecnologie metallurgiche e motoristiche, oggi di uso

comune, ma impensabili all’epoca dello sviluppo della combustione esterna,

permettono di ottimizzare il ciclo termodinamico, operando a pressioni e

temperature molto più elevate in confronto agli apparati del passato;

1.2 Ricerca svolta ed impianti pilota realizzati

Nel 2007, dopo un periodo iniziale di studio, propedeutico alla comprensione del ciclo

termodinamico e delle sue implicazioni sugli attuali motori automobilistici, venne compilato

un foglio di calcolo in grado di assistere la futura sperimentazione e di predire i dati di

funzionamento che sarebbero stati raccolti durante le prove dei prototipi al fine di

verificarli.

Il primo prototipo era costituito da una caldaia a biomassa, un compressore volumetrico

esterno ed un motore bicilindrico boxer automobilistico.

All’interno della caldaia sono posti 3 gruppi di scambiatori di calore aria – aria.

L’aria in pressione fornita dal compressore si riscalda negli scambiatori e raggiunge il

cilindro di espansione dove trasforma in lavoro meccanico il calore ricevuto dalla biomassa

in combustione.

Il sistema è molto flessibile, potendo essere regolato modificando sia la pressione, sia la

temperatura.

Inoltre, siccome il fluido di lavoro è aria, non avvenendo alcuna combustione interna, offre

il vantaggio non dover sostituire il lubrificante per molte migliaia di ore di funzionamento.

Le esperienze effettuate attraverso il suo funzionamento, hanno permesso di identificare le

criticità del sistema che sono state considerate nella progettazione del successivo

impianto pilota su scala reale.

Hanno permesso altresì di verificare il modello di calcolo, che viene tutt’ora utilizzato come

base di conoscenze termodinamiche sulla quale fondare la progettazione.

Verso la fine del 2009, Syngen iniziò la progettazione e la realizzazione di un impianto

pilota su scala reale dimensionato per produrre 25 – 50 kWh elettrici.


Aprile 2011 – parte termica in completamento


Giugno 2011 - Impianto pilota in fase di completamento. Monta una testata a valvole rotative verticali, successivamente sostituite con una a dischi orizzontali


Giugno 2011 – particolare delle linee di lubrificazione e raffreddamento delle valvole

L’impianto è il naturale scaling up del primo prototipo e ne ricalca gli aspetti salienti.

In sintesi, l’aria atmosferica, compressa attraverso un normale compressore industriale, si

riscalda nel passaggio attraverso tre gruppi di scambiatori che ricavano il calore dalla

combustione della biomassa.

Durante l’attraversamento degli scambiatori, l’aria raggiunge una temperatura compresa

fra 700 ed 800 °C e viene introdotta in un motore Fiat Iveco per autocarro, dosata da un

gruppo di valvole rotative.

Con l’espansione all’interno dei cilindri, il calore ricevuto dalla biomassa in combustione è

trasformato in lavoro meccanico.


La rotazione del motore trascina una dinamo, producendo così corrente elettrica.

L’aria scaricata dal motore, avente ancora una temperatura residua, viene utilizzata come

preriscaldamento dell’aria compressa all’inizio del ciclo. Attraverso questa fase, definita

rigenerazione, viene aumentata l’efficienza di tutto il sistema.

Il motore, funziona a due tempi ed a combustione esterna e non vi è mai contatto tra i fumi

e parti meccaniche in movimento, permettendo la riduzione degli interventi di

manutenzione ed aumentando la durata dell’apparato.

Dalla sperimentazione si è compreso come le valvole di distribuzione siano il punto chiave

dell’iniziativa.

Le valvole rotative sono state interamente sviluppate da Syngen ed hanno richiesto un

anno di studio e la realizzazione di una specifica valvola prototipo che è stata spinta per

alcune ore ad un numero di giri triplo rispetto a quello atteso dal funzionamento a regime.

Seguendo la logica “trial and error”, sono state progettate, costruite e sperimentate tre

tipologie di testate a valvole rotative, per individuare quella più performante.

Inizialmente sono state sperimentate valvole rotative a dischi piani, da ultima è stata

sviluppata una valvola a rotore conico tipo “ASPIN”. Tali valvole ebbero applicazioni

automobilistiche ed aeronautiche dalla metà degli anni ‘30 sino ai primi anni ’60 e furono

molto apprezzate nelle competizioni sportive, a motivo del grande numero di giri che

potevano raggiungere, se confrontato con la tradizionale distribuzione ad aste e bilancieri.

