DESCRIZIONE DESCRIPTION
La trasformazione di energia termica in energia elettrica può essere ottenuta in alternativa agli attuali sistemi basati sull'accoppiamento motore primo - generatore elettrico, per mezzo di un unico dispositivo che si avvale delle alte pressioni raggiungibili per mezzo dell'espansione termica di un metallo liquido a bassa temperatura e scelto fra quelli che hanno il maggior coefficiente di dilatazione (mercurio - alcuni suoi amalgami - metalli alcalini - e diverse loro leghe). Anche se l'incremento di volume ottenibile da detti fluidi è inferiore da 10 a 20 volte a quello ottenibile a parità di aumento di temperatura dai normali fluidi di lavoro ( gas e vapori) operanti nelle attuali macchine termiche, per contro data la minore compressibilità dei metalli liquidi, le pressioni ottenibili per ogni grado centigrado sono migliaia di volte superiori (per il mercurio 12.295 ) e quindi si ha un ampio margine di vantaggio qualora sia necessario ottenere con piccolo spostamento la trasmissione di una grande forza. Il generatore che viene descritto si avvale di questo principio utilizzando la pressione generata in un tubo ( o dei tubi) per spostare per mezzo di un idoneo mezzo di trasmissione (pistone - membrana elastica - molle costitute da tubi corrugati a fondo chiuso -ecc.) dei giunti a forma di cuneo inseriti in un circuito magnetico chiuso in modo da vincere la forza di attrazione magnetica che li vincola e creare un ampio intraferro, il che avviene non appena la pressione che viene trasmessa supera questa anche di poco. Poiché una volta vinta, la forza di attrazione iniziale diminuisce in maniera improvvisa la sua intensità, liberando di colpo i giunti, si ha nel metallo liquido un calo improvviso della sua energia interna. A questo punto il ritorno elastico del tubo che era stato messo in tensione dallo sforzo e che si comporta come un molla, assieme alla forza magnetica che tende a riportare i giunti nella loro sede, danno origine ad una serie di oscillazioni attraverso le quali continua il ciclo. Questo è il principio alla base del funzionamento di tutti i generatori di tale tipo, che però vanno realizzati in modo diverso a seconda della scelta del metallo o lega di metallo liquido, del corrispondente materiale da usare per il tubo (o tubi) destinato(i) a contenerlo, come pure della frequenza alla quale farlo funzionare. Per questo il disegno che viene allegato ha solo la funzione di uno schema per chiarire i principi che stanno alla base di tale invenzione in quanto struttura e parti illustrate si riferiscono ad un modello sperimentale. Con riferimento alle fig. 1 e 2 del disegno allegato raffiguranti prospetto e lato del generatore: un tubo contenente il metallo liquido (Part. A) di piccolo diametro, data la necessità sia di resistere alle alte pressioni che di assicurare una veloce trasmissione del calore, si trova racchiuso in un contenitore (Part. B) coibentato (o di materiale plastico termoisolante) attraverso il quale circola il fluido caldo la temperatura del quale è controllata dal termostato (Part. C) che attraverso una elettrovalvola (non raffigurata) ne regola il flusso. Il contenitore è collegato ad una robusta incastellatura (Part. D) che riunisce le varie parti che compongono il generatore. Nella parte inferiore del disegno si può notare il cilindro (Part. E) riempito di metallo liquido alla base del quale sono fissate le estremità del tubo adottando delle tecniche tali da evitarne lo scollegamento dal cilindro in fase di funzionamento ( nel modello rappresentato è stato adoperato del tubo con un' inspessimento della parte terminale sulla quale è stata creata una flangia per deformazione plastica, questa è stata saldata a mezzo saldatura per resistenza nella parte interna del cilindro, mentre la parte esterna al cilindro è stata saldata a mezzo saldobrasatura d'argento). Nella parte superiore si trova il pistone (Part. F) costituito da un pistone levigato a specchio e perfettamente adattato al cilindro entro al quale scorre lavorato con analoga finitura (in modo da assicurare perfetta tenuta) ed entrambi costruiti in materiale estremamente duro ( acciaio speciale temprato o cementato o nitrurato) Questo trasmette la spinta alla sovrastante struttura che porta i giunti a forma di cuneo per mezzo della vite (Part. G) inserita nella madrevite ricavata nella piastra inferiore della stessa. La vite può essere manovrata a mezzo del volantino superiore e deve essere portata a contatto con l'estremità superiore del cilindro prima della messa in funzione ed alzata a generatore