Non è possibile ciò che non è lecito. Per tre secoli si sono fatte le cose al rovescio. Con conseguenze disastrose per la natura, l’ambiente, la salute.

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Una macchina termica senza combustione? Può funzionare?

Una riabilitazione delle macchine termiche

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Come introduzione le essenziali di nozioni di base:
(Quasi) tutti gli elementi chimici e loro combinazioni di base possono esistere in diversi stati di aggregazione: materia solida, liquidi o gassosi. La materia con la quale abbiamo più familiarità è senz’altro l’acqua, molecola composta da due atomi di idrogeno e uno di ossigeno. Sappiamo che l’acqua a pressione d’ambiente si solidifica alla temperatura di 0 gradi centigradi (°C), passando dallo stato liquido a quello solido e viceversa. Alla pressione di 1 bar (pressione d’ambiente), alla temperatura di 100 °C evapora e passa quindi dallo stato liquido a quello gassoso e viceversa. Nel presente discorso siamo interessati in particolare a quest’ultimo fenomeno e dintorni. È anche importante tener presente che la temperatura alla quale il liquido evapora dipende dalla pressione. In alta montagna la pressione atomsferica è notevolmente più bassa che non al livello del mare, e l’acqua bolle ed evapora a una temperatura più bassa. A pressioni più alte, l’acqua bolle ed evapora a temperature più alte. Ne approfittiamo nella pentola a pressione per bollire più in fretta carni e verdure. Alla pressione di 2 bar, l’acqua bolle a ca. 120 °C.

Per far cambiare di stato un liquido da quello liquido a quello gassoso (evaporazione), è necessaria una quantità ben determinata di calore. La stessa quantità deve essere sottratta al vapore per farlo tornare allo stato liquido (condensazione).

Wikipedia: „L‘entalpia di vaporizzazione (o entalpia di ebollizione) è una proprietà fisica di ogni sostanza, definita come il calore richiesto per vaporizzare una mole di sostanza al suo punto di ebollizione a pressione standard (101.325 Pa). L’entalpia di ebollizione viene espressa nel SI in kJ/mol.
Viene anche utilizzato il termine di entalpia di condensazione per il processo inverso all’entalpia di vaporizzazione. Questo è definito come calore rilasciato, quando una mole di sostanza, condensa al suo punto di ebollizione a pressione standard.
L’entalpia di ebollizione o calore di vaporizzazione dell‘acqua è di circa 2260 kJ/kg equivalente a 40,8 kJ/mol. Questo è molto elevato: cinque volte l’energia necessaria per scaldare l’acqua da 0 a 100 gradi Celsius. ( https://it.wikipedia.org/wiki/Entalpia_di_vaporizzazione )“

Quanto fin qui detto vale anche per alcune sostanze gassose come l’azoto, l’idrogeno oppure l’elio. Per ognuna di queste sostanze, l’evaporazione/condensazione avviene a temperature e calore specifici.

Un fenomeno per noi importante: durante l’evaporazione, a pressione costante il volume della materia evaporata aumenta enormemente: un litro di idrogeno liquido p. es. si trasforma in 842 litri di idrogeno in forma gassosa. Inversamente, con la condensazione da 842 litri di idrogeno gassoso ricaviamo un litro di idrogeno liquido.

Se la sostanza liquida si trova in un recipiente sigillato, e quindi durante il suo riscaldamento non può espandersi, la pressione all’interno del recipiente aumenta notevolmente, e in durante la condensazione, la pressione diminuisce altrettanto sostanzialmente. Questo fenomeno viene sfruttato nelle macchine a vapore per produrre energia meccanica: da un lato di un pistone nel suo cilindro o di una turbina a vapore abbiamo il vapore a pressione alta, dall’altro lato la pressione è molto bassa. Il vapore cerca di muoversi verso il lato con pressione bassa per annullare la differenza di pressione, muovendo il pistone o mettendo in rotazione la turbina e quindi trasferendo energia al pistone o alla turbina. Si produce energia meccanica che può essere convertita in energia elettrica.

Non necessariamente le macchine a vapore devono essere azionate con vapore acqueo. L’acqua può essere sostituita da altre sostanze, p. es. dall’idrogeno o dall’elio.

Il rendimento: si tratta di un numero che indica quanta parte dell’enerigia introdotta nel sistema (nel nostro caso sotto forma di calore) può essere trasformata in energia meccanica.
Nei calcoli tecnici, il rendimento viene indicato come valore assoluto, p. es. 0,9. Nel linguaggio comune si usa più spesso la forma in percentuale: 0,9 = 90%.