La testata è progettata per essere installata su motori FIAT – IVECO “Cursor” 6 cilindri in

linea, che sostituirà la testata originale alloggiando 4 valvole “ASPIN” e quattro coppie di

valvole automatiche di non ritorno.

Il motore è così trasformato: Quattro cilindri di potenza, che espandono l’aria compressa

riscaldata dalla caldaia e due cilindri di compressione che la immettono negli scambiatori

di calore.

La testata, ricavata da un pezzo unico di alluminio mediante un centro di lavoro a controllo

numerico, è autonomamente lubrificata e raffreddata ed è predisposta per essere sostituita

senza alcuna modifica alle testate dei “cursor”.

Inoltre le valvole sono già fasate per il nuovo ciclo di funzionamento


1.3 Stato dell’arte dell’iniziativa

Attraverso i test effettuati sull’impianto pilota sono stati compresi i punti fondamentali nella

progettazione di questo tipo di macchine.

In particolare si è capito che la parte fondamentale è il sistema di distribuzione a valvole

rotative che, non essendo commerciali, devono essere appositamente realizzate.

Si è acquisita la conoscenza per ricavare queste testate da pezzi grezzi di alluminio e di

acciaio attraverso l’impiego di un centro di lavoro a controllo numerico.

Attualmente Syngen è in possesso dei files che consentono l’esecuzione automatizzata di

queste parti e le restituiscono pronte per il montaggio sui motori.

Sinteticamente si riassume per punti il know how acquisito negli anni di sperimentazione e

che consente lo sviluppo dell’iniziativa.

Know how relativo a:

1. Foglio di calcolo fondamentale per il dimensionamento delle macchine completo di

calcoli termodinamici. Il dimensionamento parte dalla richiesta di energia elettrica

che la macchina dovrà produrre. Vengono stabilite come input pressione e

temperatura di lavoro. Il modello definisce le caratteristiche dell’apparato quali, i

volumi di aria da comprimere per ora, la dose d’aria compressa per ciclo che deve

entrare nel motore, il numero di giri per minuto che il motore raggiungerà, la

potenza termica della caldaia, le temperature in ingresso ed in uscita dal sistema,

lunghezza del fascio tubiero in funzione dei metri quadrati di scambio termico, il

rendimento termico e, fattore fondamentale, il rendimento elettrico.

2. Conferme sperimentali del modello ottenute attraverso i test di funzionamento di un

prototipo di piccola cilindrata e di un impianto pilota su scala reale dotato di motore

commerciale per autocarro.

3. Files per centri di lavoro a controllo numerico in grado di eseguire in serie testate

per motori commerciali a 6 cilindri in linea, che possano convertirli al funzionamento

in ciclo Brayton a combustione esterna. Tali testate sono dotate di quattro valvole

rotative “Aspin” per i quattro cilindri di potenza e valvole automatiche per i due

cilindri di espansione.


4. Metalli da impiegarsi nell’esecuzione delle valvole rotative, tolleranze di

realizzazione, angoli di fasatura, tipo di lubrificazione, pressione dell’olio e quantità,

5. Brevetto relativo alla testata con valvole rotative tipo “Aspin”.

6. Dimensionamento esecutivo del bruciatore di biomassa e della griglia mobile ove

avviene la combustione, che funziona in aspirazione, cioè l’aria necessaria alla

combustione non viene insufflata nel bruciatore, ma entra nel sistema richiamata da

un aspiratore posto a valle della macchina, appena prima del camino.

7. Dimensionamento corretto degli scambiatori di calore, loro geometria e collocazione

al di sopra del bruciatore.

8. Realizzazione della macchina su due skid aventi le dimensioni adatte al trasporto

su gomma ordinario senza la necessità di organizzare trasporti eccezionali.

2.4 Sviluppi tecnici

Per sfruttare la grande efficienza offerta dal ciclo Brayton è necessario operare con basse

pressioni, cosa peraltro vantaggiosa in termini di affidabilità e sicurezza. Per contro è

necessario una cilindrata molto elevata che può essere raggiunta ponendo in linea vari

motori commerciali che lavorano contemporaneamente.

