Il concetto di trasformazione reversibile porta alla costruzione teorica di macchine in grado di operare ciclicamente tramite l’uso di trasformazioni reversibili.
Per macchina ciclica, s’intende un sistema che evolve ad uno stato finale seguendo una determinata evoluzione e ritorna allo stato iniziale seguendo un’altra evoluzione, quasi sempre differente dalla prima, quindi è pronto a ripetersi nuovamente. Dato che ogni percorso evolutivo può avere sull’ambiente effetti diversi dagli altri percorsi, essi possono essere combinati in modo tale che al netto degli effetti di un ciclo è possibile ottenere sull’ambiente un risultato prefissato. Quando tutte le trasformazioni che costituiscono il ciclo sono reversibili, si dice che il sistema costituisce una macchina reversibile, in quanto, per riportare l’ambiente nelle condizioni iniziali, ovvero invertire gli effetti della macchina, basterà invertire il senso di percorrenza del ciclo.
Sebbene l’esistenza di tali macchine sia solo ipotizzabile in teoria, perché nella pratica i fenomeni dissipativi sono presenti in qualunque trasformazione, esse svolgono un ruolo fondamentale nella comprensione delle macchine reali, nel valutarne l’efficienza ed i limiti a cui possono tendere
Anche se sono soltanto astrazioni teoriche, le macchine reversibili devono in ogni caso rispettare i principi generali imposti dalla prima e dalla seconda legge della termodinamica.
La macchina che opera con una sola sorgente termica
In particolare, in rispetto della seconda legge, sotto forma dell’enunciato di Kelvin, una macchina termica ciclica che scambi energia con una singola sorgente termica, non potrà mai produrre, come risultato netto di tutto il ciclo, un lavoro positivo. Ne consegue che se il ciclo ha una produzione netta di lavoro negativa (cioè lavoro viene fornito alla macchina) esso sarà irreversibilmente perso, non potendo la macchina essere invertita a causa del vincolo imposto dalla seconda legge. Tuttavia se tale macchina opera tramite trasformazioni reversibili, allora, si dovrebbe poterne invertire il funzionamento in modo tale da riportare sistema (cioè la macchina ciclica) ed ambiente (cioè tutto ciò che è esterno alla macchina e con cui avvengono scambi di energia) nelle condizioni iniziali e ciò sempre nel rispetto della seconda legge.
Allora, riassumendo, se ottenere lavoro netto netto positivo viola la seconda legge e lavoro netto negativo rende il ciclo irreversibile, si può affermare che:
Una macchina termica ciclica che scambia energia con una singola sorgente termica è reversibile se e soltanto se il lavoro netto prodotto in un ciclo è nullo.
La precedente affermazione è un punto fondamentale per ciò che verrà trattato in questo ed altri post.
La macchina che opera fra due sorgenti termiche
Avendo quindi escluso che una macchina termica ciclica che scambia energia con una singola sorgente termica possa essere motrice, per operare in tal senso, avrà bisogno di scambiare energia con almeno due sorgenti termiche a temperatura differente. Il cui funzionamento è schematizzato in figura:
La macchina scambia calore Qc con la sorgente calda e calore Qf con quella fredda e produce lavoro L.
Senza dilungarsi in banali dimostrazioni, è facile convincersi che, in una macchina motrice, per rispettare la seconda legge, i versi degli scambi energetici netti al termine di un ciclo dovranno avere i seguenti versi: il calore Qc è assorbito dalla macchina mentre il calore Qf è ceduto alla sorgente fredda. Nel rispetto della prima legge, il lavoro ottenuto sarà espresso dalla differenza:
L = |Qc| – |Qf|
Il semplice fatto, che deve esistere uno scambio di calore Qf con la sorgente fredda, stabilisce che l’energia sottratta alla sorgente calda sotto forma di calore non può essere trasformata interamente in lavoro meccanico (tramite una macchina ciclica), una parte dovrà essere ceduta sotto forma di calore alla sorgente fredda.
