[Regressioni tecniche] Motore a vapore?

[EC2277]

A che tipo di impianti ti riferisci?
Negli impianti termoelettrici o cogenerativi la regolazione è un po' diversa, anche se agisce sempre in prima battuta sull'ammissione di vapore nella macchina. Acqua, aria e combustibile in ingresso vengono regolati di conseguenza per mantenere costante la pressione in caldaia (che ovviamente aumenterebbe a causa dell'ammissione parzializzata).

Non mi riferivo ad un impianto a vapore nel suo complesso ma alla sola gestione degli espansori. Poi, come fai giustamente notare, parzializzare l'afflusso di vapore agli espansori comporta anche il dover adeguare le condizioni di funzionamento della caldaia, ma qui devo passare la mano poiché è un argomento che non ho avuto modo di approfondire.

[Edolo]

Non mi riferivo ad un impianto a vapore nel suo complesso ma alla sola gestione degli espansori. Poi, come fai giustamente notare, parzializzare l'afflusso di vapore agli espansori comporta anche il dover adeguare le condizioni di funzionamento della caldaia, ma qui devo passare la mano poiché è un argomento che non ho avuto modo di approfondire.

In realtà la regolazione non è particolarmente complessa: il "Master caldaia" (nome orribile) ha la pressione come variabile di controllo e agisce generalmente regolando la portata elaborata dalla pompa di circolazione (o estrazione, a seconda dell'impianto) e/o diminuendo la quantità di miscela aria-comb. rispetto alle condizioni di carico massimo.

Praticamente in soldoni la successione del transitorio è:
1) parzializzazione dell'ammissione di vapore nella macchina => aumento del vapore che si accumula nei condotti => aumento della pressione di vapore
2) il master caldaia diminuisce la quantità di aria-combustibile => viene prodotto meno vapore (=> si riduce la pressione nei condotti) => l'acqua liquida si accumula nel corpo cilindrico ed aumenta il suo livello (altra grandezza di controllo)
3) il master caldaia, regolando la pompa, diminuisce la portata d'acqua entrante in caldaia e si riduce il livello nel corpo cilindrico ripristinando delle condizioni di regime a carico parziale.
Questo processo è evidentemente molto lento rispetto ad un motore a combustione interna, alternativo o dinamico che sia.

[Ario_]

Ma quello che importa al guidatore è più che altro il punto 1. Il resto potrebbe avvenire in automatico. L'importante è che agendo sul flusso del vapore si possa andare a velocità costante e contemporaneamente avere una sufficiente pressione "di riserva" per accelerare in maniera decente.

[EC2277]

Se la parzializzazione dell'ammissione del vapore inviato agli espansori è troppo brusca rispetto alla regolazione delle condizioni operative della caldaia c'è il rischio che scoppi tutto.
Si tratta comunque di una tecnologia valida e, se non erro, esistono studi per riapplicarla alla trazione ferroviaria.

[Edolo]

Ma quello che importa al guidatore è più che altro il punto 1. Il resto potrebbe avvenire in automatico. L'importante è che agendo sul flusso del vapore si possa andare a velocità costante e contemporaneamente avere una sufficiente pressione "di riserva" per accelerare in maniera decente.

Il resto avviene in automatico, solo al rilento.
Per velocizzare il processo puoi agire come credo facessero le locomotive a vapore:
- se necessiti di minore potenza bypassi il vapore in eccesso e lo mandi al camino
- se necessiti di maggiore potenza l'unica è mandare costantemente una parte del vapore prodotto al camino in condizioni "nominali" e chiudere la valvola quando si vuole potenza maggiore.
È chiaro che l'efficienza va a farsi benedire. D'altra parte ai tempi delle locomotive a vapore non è che ci fosse tutto questo occhio a consumi ed emissioni.

[Edolo]

Si tratta comunque di una tecnologia valida e, se non erro, esistono studi per riapplicarla alla trazione ferroviaria.

Così a primo impatto non riesco a trovare dei vantaggi rispetto ad altre tecnologie neanche per la trazione ferroviaria.

Il ciclo a vapore va benissimo se utilizzato per erogare potenza costante, vedi la generazione di energia elettrica, e come nella stragrande maggioranza delle tecnologie motoristiche, il rendimento aumenta con le dimensioni dell'impianto. Anche perché avendo costi fissi molto elevati (per le centrali si parla di 1000 €/kW installato contro 300 di una turbogas) ha senso solo se abbinato a combustibili di basso costo e quindi non pregiati. Si rendono pertanto necessari trattamenti di rimozione degli inquinanti dai gas di scarico che sono economicamente sostenibili solo sulle grandi scale.