La potenza elettrica che è possibile ottenere dall’impianto pilota su scala reale e dotato di

un solo motore è pari a circa 15 kWh elettrici.

I motori Iveco Cursor hanno una cilindrata di 13 litri per cui un generatore che produca 50

kWh elettrici da immettere in rete, necessita di una cilindrata di 39 litri.

Syngen è quindi oggi in grado di realizzare gruppi elettrogeni da 50 kWh elettrici,

accoppiando 3 motori cursor per ogni gruppo.

Questa potenza è rispondente alle richieste del mercato che è costituito da aziende

agricole medio piccole, con quantità di scarti trasformabili commisurate alla propria

dimensione. Accoppiare un numero superiore di motori per ottenere potenze maggiori è

certamente possibile, ma va a scapito della semplicità di gestione, manutenzione e costo.

Il problema, come si è visto, sta nella cilindrata dei motori disponibili sul mercato che, per

lo scopo della combustione esterna a bassa pressione risultano sempre insufficienti,

volendo costruire apparati di grande potenza.


Non è pensabile rivolgersi verso motori navali a motivo delle dimensioni, del peso e dei

costi che allontanerebbero il progetto dalle sue qualità peculiari cioè la semplicità ed il

costo contenuto.

Diventa quindi necessario progettare e realizzare un motore avente i cilindri espansori di

grande cilindrata.

Costruttivamente elementare, rispetto ad un motore convenzionale per autotrazione, potrà

essere dimensionato per operare a basso numero di giri e generare 100 kWh di potenza

elettrica vendibile con ingombro minimo e frazione di costo rispetto ai motori commerciali.

Questo propulsore, essendo di progettazione dedicata, sarà pensato per lavorare nel ciclo

Brayton e dunque la sua efficienza risulterà naturalmente aumentata rispetto all’impiego di

motori concepiti per essere efficienti in altre condizioni di lavoro.

Esso permetterà di divenire estremamente contenuti nei costi di produzione di macchine di

media potenza e di accedere con facilità ad ulteriori fasce di mercato.

2 GLI ELETTROGENERATORI “B.R.I.G.IT.”

2.1 Idea base del progetto

Syngen intende in futuro produrre in serie e commercializzare dei gruppi elettrogeni di

piccola taglia, funzionanti a ciclo Brayton, a combustione esterna ed alimentati da

biomassa.

Questo tipo di apparato va a colmare un vuoto commerciale presente nel settore agricolo,

in quanto, sino ad oggi e a nostra conoscenza, il numero di installazioni funzionanti, di

impianti di taglia compresa fra 25 e 100 kWh elettrici, da combustione di biomasse, è

praticamente pari a zero.

L’idea è quella di realizzare una linea di costruzione per questi apparati con tre potenze

differenti, in modo da potersi adattare alla dimensione reale delle aziende agricole.

Le taglie saranno: 100, 50, 25 kWh el.

La progettazione di base sarà identica per tutte le taglie e così pure gli skid sui quali

verranno assemblate le varie parti.

L’aumento di potenza sarà ottenuto aggiungendo moduli preassemblati.


Ad esempio il raddoppio della potenza utile sarà ottenuto raddoppiando il numero dei

moduli scambiatori di calore ed il numero dei moduli motori, ma le piattaforme d’acciaio

sulle quali verranno posizionati saranno comuni a tutte le taglie.

Le fasi di costruzione saranno sostanzialmente due: assemblaggio e collaudo.

Inoltre, una volta assemblati, i gruppi avranno dimensioni standard per poter essere

trasportati su gomma senza la necessità del trasporto eccezionale.

Gli elettrogeneratori usciranno dalla linea produttiva collaudati e pronti per essere messi in

esercizio.

La semplicità realizzativa e la standardizzazione ridurrà i tempi che intercorrono tra

l’ordine e la consegna, favorendo in questo modo la penetrazione di B.R.I.G.IT. sul

mercato.

2.2 Principali caratteristiche tecniche

Il funzionamento di B.R.I.G.IT è descritto dal ciclo termodinamico di Brayton aperto, lo

stesso delle turbine a gas o aeronautiche; il ciclo utilizza l’aria come vettore energetico.

Al posto della turbina viene impiegato un comune motore a pistoni per autotrazione.