Ovvero, definendo il rendimento di una macchina termica motrice come il rapporto tra il lavoro ottenuto e il calore sottratto alla sorgente calda, esso sarà sempre minore di uno.
\[ \eta=\frac{L}{Q_{c}}=\frac{Q_{c}-\left|Q_{f}\right|}{Q_{c}}=1-\frac{\left|Q_{f}\right|}{Q_{c}} < 1 \]
Confronto tra macchine che operano fra due sorgenti termiche
Volendo paragonare l’efficienza di due macchine termiche bisogna porle nelle stesse condizioni di funzionamento (cioè fra medesime sorgenti termiche) e quindi osservare quale delle due produce maggiori effetti utili (lavoro meccanico).
Il primo paragone interessante da fare è fra una macchina reversibile ed una irreversibile. Allo scopo, si può procedere nel seguente modo: si prendano due sorgenti termiche, una calda a temperatura Tc ed una fredda a temperatura Tf, sufficientemente grandi che la loro temperatura non sia influenzata dal funzionamento delle macchine. Si permetta alle due macchine termiche di operare fra le due sorgenti termiche facendo in modo che ciascuna di esse assorba dalla sorgente calda una stessa quantità di calore Qc. (ciò è teoricamente possibile variando opportunamente l’estensione di una della due macchine, oppure facendo opportunamente eseguire ad ogni macchina un numero diverso di cicli. Ad esempio se la prima macchina ad ogni ciclo assorbe una quantità di calore pari a Qc1 e la seconda Qc2, il rapporto \$ \frac{Q_c1}{Q_c2}\$, anche se dovesse essere irrazionale, può sempre essere approssimato con precisione arbitraria da una frazione del tipo \$\frac{N_2}{N_1}\$ in modo tale che facendo eseguire N1 cicli alla prima macchina ed N2 alla seconda si abbia \$ Q_c = N_1Q_c1 = N_2Q_c2\$)
La situazione è come da figura:
Si supponga che la macchina irreversibile abbia un rendimento maggiore della macchina reversibile. Allora sarebbe Li > Lr.
In tale ipotesi si potrebbe pensare di invertire il funzionamento della macchina reversibile in modo tale che il calore netto scambiato con la sorgente calda sia nullo pur tuttavia ottenendo dal sistema composto dalle due macchine un lavoro netto Li-Lr positivo ed uguale al calore netto |Qfr|-|Qfi| assorbito dalla sorgente fredda. Ma ciò in evidente contrasto con la seconda legge.
Non è neanche possibile che il rendimento delle due macchine sia uguale, perché, ripetendo il ragionamento precedente, il sistema composto dalle due macchine sarebbe una macchina che opera su di un’unica sorgente termica (quella fredda) con un lavoro netto nullo. Ma ciò implicherebbe che il sistema composto dalle due macchine fosse reversibile.
Dunque si può affermare che:
Il rendimento di una macchina motrice ciclica, termica e irreversibile è sempre inferiore a quello di una reversibile se operano tra le stesse due sorgenti termiche.
Però, ripetendo il ragionamento precedente nell’ipotesi che entrambe le macchine fossero reversibili, allora potrebbero essere scambiate di ruolo indifferentemente. Conducendo alla logica conclusione che:
Tutte le macchine motrici termiche, cicliche e reversibili che operano fra due stesse sorgenti termiche hanno uguale rendimento.
La temperatura termodinamica assoluta
Affermare che il rendimento
\[ \eta = 1 – \frac{\left|Q_{f}\right|}{\left|Q_{c}\right|} \]
sia lo stesso per tutte le macchine reversibili che operano fra due sorgenti termiche alla stessa temperatura equivale ad affermare che il rapporto \$\frac{\left|Q_{f}\right|}{\left|Q_{c}\right|}\$ sia funzione solamente delle temperature \$t_f\$, \$t_c\$ delle due sorgenti.
\[\frac{\left|Q_{c}\right|}{\left|Q_{f}\right|}= f(t_c, t_f)\]
Questo permette di costruire teoricamente una scala di temperature, indipendente dai parametri di stato di qualunque sostanza, ma definita soltanto sulla base del rendimento delle macchine reversibili.
