venerdì 25 settembre 2009

Le ultra micro turbine a gas... piccoli gioielli da pochi Watt...


Per "micro turbine a gas" si intendono in genere gli impianti per la produzione di energia elettrica basati su turbina a gas capaci di erogare una potenza all’albero inferiore ai 200 kW ma superiore ai 20-30 kW.
In realtà in alcuni ambiti vengono considerate micro-turbine a gas quegli impianti particolarissimi capaci di generare potenza elettrica dell’ordine del Watt o dell’ ordine delle poche centinaia di Watt.
Tali macchine, in gran parte sviluppate al momento solo in fase di progetto, sono definite ultra-micro turbine a gas per differenziarle da quelle di taglia "industriale". E' interessante effettuare una panoramica su tali innovative micro macchine e sull’impiego che è possibile fare di queste.
In prima linea nella progettazione di prototipi di tal tipo è il M.I.T. Da oramai diversi anni ( le prime pubblicazioni in merito risalgono al 2000) viene studiata e progettata una macchina realizzata interamente in materiale basato sul silicio, secondo un sistema a strati in cui ciascun strato sovrapposto costituisce un micro componente dell’impianto, come visibile dalle immagini*. Il prototipo ha dimensioni ridottissime ( 2,1 cm di diametro) e l’albero ha una velocità nominale dell’ordine del milione di giri al minuto. Lo schema d'impianto, così come la fotografia dell'impianto nel suo complesso, ben dimostrano di cosa si stia parlando: non ci si discosta molto dalla realtà se si immagina che tale macchina sia un chip che produce energia elettrica.
In effetti si tratta di una tecnologia sviluppata quasi interamente in silicone o composti di silicio e può essere vista come una serie di wafer sovrapposti, laddove compressore e turbina hanno uno sviluppo completamente bidimensionale. Per far funzionare questo micro impianto servono 16 g/h di combustibile per ottenere una potenza intorno ai 4-10 W. Le temperature in gioco sono molto elevate, di molto superiori a quelle accettabili dalle "normali" micro turbine a gas di taglia industriale: infatti la temperatura di ingresso in turbina è di circa 1600 K. Il M.I.T. lavora a questo progetto da anni ed oramai, rispetto al progetto originario completamente in Si, in studi recenti l'interesse è andato catalizzandosi verso una macchina costituita in parte da Si e in parte da SiC, il che pare renderne più lunga la vita più durevole. E' previsto che si possa fare un utilizzo di tale micromacchina anche in serie, laddove serva una potenza impegnata superiore a quella di un singolo chip.

Esistono ultra micro turbine a gas meno esasperate per quanto riguarda la velocità di rotazione ed aventi una struttura similare a quelle di taglia più consona, come diverse macchine di taglia variabile fra i 40 e i 100 W progettate in Giappone. Trattandosi di materiali quasi-convenzionali e del classico schema impiantistico, i parametri termodinamici caratterizzanti la macchina tornano ad avere valori quasi canonici: la temperatura d'ingresso in turbina nel caso dell' impianto da 100 W è di circa 1300 K, il rapporto di compressione è vicino a 3, la portata d'aria è di circa 2 g/s mentre la velocità di rotazione si aggira intorno ai 600.000 giri/min. Dalla fotografia, nella quale sono riportati un compressore ed un albero di rotazione di un micro impianto, appare evidente che tali
Quel che è davvero interessante riportare, consiste nell' utilizzo che, a detta degli scienziati, si può fare di queste micro macchine. Queste "UMGT" hanno senso laddove vi siano apparecchi che consumino un gran numero di batterie di piccola potenza, in condizioni di utilizzo tali da non permetterne la sostituzione immediata o la ricarica. L' utilizzo per fini militari è quello più evidente, anche se i risvolti nel mondo civile possono essere notevoli. Le applicazioni di tali impianti sono molteplici, divise fra usi civili e militari. Tali macchine sono state evolute per due scopi principali, ovvero la generazione di energia per ricaricare batterie in condizioni estreme, quali missioni militari in zone desertiche oppure come fornitori di energia per piccoli sistemi robotizzati quali piccoli aerei spia delle dimensioni di un insetto o un piccolo uccello. In ultimo non si esclude l’utilizzo per alimentare piccoli robot che possano avere utilizzo non tanto militare ma ludico.