Il motore, 6 cilindri in linea è diviso in due sezioni: 2 cilindri fungono da compressore e 4

cilindri sono di potenza, ossia sfruttano l’espansione dell’aria compressa riscaldata dalla

combustione della biomassa.

Il funzionamento è sintetizzato come segue.

La caldaia a biomassa viene accesa e si attende che la temperatura raggiunga il regime di

funzionamento.

Viene acceso un motore elettrico, connesso alla rete che funge da motore di lancio e

pone in rotazione il motore principale.

I due cilindri compressori iniziano a pompare aria negli scambiatori di calore, preriscaldati

dalla combustione della biomassa.

Durante l’attraversamento degli scambiatori l’aria raggiunge una temperatura compresa fra

700 ed 800 °C e viene introdotta nella sezione del motore costituita dai quatto cilindri di

potenza. La quantità d’aria compressa calda introdotta per ciclo è dosata da delle valvole

rotative montate sulla testata del motore.


Con l’espansione all’interno dei cilindri, il calore ricevuto dalla biomassa in combustione è

trasformato in lavoro meccanico.

La rotazione del motore trascina una dinamo, producendo così corrente elettrica.

L’aria scaricata dal motore, avente ancora una temperatura residua, viene utilizzata come

preriscaldamento dell’aria compressa all’inizio del ciclo.

Attraverso questa fase, definita rigenerazione, viene aumentata l’efficienza di tutto il

sistema.

Il motore, funziona a due tempi ed a combustione esterna e non vi è mai contatto tra i fumi

e parti meccaniche in movimento, permettendo la riduzione degli interventi di

manutenzione ed aumentando la durata dell’apparato.

Il ciclo brayton aperto realizzato con un motore alternativo a combustione esterna offre

numerosi vantaggi:

• quando sono richieste micro produzioni di energia elettrica (< 250 kWh) l’efficienza

del sistema con motore alternativo è sempre superiore a quella del sistema a

turbina.


• utilizza motori alternativi commerciali, con basso costo impiantistico

• richiede scambiatori di calore in acciaio inox

• lavora a temperature relativamente basse (700 – 800 °C) e può quindi utilizzare

anche combustibili erbacei basso fondenti, prodotti dalle coltivazioni energetiche

• Gestione elementare, manutenzione limitata, ricambi commerciali.

Per quanto attiene agli aspetti produttivi si sottolinea che il sistema è modulare e quindi,

implementando l’apparato di base da 25 kWh el con moduli preassemblati (scambiatori,

motori) è possibile realizzare la taglia da 50 kWh sullo stesso skid del gruppo da 25,

mentre per il gruppo da 100 kWh el occorrerà predisporre uno skid aggiuntivo.

Le caratteristiche tecniche dei generatori sono sintetizzate nella seguente tabella:

Potenza elettrica vendibile kWh 25 - 100

Efficienza elettrica del sistema % 20

Rapporto di compressione a regime bar 4

Tipo compressori/espansori FIAT IVECO “Cursor”

13800 cc, 6 cilindri in linea

Velocità a regime dei

motori/espansori

r.p.m. 1500

Motore di lancio / Generazione

elettrica

Alternatore + inverter

Tipo bruciatore Onnivoro

Potenza termica bruciatore kWh 125 - 500

Griglia cenere Automatica motorizzata

Estrazione cenere Coclea motorizzata

Alimentazione biomassa Spintore oleodinamico

Scambiatori aria/fumi inox

Rigeneratore inox

Isolamento accoppiato in lana ceramica/alluminio

Temperatura aria a regime °C 700 – 800

Temperatura fumi al camino °C 180 - 220


2.3 Grado di innovazione ed implicazioni commerciali

L’industrializzazione del generatore a biomassa è una rivoluzione nel modo di fare

energia disseminata.

Oggi il soli mezzi per disseminare la generazione di energia sono il fotovoltaico, l’ eolico

ed il mini idroelettrico che posseggono però tutte le limitazioni intrinseche della loro natura.

Il fotovoltaico, affidabile e di gestione elementare, è penalizzato da alti costi di

installazione se rapportati alla bassa efficienza di conversione ed al funzionamento

discontinuo dovuto al ciclo solare, stagionale e climatico, l’eolico dalla incostanza del

vento, il mini idroelettrico dalla non ubiquità di un corso d’acqua.

Per quanto attiene alle biomasse, data la non disponibilità commerciale di una tecnologia

per la piccola produzione di energia elettrica, si è assistito negli ultimi anni all’installazione

di grandi impianti per la produzione di biogas che utilizzano il trinciato di mais verde come

base per la digestione anaerobica e rari impianti di combustione diretta.

Sono state privilegiate le grandi taglie, dal MWh el o superiori che, oltre ad essere

sottoposte a lunghi procedimenti amministrativi, sono sempre invise alla popolazione

locale che reagisce usualmente attraverso la costituzione di comitati di cittadini contrari al

progetto, preoccupati dagli impatti ambientali negativi che vengono a generarsi.

Inoltre, a motivo della grande taglia, richiedono ampi bacini di alimentazione della

biomassa, perdendo la caratteristica della “filiera corta”, pensata per l’energia distribuita,

con aumento nella zona della circolazione degli autocarri che trasportano il combustibile.

Sotto il profilo economico e sociale la centralizzazione di questi grandi impianti a

biomassa, impongono unilateralmente alle aziende agricole un prezzo di ritiro, decurtato

dal costo del trasporto, che in tal modo vanifica, per le aziende agricole conferenti, il

beneficio economico connesso alla produzione di combustibile al posto di coltivazioni

tradizionali.

A motivo della piccola taglia B.R.I.G.IT. invade quindi un mercato ancora vergine senza

veri competitori.

Syngen intende fornire un apparato realmente “commerciale” che si ritagli la sua nicchia di

mercato con l’affidabilità e l’economicità.

Le caratteristiche che renderanno l’iniziativa commercialmente attrattiva sono:


• Investimento contenuto;

• Generazione di un reddito certo ed indipendente dalle logiche dei mercati agricoli,

anche per le piccole aziende;

• Stabilizzazione economica della propria attività;

• affidabilità e continuità nell’esercizio;

• autonomia di funzionamento in virtù di una automazione spinta;

• non necessita di alcuna patente per la conduzione;

• alimentazione onnivora;

• versatilità a funzionare con scarti agricoli o colture dedicate;

• specifiche del combustibile a largo spettro;

• rendimento elettrico del 20%;

• Dimensioni contenute e collocazione in azienda sempre possibile;

• Installabile ovunque. La potenza prodotta (max 100 kWh) non richiede una cabina

ENEL dedicata;

• Semplicità amministrativa (entro 50 kWh semplice comunicazione al comune, oltre

50 kWh necessita solamente la D.I.A.; non sono richieste autorizzazioni da parte di

provincia o regione);

• Possibilità di cogenerare aria o acqua calda per i bisogni aziendali;

3.5 Studi, ricerche e tecnologia applicata

Syngen ha sviluppato l’iniziativa B.R.I.G.IT. acquisendo le conoscenze necessarie in fasi

successive attraverso la progettazione e la sperimentazione.

Le problematiche principali hanno riguardato il modello teorico, l’efficienza del bruciatore,

degli scambiatori, l’isolamento termico, la condensazione del vapore al camino, la

compressione dell’aria, la conversione di un motore per autotrazione in un due tempi a

ciclo Brayton, le valvole di distribuzione e la loro fasatura. Nella seguente tabella

sintetizziamo il lavoro svolto.


Segmento

di progetto

Problematica affrontata Lavoro svolto e soluzione applicata

Modello

teorico

Non esiste un modello

teorico in grado di

eseguire calcoli e

dimensionamenti per

motori alternativi a

ciclo Brayton.

Si è scelto di creare un programma dedicato che elabora

i dati termodinamici del ciclo Brayton su di un motore a

pistoni ed è pensato per il dimensionamento progettuale

dei gruppi elettrogeni B.R.I.G.IT.

I dati in input sono i kWh elettrici attesi, pressione e

temperatura di lavoro, il potere calorifico inferiore del

combustibile da utilizzare, la cilindrata del motore.

I dati in output sono: il rendimento elettrico netto del

gruppo, il volume in metri cubi dell’aria atmosferica da

comprimere, l’angolo di manovella di apertura della

valvola di carico, la potenza necessaria alla

compressione, la potenza termica del bruciatore, le

temperature di fine compressione, di scarico, di camino,

la dimensione dello scambiatore e del rigeneratore, il

numero di giri motore per minuto, il calore in Joule

perduto dal sistema, oltre a tutta una serie di dati

intermedi indispensabili per progettare.