fermo (a tale funzione si può provvedere con un dispositivo automatico collegato al medesimo sensore termostatico che controlla la temperatura del fluido circolante). La struttura che porta i blocchi a forma di cuneo (Part. H) è formata da due piastre e da quattro aste che inserendosi nei rispettivi fori che si trovano nella seconda e nell'ultima piastra dell'incastellatura, guidano con precisione gli spostamenti verso l'alto ed il basso di tutto l'assieme. Alle due piastre (inferiore e superiore) di questa struttura sono rigidamente collegati i 4 giunti a forma di cuneo (Part. L) che si inseriscono nei gioghi del circuito magnetico (Part. IJmunito di avvolgimento elettrico (Part. N) e costruiti con lo stesso materiale (nel modello lamierini magnetici in ferro-silicio ). Sia le superfici degli incavi dei gioghi che le superfici inclinate dei giunti debbono essere accuratamente rettificate e reciprocamente adattate. Passando alla descrizione dei rimanenti particolari del circuito magnetico, che risulta costituito da tre colonne e due gioghi, i due nuclei laterali portano le bobine mentre quello centrale (Part. M) è destinato a generare il campo magnetico. Questo si può ottenere sia per mezzo di magneti di elevate caratteristiche, con particolare riferimento ad alta forza coercitiva e forte induzione (magneti al neodimio o altre composizioni a base di metalli delle terre rare) che in alternativa a mezzo di un avvolgimento percorso da corrente continua (con l'impiego di magneti si può invertire lo schema mettendone 2 ai lati e l'avvolgimento nella colonna centrale). Per quanto riguarda l'induzione magnetica, mentre nei nuclei delle bobine viene tenuta sul valore di 1 Wb / mq è necessario che nei gioghi salga ai più alti livelli consentiti dal materiale magnetico impiegato ( 2 Wb / mq ), tenendo presente che la forza di attrazione magnetica aumenta in proporzione al quadrato dell'induzione. Ciò si può ottenere diminuendo lo spessore dei gioghi rispetto a quello delle colonne. L'adozione di gioghi di basso spessore porta l'ulteriore vantaggio di poter usare dei giunti a forma di cuneo di minore massa il che assieme all'adozione di materiali leggeri per la costruzione del blocco che porta i giunti (leghe ultraleggere) riduce l'inerzia dell'assieme. Esaminando i dati che si devono prendere in considerazione nel progettare il generatore e cioè la scelta del metallo liquido (o lega) e del corrispondente metallo da impiegare per il (i) tubo(i) destinati a contenerlo, bisogna precisare che nessuno dei metalli liquidi elencati possiede tutte assieme le qualità ideali che sarebbero necessarie e delle quali le più importanti per questo impiego sono: elevato coefficiente di dilatazione, bassa temperatura di fusione, bassa compressibilità, elevata conducibilità termica, basso calore specifico riferito al volume, elevato rapporto fra il calore specifico a pressione ed a volume costante. Medesima considerazione si può fare per i materiali con i quali costruire i tubi. In questo caso la prima caratteristica che necessita è che il metallo in oggetto non sia attaccabile dall'azione del metallo liquido che si intende impiegare il che ne limita la scelta, in particolar modo nel caso si decida di usare il mercurio od alcuni suoi amalgami. Sono inoltre necessarie elevate caratteristiche meccaniche in relazione alle gravose sollecitazioni alle quali deve essere sottoposto, in particolare: buon comportamento elastico e buona resistenza a fatica, inoltre bassa dilatazione termica ed elevata conducibilità termica, e fra queste due caratteristiche fisiche si deve dare maggior importanza alla conducibilità termica del materiale piuttosto che al suo coefficiente di dilatazione. Il progetto, una volta che si siano scelti i materiali da impiegare ed il campo di temperature sul quale operare non presenta del resto particolari difficoltà. Basta tenere presente che i metalli liquidi impiegabili si possono dividere in due gruppi : uno formato dal mercurio e suoi amalgami e l'altro dai metalli alcalini e loro leghe. Per quanto riguarda il mercurio ed alcuni suoi amalgami sono apprezzabili il basso punto di fusione e la bassa compressibilità il che consente di raggiungere elevate pressioni anche per piccole variazioni di temperatura (per l'incremento di un grado centigrado la pressione di 45 Bar ), mentre presentano coefficiente di dilatazione minore di quello dei metalli alcalini e minore conducibilità termica il che rende preferibile, in particolar modo per il mercurio, di impiegare al posto di un unico tubo, un fascio tubiero di più tubi di diametro