NOTA: nel definire la \$f\$, il rapporto fra i due calori è il reciproco di quanto compare nella formula del rendimento. Ciò è voluto, in quanto la scelta di un rapporto o del suo reciproco da luogo ad una scala di temperature crescente o decrescente. Si è scelto il verso crescente (anche se considerando l’impossibilità di raggiungere lo zero assoluto, oppure pensando alla legge di distribuzione di Boltzman, una scala che vada a porre \$+\infty\$ al suo posto non mi sembra un’idea tanto malvagia)
Da un rapporto, non possiamo definire la temperatura di una sorgente termica \$t\$ senza prenderne un’altra come riferimento. Sia \$t_r\$ quella di riferimento. In tal caso, avendo fissato una variabile nella funzione f, ciò che rimane è una funzione, denominiamola h, della sola temperatura t.
Quindi abbiamo determinato una forma della funzione h ipotizzata nel post in cui abbiamo discusso del principio zero della termodinamica.
\[\frac{\left|Q_{t}\right|}{\left|Q_{tr}\right|}= f(t, t_r) = h(t)\]
Osserviamo che il valore di h alla temperatura di riferimento, \$h(t_r)\$, è 1. Ciò è conseguenza del fatto che una macchina reversibile che opera fra due sorgenti alla stessa temperatura ha rendimento nullo. Infatti comportandosi come una macchina reversibile che opera tramite una sola temperatura avrà L=0. Un semplice bilancio di energia impone che il calore assorbito dalla macchina da una sorgente è ceduto integralmente all’altra sorgente alla stessa temperatura, quindi il rapporto fra i due calori vale 1.
La scelta del punto di riferimento segna quindi l’ampiezza della scala di temperatura, ovvero la variazione di temperatura compresa tra 0 e 1 della scala. Scegliendo il riferimento pari a 1Kelvin della scala dei gas ideali allora la scala termodinamica assoluta e quella dei gas ideali verranno a coincidere, ma questo lo dimostreremo meglio nel post dedicato al teorema di Carnot.
Per il momento limitiamoci ad osservare che, utilizzando un ragionamento analogo a quello fatto per paragonare due macchine termiche, possiamo immaginare un sistema costruito in modo tale da avere due macchine reversibili, la prima che opera tra una sorgente a temperatura t1 e quella di riferimento tr, la seconda tra la temperatura t2 e quella di riferimento tr, proporzionato in modo tale che le due macchine cedano la stessa quantità di calore Qr alla sorgente di riferimento. Allora:
\[\frac{\left|Q_2\right|}{\left|Q_r\right|}= f(t_2, t_r) = h(t_2)\]
\[\frac{\left|Q_1\right|}{\left|Q_r\right|}= f(t_1, t_r) = h(t_1)\]
Dato che le macchine sono reversibili, possiamo immaginare d’invertire il funzionamento di una delle due. Il risultato sarà che la sorgente di riferimento cede e riceve la stessa quantità di calore. In questa modalità di funzionamento il sistema composto dalle due macchine si comporta come una singola macchina reversibile che opera tra le due sorgenti t1 e t2.
\[ f(t_2, t_1) = \frac{\left|Q_2\right|}{\left|Q_1\right|}= \frac{\left|Q_2\right|}{\left|Q_r\right|} \frac{\left|Q_r\right|}{\left|Q_1\right|} = \frac{h(t_2)}{h(t_1)} \]
\[ \frac{\left|Q_2\right|}{\left|Q_1\right|}= \frac{h(t_2)}{h(t_1)} \]
Indipendentemente dalla scala, cioè dal punto di riferimento scelto:
il rapporto dei calori scambiati da una qualunque macchina reversibile fra due sorgenti termiche è uguale al rapporto delle temperature termodinamiche assolute di esse.
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Ammettiamo che, nel primo esempio, la temperatura Tc corrisponda ad un generatore (ad esempio acqua) a temperatura ambiente che eroghi energia termica al sistema ( 293 Kelvin), mentre il deposito Tf sia un deposito a circa 150 / 160 °C sottozero di capacità abbastanza grande in cui venga depositatà tutta l’energia termica non utilizzata dal sistema. Per un certo periodo di tempo, fin quando il deposito Tf non va in saturazione (aumento della temperatura interna )l’impianto che è di tipo ciclico riesce a produrre energia meccanica usando energia termica ambiente. Inizialmente la produzione di energia meccanica è più grande poi diminuisce man mano che il livello di temperatura nel deposito aumenta. Se il deposito è costituito da un gas criogenico in bassa pressione ( ad esempio P = 1 atm ), questo dopo aver assorbito una certa quantità di energia inutilizzata, potrebbe essere compresso ( naturalmente assorbendo energia meccanica dal sistema principale ) facendogli scaricare l’energia inutilizzata verso l’esterno. Dopo, essendo stato compresso può espandere di nuovo, restituiendo una parte di energia meccanica assorbita nella compressione, e ad una pressione finale di 1 atm tornando nello stato di inizio ciclo ad una temperatura di circa 160 ° C sottozero. Questo metodo è un sistema per produrre energia meccanica usando energia termica ambiente.