Segmento

di progetto


Bruciatore L’apporto d’aria deve

essere regolabile e non

vi deve essere

fuoriuscita di fumi.

Il bruciatore deve

fermare fuliggine e

polveri della

combustione per ridurre

i depositi sugli

scambiatori (fouling).

Si è scelto di modificare il funzionamento del bruciatore

da aria insufflata ad aria aspirata. È stato posizionato un

aspiratore a valle del sistema, appena prima dello scarico

in atmosfera, che garantisce l’ingresso dell’aria. La

quantità è regolabile con un inverter. Inoltre l’aria di

scarico dal rigeneratore, che contiene ancora molto

calore viene iniettata sotto la griglia del bruciatore

aumentandone così il rendimento complessivo.

Per l’eliminazione della fuliggine, è stata realizzata una

camera di sedimentazione a labirinto, in fibra ceramica

compressa. La sperimentazione di questa soluzione ha

mostrato un’importante riduzione del fouling sulla

superficie esterna dei fasci tubieri, diminuendo in maniera

importante la pulizia periodica.


Vista del bruciatore (giallo) e, a destra, della camera di sedimentazione a labirinto


camera di sedimentazione a labirinto in costruzione


Biomassa impiegata nelle prove – Legno triturato a lunghezza massima di 5 cm


Segmento

di progetto


Scambiatori

di calore

Gli scambiatori devono

generare la minima

caduta di pressione

possibile ed essere

accessibili per la pulizia

Data la lunghezza del fascio tubiero e la relativamente

bassa pressione di lavoro si è reso indispensabile ridurre

al minimo possibile la caduta di pressione fra l’ingresso e

l’uscita degli scambiatori. Si è scelto di realizzarli con tubi

del diametro di 101 mm, in acciaio inox AISI 304 per tutti i

fasci a temperatura massima di 500 °C ed in AISI 310 per

quelli a diretto contatto con il bruciatore.

Si è verificato il livello di fouling che viene depositato su

questo diametro e si è compreso come disporre degli

ugelli d’aria compressa per una veloce pulizia.


Scambiatori di calore in inox durante il montaggio


La struttura di sostegno che circonda il fascio tubiero sosterrà il materiale refrattario per il contenimento dei fumi


Il fascio tubiero è circondato da lamiere al cui interno è accoppiato un materiale refrattario.


Segmento

di progetto


Isolamento

termico

L’isolamento deve

essere efficiente non

solo sul bruciatore, ma

anche sulle condotte

dell’aria compressa e di

scarico

Si è sperimentato un isolamento di sola lana di roccia per

il rigeneratore, che durante il funzionamento è

relativamente freddo, mentre tutto l’apparato è stato

rivestito con un accoppiato fibra ceramica /alluminio.

Le parti strutturali che vengono interessate dal calore

sono state rivestite di pannelli rigidi refrattari di fibra

ceramica compressa, tenuta in posto con viti inox o

sigillata son un prodotto refrattario apposito. I materiali

refrattari sono prodotti dalla Thermal Ceramics Italiana

www.morganthermalceramics.com


Carter esterno del rivestimento isolante


Isolante interno in accoppiato fibra ceramica/alluminio


Contenimento degli scambiatori realizzato con lastre d’acciaio accoppiate internamente a fogli di ceramica compressa refrattaria


Segmento di

progetto


Scarico dei

fumi di

combustione

I fumi di scarico

contengono vapore che

condensa nella linea

del camino

Sono stati realizzati ed installati in serie sulla linea dello

scarico al camino due cooler ad acqua ed una trappola

finale per proteggere l’aspiratore. Il sistema viene attivato

durante la fase di preriscaldamento dell’apparato che

dura per alcune ore, evacuando in tal modo l’acqua

contenuta nel combustibile e nell’aria atmosferica. Una

volta raggiunta la temperatura di lavoro(200 °C al

camino) il sistema è superfluo e viene bypassato.

Segmento di

progetto


Compressore Scelta del sistema di

compressione più

efficiente

In una progettazione iniziale si era scelto di installare un

compressore autonomo alimentato tramite la rete

elettrica. Il vantaggio sarebbe stato quello di poter

intervenire sulla resa in potenza e livellare, variando la

portata dell’aria compressa, le eventuali variazioni di

portata d’aria all’espansore dovute a variazioni di

temperatura. Inoltre questa scelta avrebbe permesso di

installare un compressore industriale a vite già

commercializzato semplificando così la parte motoristica

del gruppo.