Note:
E' possibile copiare in tutto o in parte questo breve compendio sulle UMGT purchè si citi l'autore e la fonte.
Questo intervento è desunto in buona parte da un paragrafo della tesi di dottorato dell'autore, datata 2007 e prende spunto da una "lecture serie" sulle micro turbine a gas tenutasi nel 2005 al Von Karman Institute, Belgio.

lunedì 14 settembre 2009

Come funziona il motore Wankel


Il motore Wankel è un particolare tipo di motore a combustione interna.
A differenza dei comuni motori "alternativi", il Wankel è un motore di tipo "rotativo". Non è una tecnologia recente (il primo progetto è degli anni '30) ma è stata poco adottata nel corso dei decenni. L'unica casa automobilistica che ha investito su questo motore è stata la MAZDA che da oramai quaranta anni produce auto di serie che nel cofano al posto del classico motore composto da pistoni, cilindri, bielle e manovelle ha il più semplice e compatto motore rotativo.
Per una dettagliata descrizione di come è fatto e dei principi di funzionamento rimando a wikipedia. Dall'immagine* è possibile notare la particolare geometria trocoidale del rotore ed il posizionamento eccentrico degli ingranaggi rispetto all'albero di rotazione. Non sono presenti valvole ma luci di aspirazione e scarico, come nel motore 2T. Il rotore nel suo moto sposta la carica dalla zona di aspirazione alla zona in cui avviene la combustione, innescata da una o più candele, fino alle luci di scarico.

Fra i vantaggi sicuramente si possono annoverare:
  • Elevata potenza specifica (rapporto Potenza/cilindrata) ( la RX-8 ha un motore da 1300 cc ma ha potenza e prestazioni di una Porsche ... anche se in realtà non è corretto parlare di "cilindrata" ;) )
  • semplicità costruttiva ( uno statore ed un rotore)
  • assenza di valvole
  • minor rumore e minori vibrazioni rispetto al "cugino" alternativo
  • Minori emissioni inquinanti di ossidi di azoto
Fra gli svantaggi balzano all'occhio sopratutto:
  • Elevato costo dei materiali, che devono sopportare elevati e repentini sbalzi termici a causa dell'alto regime rotazionale e della forma del motore
  • Maggior produzione di incombusti legati ad una combustione difficilmente completa --> i motori Wankel recenti montano due candele per migliorare la combustione
  • Vita minore rispetto ai motori alternativi
  • consumi elevati
Può sembrare un controsenso che un motore che abbia maggior semplicità costruttiva e minor numero di organi in movimento possa avere una durata inferiore, in realtà contano molto due fattori: lo strisciamento continuo degli angoli del rotore contro lo statore e l'inevitabile stress termico a cui le parti sono sottoposte. Di fatti il regime rotazionale elevato (oltre 9000 giri/min) e la geometria del motore fanno sì che sulle pareti vadano ad impattare in rapida successione fluido freddo e fluido caldo. Le prime versioni di questo motore avevano quindi una scarsa affidabilità ( il motore andava sostituito anche dopo meno di 100.000 km) accanto a consumi elevati ed una combustione non completa, causata dal basso tempo di residenza e dalla geometria della camera di combustione, che portava ad elevate emissioni inquinanti. Nelle ultime versioni dei motori sviluppati dalla Mazda e montati sulla RX-8 alcuni accorgimenti tecnologici quali l'adozione di due candele ed un diverso posizionamento della camera di combustione hanno mitigato tali problemi: la RX-8 è infatti omologata EURO 4.
I consumi sono elevati anche paragonati alle vetture di pari prestazioni e potenza.
Da notare, non è un controsenso, che da una parte questo motore presenta minor produzione di NOx ( ossidi di azoto), dall'altra presenta una maggior produzione di incombusti ( HC e CO ad esempio). Ciò è dovuto al fatto che all'aumentare dei picchi di temperatura in camera di combustione aumentano gli ossidi di azoto ma diminuiscono i prodotti "incompleti" di combustione.



*fonte wikipedia
Nota bene:
Gran parte delle informazioni riguardanti questo motore sono state prese direttamente dalla rete. Interventi come questo hanno lo scopo di trattare argomenti che possano attirare l'attenzione anche dei non studenti in ingegneria meccanica ed allo stesso tempo fornire un aiuto per chi si trova a studiare determinati motori o materie.

giovedì 10 settembre 2009

Didattica... pubblicazione appunti / presentazioni per lezioni fatte

Nelle prossime settimane, volendo provare a far ripartire questo sito/ blog che non ho mai voluto del tutto abbandonare, pubblicherò alcuni PDF riguardanti le presentazioni in powerpoint che nel corso di questi anni ho utilizzato per alcune lezioni indirizzate a studenti universitari o post-universitari. Non si tratta ovviamente di appunti di lezioni ma di strumenti adatti a focalizzare meglio l'attenzione su quel che si sta studiando.

L'argomento delle lezioni riguarderà - per ora, a meno di non trovare aiuti esterni - gli esami del settore disciplinare ING/IND-08 ( Macchine, turbine a gas, motori alternativi a combustione interna, macchine speciali, impianti combinati etc. etc. )

Spero che possano essere d'aiuto per quanti frequentano i primi anni di ingegneria industriale (meccanica, elettrica, chimica ) e per quanti semplicemente desiderano approfondire certe tematiche.

F.

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