Temperatura: nei calcoli bisogna star attenti ad usare la temperatura assoluta espressa in gradi Kelvin (simbolo K). La scala è simile a quella dei gradi centigradi, con l’avvertenza che lo zero assoluto si trova a – 273,15 °C. Lo zero assoluto è la temperatura più bassa teoricamente possibile. In pratica non è possibile raggiungere lo zero assoluto, ma ci si può tecnicamente avvicinare fino a pochi gradi: l’elio liquido bolle a 4,15 K e l’idrogeno liquido bolle a 21,15 K. Ambe le sostanze allo stato liquido, da circa un secolo vengono prodotte a livello industriale.

Qui si preferisce l’uso dell’idrogeno piuttosto che dell’elio perché l’idrogeno è disponibile ovunque e per chiunque. Esso può essere prodotto semplicemente scindendo l’acqua nei suoi elementi. L’elio, data la sua temperatura di ebollizione più bassa, darebbe la possibilità di un rendimento maggiore ma è un gas raro che viene estratto da idrocarburi grezzi, ed i produttori sono pochi. Quindi c’è il rischio che si formino dei monopoli in mano privata o di grandi multinazionali.

Ora si parte sul serio.
Il miglior rendimento teoricamente possibile per le macchine termiche, ηC = 1- TK/TH, con TK temperatura fredda e TH calda del vapore, temperature in K (0 K = −273,15°C).

Le macchine funzionanti a vapore acqueo, per la solidificazione dell’acqua a 0 °C (273,15 K), sono limitate alla temperatura bassa non inferiore a questa temperatura.

Impiegando invece altre sostanze al posto dell’acqua, la temperatura TK può essere abbassata di molto. Ciò è importante perché – vedi la formula per il rendimento ηC – fa una grossa differenza variare di un certo importo la temperatura alta o quella bassa.

Esempio: TH=800 K, TK = 273 K, ηC = 0,65875; TH=1000 K, TK = 273 K, ηC = 0,727. Aumentando la temperatura alta di 200 gradi, il rendimento cresce di appena lo 0,06825. Abbassando invece dello stesso importo la temperatura bassa, si ottiene: TH=800 K, TK = 73 K, ηC = 0,90875. Quindi un incremento dello 0,25. Abbassando la temperatura di 200 gradi si ottiene un multiplo di aumento del rendimento, esattamente di 3,663 volte. E non finisce qui: utilizzando idrogeno liquido è possibile raggiungere una temperatura fredda TK = 21,15 K, utilizzando elio liquido addirittura TK = 4,15 K. Ciò significa che non più almeno un terzo del calore investito, ma solo circa il 10% deve essere smaltito come “calore residuo”. Inolte, una sorpresa che nessuno sospettava:

Si può captare (a costo zero!) calore d’ambiente e trasformarlo in energia meccanica.

In più, sottraendo il calore all’ambiente, il “fresco” prodotto può essere utilizzato per climatizzare le case o per refrigerare magazzini e depositi.

Come potrebbe funzionare?

Macchina termica

per la produzione di energia meccanica sfruttando il calore dell’ambiente

(H2OM06012021-10-IT)

L’impianto si compone di due parti separate:

A) Il circuito di lavoro, compresa la macchina termica (il fluido di lavoro scorre in senso orario lungo il tratto rosso e attraverso la macchina termica)

B) La parte refrigerante: condensatore, serbatoio, canna di asporto dell’idrogeno evaporato (blu e blu marino). Tutte le parti sono termicamente pesantemente isolate in quanto la temperatura in tutte le sue parti si aggira intorno ai ˗252°C (=21,15 Kelvin).

Partiamo dall’impianto completamente vuoto: la parte refrigerante è priva di liquido refrigerante, nel cirduito di lavoro è assente il fluido di lavoro.

Preparativi

a) Riempiamo il circuito di lavoro con idrogeno in stato gassoso portando successivamente la pressione a 20 bar (esempio). Il gas si diffonde uniformemente in tutto il circuito raggiungendo successivamente la temperatura ambiente. La pompa di aliemtazione corre “a vuoto” in quanto non è presente nessun liquido.

b) Versiamo l’idrogeno liquido nel condensatore e nel serbatoio lasciandolo a pressione d’ambiente (1 bar). L’idrogeno liquido, a tale pressione bolle alla temperatura di ˗252 °C (=21,15 Kelvin) e mantiene tale temperatura fino a quando non si esaurisce l’idrogeno liquido. L’idrogeno liquido si comporta in modo simile all’acqua: aumentando la pressione aumenta la temperatura d’ebollizione. – Si sfrutta questa proprietà nella cottura: nella pentola a pressione aumenta la pressione all’interno e l’acqua bolle a una temperatura più elevata: i cibi si cuociono più in fretta. – Per far bollire l’acqua, bisogna aggiungere calore: lo stesso vale anche per l’idrogeno liquido. Inversamente, per far condensare (diventare liquido) l’idrogeno, bisogna sottrargli la stessa quantità di calore raffreddandolo.

Schema dell’impianto – CC0

Funzionamento circuito di lavoro

  • L’idrogeno del circuito di lavoro presente nella tubazione a serpentina collocata nel condensatore (1-2) si raffredda fino a condensare. A causa della maggior pressione del gas nel circuito di lavoro, la condensazione avviene a una temperatura superiore di quella dell’idrogeno liquido nel condensatore che si trova a pressione d’ambiente. Quando il gas condensa, si riduce di volume, nel caso dell’idrogeno alla 842ma parte del volume, facendo calare la pressione in questa parte del circuito di lavoro. La sezione 1-2 del circuito di lavoro rappresenta la parte a bassa pressione dell’impianto.
  • Dopo l’uscita dal condensatore al punto 2, l’idrogeno ormai liquefatto raggiunge la pompa di alimentazione che serve per riportare il fluido di lavoro alla pressione alta presente nella parte ad alta pressione, rappresentata dalla sezione dell’impianto tra i punti 3 e 6.
  • Al punto 3, l’idrogeno ancora liquido e freddo raggiunge lo scambiatore di calore dove viene a contatto con la temperatura ambiente. La differenza di temperatura tra idrogeno liquido ed ambiente esterno si aggira intorno ai 250 gradi. Il flusso di energia termica è unidirezionale: sempre dal caldo verso il freddo. Una grande quantità di calore, dall’ambiente esterno, attraverso lo scambiatore di calore, si trasferisce all’idrogeno liquido facendolo prima evaporare e portandolo successivamente a temperatura ambiente: durante l’evaporazione, l’idrogeno si espande a 842 volte il suo volume, continuando ad espandersi man mano che acquisisce ulteriore calore (se è impedito di espandersi, aumenta di pressione).
  • Nei due scambiatori di calore tra 4 e 6, il gas del circuito di lavoro può essere riscaldato ulteriormente aumentandolo di volume o di pressione.
  • Al punto 6, l’idrogeno entra nella macchina termica (turbina a vapore o classica macchina a vapore a pistoni), azionandola ed espandendosi alla pressione bassa. In uscita dalla macchina – punto 1 – il gas entra di nuovo nel condensatore.

Funzionamento della parte refrigerante

  • Nel condensatore, durante la condensazione dell’idrogeno presente nel circuito di lavoro, il calore di evaporazione, dall’idrogeno del circuito di lavoro viene trasferito all’idrogeno liquido del condensatore (che a causa della pressione più bassa ha una temperatura di evaporazione più bassa) facendone evaporare una parte. La quantità evaporata corrisponde press’a poco alla quantità condensata nel circuito di lavoro. Se non viene riscaldato ulteriormente, l’idrogeno evaporato continua a rimanere alla temperatura estremamente bassa di ˗252 °C (=21,15 Kelvin). L’idrogeno evaporato lascia il condensatore, ma non è consumato. Rimane disponibile per altri usi, non più sotto forma liquida ma come gas a temperatura estremamente bassa.

►L’idrogeno liquido evaporato nel condensatore, deve essere sostituito.

Cascata di sistemi

È possibile collegare in cascata più macchine termiche, utilizzando il gas liquefatto in uscita dalla pompa di alimentazione dell’impianto precedente, come raffreddamento per l’impianto successivo. In tal modo, solo l’impianto alla temperatura più bassa ha bisogno di raffreddamento esterno. Si parte dal gas con la temperatura di ebollizione più bassa, cioè l’elio (4,15 Kelvin) (nel disegno il circuito più a destra), per passare poi all’idrogeno (21,15 Kelvin) e al neon (27,15 Kelvin) ecc.

cascata00 – dis. dell’autore – CC0

Più alta è la temperatura di ebollizione e meno calore può essere assorbito dall’ambiente e minore sarà anche il rendimento. Le diminuzioni saranno però non molto pronunciate. Inoltre, il „combustibile“, cioè il calore dell’ambiente circostante, è gratuito.
All’uscita dalla pompa di alimentazione 3 di ogni circuito di lavoro, il gas liqido passa nello scambiatore condensatore assorbendo il calore di ebollizione e il calore di evaporazione dell’impianto successivo, evaporando a sua volta.
Le macchine termice dei singoli circuiti possono essere meccanicamente accoppiate azionando insieme un unico generatore elettrico o altro macchinario utilizzatore dell’energia meccanica prodotta.

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