Dalla prima sperimentazione e dallo studio attento delle

prestazioni dei compressori commerciali, si è capito che

questa scelta penalizza pesantemente l’efficienza finale

del sistema.

La versione finale testata consiste invece di trasformare

in compressore una sezione del motore (2 cilindri su 6)

eliminando in tal modo le perdite per attrito e per relative

trasformazioni energetiche di un compressore autonomo

esterno.


Segmento

di progetto


Motore Scelta del motore

commerciale meglio

adattabile al ciclo

Brayton

Il motore ideale per questo apparato è un propulsore

commerciale della maggior cilindrata possibile. Si è scelto

il FIAT IVECO 13800 cc, con 6 cilindri in linea. Di fatto,

ciò che serve per attuare le modifiche del ciclo, non è

propriamente un “motore” ma quelle parti di motore che

vengono definite “short block”, ossia tutta la parte del

blocco motore sotto la guarnizione della testa, compresa

la coppa dell'olio.

Al posto della testata originale è installata quella a valvole

rotative comandate da un albero a coppie coniche.

La fase di espansione che genera potenza, lavorando a

pressioni relativamente basse, se confrontate a quelle del

normale ciclo Diesel, richiede grandi cilindrate, molto

superiori a quelle commerciali. Per questa ragione, i

gruppi B.R.I.G.IT. commerciali monteranno in serie un

numero di motori/compressori necessari a generare,

lavorando insieme, la potenza richiesta.


Short block di un motore FIAT 6 cilindri in linea, 13800 cc, montato su di un supporto ammortizzato


Segmento

di progetto


Valvole

Non esistono valvole

commerciali adatte alla

distribuzione in un

motore alternativo a

ciclo Brayton

Inizialmente si era realizzato il ciclo Brayton con un

motore automobilistico. Il sistema di distribuzione era

rimasto inalterato. Era stato cambiato il ritmo di apertura

delle valvole modificando le camme. Tuttavia questa

soluzione, pur perfettamente funzionante alle basse

pressioni, non è applicabile a alle pressioni di lavoro dei

gruppi B.R.I.G.IT.

L’aria compressa infatti, provenendo dall’esterno,

mantiene aperta la valvola di aspirazione forzandone la

molla. La classica valvola a fungo dei motori a

combustione interna verrebbe fatta lavorare al contrario e

dunque la soluzione non è praticabile.

Si è scelto di progettare e realizzare apposite valvole

rotative.

Il primo prototipo a disco verticale è stato testato solo

lubrificato e non raffreddato per comprendere la

probabilità di grippaggio. Ha girato a caldo per molte ore,

mosso da un motore elettrico a 2800 RPM.

I risultati del test hanno permesso la progettazione e

realizzazione di una testata con lo stesso tipo di valvola a

disco verticale. Al relativo test hanno fatto seguito altre

due testate, una a dischi verticali ed una a dischi

orizzontali, lubrificati e raffreddati ad acqua.

Il know how ha condotto alla versione definitiva di valvole

rotative, coniche, che sono un rifacimento in chiave

attuale delle valvole Aspin, che furono commerciali fino al

1960 e costituivano un’eccellente sistema di distribuzione

sia nel settore automobilistico che aeronautico dell’epoca.

Syngen ha brevettato la modifica della valvola e della sua

sede, che costituisce le testate dei propulsori dei gruppi

B.R.I.G.IT.


Testata a valvole rotative orizzontali in fase di montaggio. Le cavità azzurre sono destinate ad essere allagate dall’acqua di raffreddamento.


Testata a valvole rotative orizzontali montata sul monoblocco. Il motore è completo.


Vista prospettica di una valvola conica tipo Aspin e della sede di rotazione, come da brevetto Syngen. Si osservano le ghiere per la registrazione della tenuta (rosso e rosa) e la molla che impone la posizione al corpo rotante.


Spaccato di una valvola conica tipo Aspin e della sede di rotazione, come da brevetto Syngen.

B.R.I.G.IT. - Syngen s.r.l. | Ricerca e innovazione per l ... · Ciclo Rankine con le turbine a...

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