Buongiorno, saluto tutti gli utenti del blog, ed inserisco una mia relazione che parla proprio di come possa essere possibile produrre energia usando come vettore energetico aria liquida avendo come apporto energetico solo energia termica a temperatura ambiente.
INTRODUZIONE AL PROGETTO DI UN IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA MECCANICA CHE HA COME APPORTO ENERGETICO SOLO ACQUA O ARIA A TEMPERATURA AMBIENTE (concessione brevetto UIBM N° 0001383773) Si vuole prima di tutto evidenziare le potenzialità del fluido acqua a temperatura ambiente. Ad esempio, è possibile considerare una temperatura media annua intorno ai 20 °C se il liquido riempie una vasca munita di opportuni assorbitori montati verso l’esterno.Ora un kg d’acqua a 20 °C può cedere all’impianto (il sistema ha all’interno come fluido vettore aria liquida a 130 Kelvin) 15 Kcalorie, (diminuzione di temperatura da 20 a 5 ° C ) che corrispondono grosso modo a 63 KJoul / sec, ed è come se un impianto Solare termodinamico concentrasse la bellezza di 63 specchi di 1,2 metri quadrati ognuno (per un totale di 63 kw) su un volume di 1 dm cubo, sapendo che il Sole irradia 1000 w / sec su un metro quadrato di superficie. In questo modo il ricevitore montato nella zona del fuoco parabolico fonderebbe nel giro di pochi secondi. La nostra mente, purtroppo,abituata allo studio ed al funzionamento degli impianti a carbone, gas o petrolio mal interpreta un’idea che basa la sua teoria sull’uso dell’energia prodotta assorbendo energia termica ambiente. Vorrei fare un paragone adesso, tra un impianto a vapore ed un impianto ad aria liquida. Nel vapore il fluido vettore è appunto l’acqua che deve essere prima vaporizzata e poi surriscaldata ad una temperatura almeno di 400 ° C per renderla simile ad un gas. Per poter operare in questo modo sono necessari alti valori energetici prelevandoli dal carbone. Ora è vero che se scegliamo come fluido vettore l’acqua che ha una temperatura CRITICA di 374 ° C è necessario per forza usare carbone, mentre tutta questa energia potrebbe non essere necessaria se al posto dell’acqua venisse usata ARIA LIQUIDA. Quest’ultima infatti ha TEMPERATURA CRITICA pari a 132,7 Kelvin ( circa 140 °C sottozero) ed una eventuale passaggio di stato da liquido a gas potrebbe essere effettuato usando solo esclusivamente energia termica ambiente (estraendola in questo caso dall’acqua o se si vuole anche dall’aria esterna).Il superamento della temperatura critica, renderebbe il fluido incomprimibile se racchiuso in uno spazio molto ristretto, (spazio precedentemente occupato allo stato liquido) sviluppando pressioni tali da rompere il contenitore metallico in cui è racchiuso, comportandosi come una bomba ad orologeria. L’esempio adesso descritto è del tutto simile ad un impianto Solare termodinamico ad alta concentrazione in cui l’energia radiante converge su un punto e cede energia al fluido all’interno del concentratore. Ma anche l’acqua (che ha assorbito energia dal Sole) cede energia al fluido criogenico, mettendolo in condizioni di sviluppare energia di pressione per centinaia di atmosfere. Tornando allora all’acqua contenuta nella vasca è intuibile che la cessione di 15 kcal /sec ad un gas criogenico liquido, è una potenza rilevante se proporzionata al volume in cui è contenuta (volume di 1 kg di aria liquida = 1,14 dm cubi). Se poi, il ricevitore criogenico (che assorbe energia scambiando con l’acqua esterna) dell’impianto è a 143 °C sottozero e la cui temperatura critica vale ad esempio 132,7 Kelvin, possiamo programmare lo sviluppo di una pressione intorno alle 60 – 300 Atm ( ma se si vuole se ne possono ottenere anche 600 senza alcuna spesa energetica, infatti lo sviluppo della pressione ad inizio ciclo viene decisa in base al volume che il fluido occupa nello stato liquido quando ha già superato la barriera della valvola di non-ritorno) ed una espansione isobara, isotermica durante (a 293 Kelvin), ed infine adiabatica, con produzione di lavoro positivo (con energia assorbita dall’ambiente) superiore di ben 3 volte a tutta l’energia negativa necessaria affinchè il fluido vettore torni di nuovo allo stato liquido. Il progetto rispetta ampiamente il II° principio termodinamico in quanto ha un generatore di energia a temperatura ambiente ed un pozzo a circa 153° C sottozero perfettamente isolato in autosostenimento . Il gas infatti all’interno del pozzo assorbe prima l’energia di liquefazione (entalpia residua + energia ed attriti della compressione isotermica, come in un normale condensatore di vapore nelle centrali a vapore) essendo questo ad una temperatura iniziale di 120 Kelvin, e poi restituisce la quantità di calore all’aria, quando questa, essendo di nuovo entrata nel settore di inizio espansione, ha bisogno di energia per espandere ( sistema ad autosostenimento). Il gas per fare questo, effettua prima una compressione adiabatica-isotermica fino ad una temperatura di 150 Kelvin CEDENDO UNA PARTE DELL’ENERGIA DI COMPRESSIONE ALL’ARIA LIQUIDA ed essendo questa ancora a 130 Kelvin (quindi più fredda rispetto al gas) riprenderà tutto il calore ceduto nella liquefazione (sbalzo di temperatura tra i 150 K del gas ed i 130 K dell’aria ). Il gas poi alla fine, effettuerà un’espansione adiabatica (espansione su una turbina adiabatica creando lavoro positivo e quindi un ulteriore raffreddamento del fluido) , restituendo parte dell’energia usata per la sua compressione, e terminerà con una temperatura di 2 / 3 Kelvin inferiore alla temperatura di partenza. E’ sempre e solo una questione di ENERGIA RADIANTE IN TRANSITO. Se batte sulla sabbia del deserto è reirradiata quasi istantaneamente, se batte su un impianto fotovoltaico si trasforma subito in energia elettrica, mentre se batte sull’acqua può essere trasformata prima in energia di pressione e poi in energia meccanica con il movimento di una turbina ( l’acqua dovrà recuperare energia termica tornando in ambiente). Il conto energetico andrà alla pari, quando l’energia fotovoltaica o quella meccanica si saranno trasformate di nuovo in energia termica ambiente che verrà espulsa verso gli strati più alti della nostra atmosfera. Le macchine elettriche, alimentate dall’impianto, non faranno altro che cedere energia in ambiente al posto dell’acqua. Per dare una proporzione tra potenza sviluppata e volume occupato è possibile fare un calcolo di massima : una stanza lunga 10 metri, alta 2 e larga 5 (ossia 100 metri cubi) può contenere un impianto da 100 kw / ora elettrici. In sostanza vengono prodotti 1 kw elettrico per ogni metro cubo di volume occupato.
Torno ancora a fare alcune considerazioni in generale sui concetti del II° Principio. Quì non vengono messi in discussione minimamente
le fondamenta sulle quali tali principi si basano (ci mancherebbe altro). In sostanza l’energia radiante che continuamente batte sulla zona esposta , immagazzina energia termica che viene dissipata nel momento in cui la stessa zona entra in ombra nel periodo notturno. Si è in presenza quindi, di energia costantemente in transito nel periodo giorno-notte. Nel merito , il liquido acqua trasforma in energia termica l’energia radiante durante il giorno e la elimina durante la notte. L’impianto allora non fa altro che accelerare la velocità con cui avviene questo processo, e anzichè impiegare circa 12 ore sottrae all’acqua, in 1 secondo I 15 °C ( 20 K amb – 5 K finali )che invece se ne sarebbero andati in ogni caso verso gli strati più alti della nostra atmosfera. Lo sbalzo di temperatura all’interno dell’impianto non ha come valore finale la T ambiente, ma il valore che il deposito criogenico (imp. interno) ha e che è costantemente a circa -180 °C. Questo deposito non va mai in saturazione (ossia il pozzo non si riempie mai) perchè l’azoto nel momento della risalita (cambio di stato liquido-gas) ha bisogno di energia termica per superare lo stallo in cui si trova. Ecco che allora arriva in aiuto il circuito interno il cui fluido dopo aver assorbito energia di liquefazione dall’azoto ( perchè molto più freddo dell’azoto stesso)subisce una compressione in modo tale (aumento della temperatura a circa 20 K sopra la T dell’azoto , ossia a circa 150 K ) che esso possa scaricare tutta l’energia di liquefazione (compreso gli attriti) verso L’azoto , facendogli superare il punto critico. Il fluido frigorifero, scaricata la “zavorra”, ed essendo stato compresso ISOTERMICAMENTE ( per la presenza dell’azoto che continuamente assorbe energia termica nello scambio) espanderà di nuovo restituendo energia meccanica POSITIVA , con una T finale di qualche Kelvin più bassa rispetto al punto di inizio ciclo. Il saldo energetico è nettamente a favore dell’azoto in tutta la zona soggetta ad espansione, e questo è quello che è stato poi dimostrato nell’idea brevettata. (brevetto concesso nell’anno 2010 n° 0001383773)
Per poter comprendere l’idea, non è necessaria una preparazione particolare, ma una predisposizione mentale ad accettare il fatto che sia possibile produrre lavoro anche quando in un impianto ci sia, ad esempio, uno sbalzo di temperatura tra ambiente e zero assoluto e che provochi come conseguenza (con i due fluidi ) anche uno sbalzo di pressione. Ora per definizione si sa che un dispositivo è in grado di produrre lavoro quando ha un accumulo in energia termica, ed uno sbalzo tale, in cui una certa quantità di calore possa fluire da un punto più in alto verso un punto a più bassa temperatura. Ora, non è detto che il punto finale debba essere necessariamente un valore a temperatura ambiente (20 °C), ma potrebbe essere una temperatura finale ben al di sotto degli 0°C. Nel merito uno sbalzo tra temp. ambiente e temp. aria liquida (non è una piccola diff. di temp. ma una diff di circa – 180 °C) è più che sufficiente per ottenere un ciclo positivo tale che permetta la costruzione di un impianto per estrarre energia termica ambiente e trasformarla in energia di pressione e qundi in energia meccanica. L’impianto , in sostanza ha 2 circuiti, uno interno in bassa pressione (1-2 bar sempre sotto forma gi gas) che cicla continuamente dal serbatoio di liquefazione a quello di vaporizzazione, ed un altro in alta pressione ( 10 – 45 – 60 bar max) che occupa lo stato liquido-vapore-gas in espansione, e poi lo stato gas-vapore-liquido nel serbatoio di liquefazione. Quando il fluido esterno (aria) inizia il raffreddamento (espansione adiabatica con cessione di energia meccanica positiva)l’aria in pressione a circa 260 Kelvin viene raffreddata dal fluido del circuito interno fino ad una temperatura tale ( 100 K ) che la metta in condizioni di farla liquefare.
Descrizione delle fasi più importanti :
L’impianto ha 2 circuiti : quello esterno a media-alta pressione che ha il compito di produrre energia positiva mentre quello interno (il circuito frigorifero) è sempre in bassa pressione ( 1 / 2 bar) ed è nello stato perfetto (sempre sotto forma di gas tra i 90 e 100 Kelvin.
Il circuito esterno varia la sua pressione tra 10 e 60 bar , mentre la sua temperatura varia tra 100 e 300 Kelvin ( non più di 300 K altrimenti l’impianto interno (ossia quello frigorifero) che ha il compito di assorbire entalpia di liquefazione dal fluido esterno non riuscirebbe a liquefare l’azoto (fluido esterno) in liquefazione.
L’impianto frigorifero assorbe energia negativa mentre quello esterno produce energia positiva.