Ciò detto, un'applicazione di dimensioni ridotte come potrebbe essere per la trazione, dovrebbe utilizzare necessariamente metano ed avrebbe in ogni caso rendimenti nominali inferiori al 30% (che è quello che ci si può aspettare da un ciclo base con p e T modeste, senza rigenerazione, risurriscaldamento e quant'altro). A questo punto dal punto di vista economico, ambientale e del consumo di fonti primarie non ha più senso usare un combustibile più economico al 44-45% di rendimento per farci energia elettrica ed alimentare con quella il convoglio ferroviario, a costo di perderci qualche punto per il trasporto dell'elettricità?

La butto lì... visto che siamo in tema di regressioni tecniche e motori lenti... un bel diesel 2T? ... da quanto so dovrebbe essere il motore col più alto rendimento. Dal punto di vista exergetico mi sa che batte tutti... come emissioni la vedo un po' più dura.

[EC2277]

Ho scritto: «Se non erro.» proprio perché non sono sicuro di quanto sto scrivendo. Si tratta infatti di mezzi discorsi che mi sono giunti all'orecchio per vie traverse e facevano riferimento all' utilizzo dei motori a vapore con espansori Wankel nell'ambito della trazione ferroviaria. Posso però assicurarti che gli studi sugli espansori Wankel stanno dando buoni risultati.

[Ario_]

La butto lì... visto che siamo in tema di regressioni tecniche e motori lenti... un bel diesel 2T? ... da quanto so dovrebbe essere il motore col più alto rendimento. Dal punto di vista exergetico mi sa che batte tutti... come emissioni la vedo un po' più dura.

Ci sono due tentativi di rinnovare il 2T.
Uno è l'HCCI di cui non ho capito granché, si sfrutterebbe la presenza di radicali nella camera di combustione per realizzare una sorta di ciclo diesel.

Il secondo riguarda gli scooter, un olio di qualità buona abbatte le emissioni di particolato in maniera enorme.

[EC2277]

…
La butto lì... visto che siamo in tema di regressioni tecniche e motori lenti... un bel diesel 2T? ... da quanto so dovrebbe essere il motore col più alto rendimento. Dal punto di vista exergetico mi sa che batte tutti... come emissioni la vedo un po' più dura.

No, il motore Diesel a 2 tempi, nella variante lenta: ovvero con un regime di rotazione inferiore ai 100 giri al minuto, è quello che realizza il più alto rendimento. Infatti tali motori si attestano su un rendimento del 55%.
Purtroppo però non sono applicabili ai veicoli terrestri poiché presentano degli ingombri enormi, un campo di funzionamento ridottissimo (una quarantina di giri) ed una lentezza di risposta enorme a causa delle spropositate masse alterne dei quali sono dotati.
Diversa è la questione per i motori Diesel a 2 tempi di media velocità (hanno un regime di rotazione compreso tra i 300 ed i 1'000 giri al minuto), per i quali c'è una bella lotta con gli omologhi a 4 tempi. I primi infatti, a parità di regime di rotazione, possono vantare un numero doppio di cicli di funzionamento ma i secondi rispondono con un più efficiente sfruttamento della turboalimentazione. È infatti possibile raggiungere maggiori rapporti di sovralimentazione senza aver fughe di aria fresca allo scarico, cosa che riduce il contenuto energetico dei gas inviati alla turbina.
Aumentando ancora la velocità di rotazione i vantaggi dati dalla sovralimentazione rende i 4 tempi ancor più competitivi; tant'è che l'unico motore a 2 tempi ad alta velocità (regimi di rotazione tra i 1'000 ed i 2'500 giri al minuto) è un motore a pistoni contrapposti adottato su di un carro armato ucraino.
Entrando nel campo dei Diesel ad altissima velocità (i motori per le auto) non c'è storia: il 4 tempi domina.

Nell'ambito dei motori a ciclo Otto invece il discorso è molto più complesso e legato soprattutto alla necessità di non far fuoriuscire benzina allo scarico (cosa possibile con l'iniezione diretta) e, contemporaneamente, di miscelarla nella maniera opportuna con l'aria. Tali problemi sono stati quasi completamente superati ed infatti la maggior parte dei motori da fuoribordo sono dei 2 tempi ad iniezione diretta. Purtroppo però tale tecnologia funzina bene solo nei motori aventi regimi di rotazione estremamente bassi, come quelli dei fuoribordo appunto, poiché all'aumentare del regime di rotazione ci sono problemi nel riuscire a miscelare in maniera corretta l'aria e la benzina in tutto l'arco di funzionamento del motore.
La Piaggio ideò un sistema semplice e geniale per risolvere tali problemi: effettuare il lavaggio con la sola aria e posizionare sulla testata un compressore meccanico azionato da una camma. Tale compressione aspirava attraverso un carburatore una miscela aria/benzina molto grassa (mi pare che il rapporto fosse 8 ad 1) e poi, fungendo da iniettore, la immetteva nel cilindro dopo la chiusura delle luci di scarico. Lì la carica fresca iniettata si rimiscelava con l'aria proveniente dal carter-pompa dando luogo ad una carica stechiometrica.
Sul perché tale sistema non ebbe successo posso commentare solo così: