Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE III

Espansore volumetrico adiabatico free piston “Colibrì” per generazione elettrica con ciclo Rankine a bassa pressione

Di seguito viene proposta una sequenza di fotogrammi che illustra in dettaglio la dinamica del movimento.

Per quanto appena visto, il volume delle due camere cambia nel tempo e lo stesso accade alla pressione. Riportando i vari punti in un piano cartesiano P-V si ottiene una figura simile a quella sottostante. Si tenga presente che le dimensioni e la forma del grafico dipendono da vari fattori fra cui fluido di lavoro, frequenza di funzionamento, pressioni e temperature operative, cilindrata e rapporto di compressione dell’espansore.

Il grafico mostra che sono presenti 6 trasformazioni:
1) adiabatica AB in colore rosso
2) isocora BC in colore celeste
3) isobara CFC in colore fucsia
4) adiabatica CD in colore blu
5) isocora DA in colore verde
6) isobara AEA in colore fucsia
La pressione al punto A (P_A) è la pressione all'immissione, mentre la pressione al punto C (P_C) è la pressione allo scarico.
Al punto A la luce di immissione si chiude e la pressione è al suo valore massimo P_A.
Dal punto A al punto B avviene un processo di espansione adiabatica che provoca un abbassamento della pressione fino al valore P_B.
Affinché il ciclo generi lavoro utile deve essere rispettata la condizione P_B>P_C come mostrato nel diagramma. Per questo motivo il rapporto di espansione (V_B/V_A) non è arbitrario, ma dipende delle condizioni operative previste.
Al punto B la luce di scarico si apre e la pressione si porta al valore presente allo scarico, cioè P_C.
Poiché il pistone arriva al punto C con una velocità non nulla, procederà ancora per un po’ nella stessa direzione per poi fermarsi e invertire il verso del moto.
Il volume della camera aumenta fino al valore V_F e poi ritorna al valore V_C mentre la pressione resta fissa al valore P_C.
Al punto C la luce di scarico si chiude e la pressione è al suo valore minimo P_C.
Dal punto C al punto D avviene un processo di compressione adiabatica che provoca un aumento della pressione fino al valore P_D.
Se la pressione di partenza dell'adiabatica di compressione (P_C) è più bassa della pressione finale (P_B) dell'adiabatica di espansione, la pressione alla fine della compressione adiabatica (P_D) sarà minore della pressione all'inizio dell'espansione adiabatica (P_A) (questo è sempre vero nell'ipotesi di trasformazioni reversibili, ma potrebbe non esserlo nel caso reale cioè in presenza di irreversibilità dei processi).
Al punto D la luce di immissione si apre e la pressione si porta al valore presente all'immissione (P_A).
Poiché il pistone arriva al punto A con una velocità non nulla, procederà ancora per un po’ nella stessa direzione per poi fermarsi e invertire il verso del moto.
Il volume della camera diminuisce fino al valore V_E e poi ritorna al valore V_A mentre la pressione resta fissa al valore P_A e il ciclo riprende con l’espansione adiabatica AB.

Anche se i due processi che avvengono durante la fase di immissione e durante quella di scarico sono stati identificati come isocori, dal punto di vista termodinamico rientrano nella categoria delle trasformazioni isoentalpiche. Tale informazione è determinante per impostare correttamente il calcolo del rendimento teorico del ciclo.
Per questo tipo di espansore non è possibile individuare una relazione semplice che permetta di calcolare le grandezze fisiche di interesse in quanto le energie in gioco, il lavoro utile e il rendimento dipendono fortemente dai parametri operativi e dal dimensionamento dell’espansore.