L’energia positiva è data da un’espansione isobara all’inizio, ossia quando il fluido azoto è nella fase di vapore ( 130-175 Kelvin e 60 bar= cost), da un’espansione adiabatica-isotermica ( 175-300 Kelvin e 60-15 bar), ed infine un’espansione tutta adiabatica (15-10 bar 300-260 Kelvin)
Per l’impianto esterno si presume un deposito di aria o azoto liquido (pozzo criogenico in autostenimento). Il fluido liquido esce dal pozzo spinto da una pompa per liquidi. la pressione di spinta vale 60 bar ma il suo lavoro è molto piccolo perchè appunto è liquido. Quando il fluido ha superato la valvola di non ritorno è costretto a superare la temperatura critica (cambio di stato) ed a iniziare la fase espansiva.
L’impianto frigorifero assorbe un lavoro negativo molto piccolo rispetto a quello positivo perchè nella zona antecedente la liquefazione le forze attrattive (energia potenziale) avvantaggiano fortemente la ricombinazione delle molecole.
Il fluido dell’impianto frigorifero allora prende-assorbe tutti gli attriti, più l’entalpia di liquefazione (zavorra) dell’azoto e se li porta via. L’azoto (o l’aria) in quelle condizioni liquefa e si deposita nel pozzo criogenico pronto a reiniziare il ciclo.
Il fluido dell’impianto frigorifero deve subito dopo scaricare la “zavorra” assorbita un attimo prima ed essere di nuovo pronto per il ciclo successivo.
Appena l’azoto , come detto prima , supera la valvola di non ritorno
( inizio ciclo espansione con azoto ancora liquido) incontra il fluido dell’impianto frigorifero che gli restituisce la “zavorra” che prima gli aveva tolto ( e questo è il sistema del pozzo criogenico ad autosostenimento ).
ALCUNE RIFLESSIONI SULLE POMPE DI CALORE.
Le pompe di calore ad esempio, assorbono 1 in energia elettrica e restituiscono 3,5 / 4 in energia termica con tutti gli attriti. Ora la mia domanda è questa : è possibile costruire un impianto (quindi una pompa di calore criogenica ) in cui i 4 kjoul di energia termica possano essere convertiti in 1,5/ 2 di energia elettrica, oppure esiste una legge particolare che vieta questa possibilità? No, a me non risulta. Affinchè il dispositivo funzioni è necessario che ci sia uno sbalzo di temperatura e di pressione affinche possa essere prodotto lavoro utile e non è necessario che il valore massimo di temperatura sia per forza sopra gli ZERO °C, MA CHE SIA UN VALORE DI TEMPERATURA SOPRA LO ZERO ASSOLUTO . Ora il punto è dimostrare, se il deposito criogenico in cui il fluido termina il suo ciclo, si autosostiene oppure no. Il deposito criogenico altro non è che un circuito ( circuito chiuso come d’altronde lo è anche l’altro, ossia quello che assorbe energia dall’acqua a 8 /10 ° C in alta pressione interno all’impianto principale ) in cui vengono scaricate le energie di liquefazione ( entalpia di liquf.) ed attriti contenute dal fluido (azoto) in uscita dopo l’ultima espansione adiabatica. Ora si è dimostrato ( concessione uff. brevetti UIBM n° 0001383773) che l’energia necessaria alla liquefazione è minore di quella guadagnata nell’espansione. L’impianto in sostanza ha 2 circuiti ( sempre con azoto ), quello in bassa pressione (sempre sottoforma di gas allo stato perfetto e la cui temperatura è la più bassa dell’intero impianto ) che assorbe l’energia termica di scarto dal circuito principale e l’altro circuito (sempre chiuso a più alta temperatura) che cede l’entalpia di liquefazione e gli attriti all’altro. Una volta liquefatto il fluido (azoto) può essere compresso da una pompa per liquidi e spinto nel circuito di vaporizzazione. Il lavoro negativo assorbito dalla pompa è molto più piccolo dell’intero guadagno positivo ottenuto proprio perchè spinge un liquido e non un gas ( stesso sistema già utilizzato da molti anni negli impianti a vapore ). Adesso la “zavorra” ( scarto di liquefazione) che è sulle spalle del circuito interno deve essere RESTITUITA al circuito esterno affinchè lo stesso ( ossia il circuito interno ) si autosostenga. Il sistema (brevettato) è quello di ricomprimenre ( ma non di molto , solo il necessario affinchè la temperatura di compressione superi di circa 20 Kelvin la temperatura dell’altra condotta ( impianto esterno) in modo tale che i 20 k si scarichino continuamente sul fluido liquido facendolo ritornare nello stato di gas. Ora l’espansione che ne consegue porta con se ( già prima del ritorno nello stato di gas) una pressione di circa 60 bar ( provenienti dalla pompa per liquidi) utili per l’espansione a temperature ambiente. Adesso il ritorno verso il PUNTO CRITICO ( circa 133 k per l’aria e l’azoto) creerà, una situazione di stasi del gas ad inizio espansione fin quando lo stesso non avrà riassorbito l’intera ENERGIA POTENZIALE che gli compete ( L’energia potenziale è da non confondere con l’entalpia di liquefazione, dipende dalla pressione di inizio evaporazione e varia appunto con la temperatura e con la pressione volute nell’impianto). LA SOMMA DELL’ENERGIA POTENZIALE E QUELLA DOVUTA ALL’ESPANSIONE DEL FLUIDO METTERANNO IN CONDIZIONI L’IMPIANTO INTERNO DI COMPRIMERE IL SUO FLUIDO (a circa 1,6 / 1,7 bar) CON UNA ISOTERMICA QUINDI CON T = COST IN QUANTO TUTTA L’ENERGIA VERRA’ ASSORBITA DALL’ALTRO FLUIDO IN ESPANSIONE. Tutto questo sarà necessario al fluido interno ( che guadagna in pressione ma non in temperatura) per espandere, restituire una parte di energia negativa assorbita nella compressione e finire la sua espansione con 1 / 2 Kelvin in meno rispetto al valore che aveva ad inizio ciclo. ( e questa è la condizione per autosostenersi).
RIFLESSIONI SUGLI IMPIANTI A VAPORE
In un impianto a vapore l’acqua in partenza è liquida ed è intorno agli 80/ 90 °C. La pompa per liquidi che è posizionata nel punto più basso del condensatore di vapore aspira acqua e la invia nel generatore di vapore con una pressione un pò più alta della pressione massima sopportabile in turbina ( circa 245 bar e 520 °C). Ora il guadagno in turbina è di gran lunga più grande del lavoro effettuato dalla pompa dell’acqua proprio perchè questa spinge un liquido e non un gas e diversamente non sarebbe stato conveniente costruire l’intero impianto. Ora l’acqua per essere vaporizzata ha bisogno di molta energia e per essere considerata un gas deve addirittura superare i 374 °C ( 647 Kelvin) richiedendo nel generatore di vapore una combustione ed emissione di CO2 in atmosfera. E’ anche vero che ci sono altri fluidi la cui tensione di vapore è molto più bassa dell’H2O, come ad esempio l’ammoniaca e la stessa CO2. La vaporizzazione allora di alcuni fluidi richiede energia minore rispetto alla H2O , e la stessa cosa vale nel caso della gassificazione. Estendendo questo ragionamento verso fluidi che volatilizzano a pressione ordinaria ( 1 bar ) e temperature sempre più basse ( ben al di sotto degli 0°C) è intuibile che ci sia bisogno sempre di meno energia generata da una combustione (o comunque una concentrazione energetica superiore alla temperatura ambiente) per gassificare il fluido vettore. L’aria ad esempio (meglio però l’azoto) ha una temperatura critica di circa 132,7 Kelvin ( circa -170 °C) ed è ancora liquida se la sua pressione vale 38 bar. Adesso io sostengo che è possibile dimostrare (come in effetti ho fatto) la funzionalità e fattibilità di un impianto in cui sia possibile assorbire energia termica esterna a temperatura ambiente e trasformarla in energia di pressione poi in energia meccanica e quindi in elettrica. Il sistema in sostanza, (ricollegandomi all’esempio fatto all’inizio) è del tutto simile ad un impianto a vapore (in cui ci sono naturalmente perdite meccaniche e dispersive ) dove una pompa meccanica assorbe energia dall’esterno ( e quindi negativa), dove gli attriti e le perdite di portata diminuiscono il guadagno netto ma che è comunque ben superiore ai costi necessari alla riliquefazione del fluido aria.
Saluti
Tiberio Simonetti