inferiore poi confluenti con le estremità nel cilindro collettore. Inoltre considerato il fatto che il mercurio tende ad attaccare la maggior parte dei metalli è necessario usare fra i materiali di normale impiego tubi di ferro nelle sue varie leghe ( acciaio al carbonio o legato). I metalli alcalini hanno invece punti di fusione maggiori, tranne per alcune loro leghe fondenti a temperature inferiori a zero gradi centigradi (come la lega al 22% di Na e 78% di K fondente a -11 C°) ma presentano maggior espansione termica del mercurio (escluso il litio da 1,5 a 2 volte) e maggior conducibilità, raggiungendo con il sodio il massimo di conducibilità fra i metalli liquidi. Sono anche meno aggressivi del mercurio nei confronti degli altri metalli e per tale motivo si possono usare per i tubi materiali ad alta conducibilità termica, ad esempio le varie leghe di rame ad alta resistenza ed i bronzi speciali, al berillio o al cobaltoberillio. Presentano però maggior compressibilità e abbisognano quindi di temperature più elevate per poter raggiungere le medesime pressioni. Scelto il materiale da impiegare ed in base alla temperatura del fluido che si intende utilizzare, si procede calcolando diametro, spessore e lunghezza del (dei) tubo (i) (tenendo presente che la frequenza delle oscillazioni che si otterranno è determinata principalmente dalla lunghezza di questo(i) e dalla massa collegata) in modo che il volume di questo(i) sia tale che il metallo liquido in esso(i) contenuto generi per riscaldamento alla temperatura del fluido caldo, un incremento di volume tale da spostare il pistone (Part. F) e con questo i giunti che chiudono il circuito magnetico in modo che il flusso si riduca ad una frazione di quello originario. A questo scopo a seconda delle caratteristiche del circuito magnetico e del numero dei giunti, possono essere sufficienti spostamenti dell'ordine dei millimetri. Per avere dei buoni rendimenti, bisogna usare le pressioni più elevate che sia possibile compatibilmente con la resistenza dei materiali, la determinazione della pressione si può calcolare con buona approssimazione in base al tipo di metallo liquido impiegato, all'incremento di temperatura ed alla dilatabilità ed allungamento elastico del tubo. Nota la pressione di lavoro, si possono calcolare le dimensioni che deve assumere il circuito magnetico per generare una forza di attrazione tale da contrapporsi, fino al punto di cedimento, alla spinta che il pistone comunica ai giunti. Questo generatore nelle varie realizzazioni possibili può avere impieghi in settori diversi: come generatore primario di energia elettrica da normali combustibili fossili, od anche per recupero energetico da fonti di calore degradate (scarichi di acqua di raffreddamento di impianti industriali o di fumi e vapori ) come generatore portatile o per fornire energia a veicoli a trazione elettrica. Si può realizzare a basso costo utilizzando materiali di comune uso tecnico ( ad esempio tubi in acciaio al carbonio del tipo per molle, metallo liquido di riempimento costituito da lega Na-K , incastellatura in lega d'alluminio ad alta resistenza, nucleo magnetico in ferro-silicio lamellare con campo magnetico prodotto da avvolgimento percorso da corrente continua ) oppure in una versione ad alto rendimento e compattezza ed impiegante materiali più costosi ( tubi in molibdeno, liquido costituito da mercurio, pistone e relativo cilindro in carburo di tungsteno, nucleo magnetico e giunti a cuneo in laminato ad elevata saturazione del tipo leghe al ferro - cobalto - vanadio, magnete permanente a base di metalli delle terre rare). Per la produzione economica di piccoli generatori si può anche semplificare la costruzione eliminando il pistone e munendo le estremità del (dei) tubo(i) di un sistema terminale elastico (ad esempio un tubo corrugato a fondo chiuso in metallo elastico od analoghi sistemi elastici terminali sul tipo delle molle a tazza o delle molle ad anelli) in modo che agiscano direttamente sul blocco dei giunti magnetici a cuneo. Ulteriori miglioramenti di questa invenzione possono derivare dall' impiego di eventuali nuovi materiali come leghe liquide di migliori caratteristiche o materiali a più alta resistenza meccanica, sia per quello che riguarda la parte magnetica, con l'impiego di lamierini con più elevato punto di saturazione e di magneti permanenti dotati di maggior rimanenza e forza coercitiva. The transformation of thermal energy into electrical energy can be obtained as an alternative to the current systems based on the coupling of the prime mover - electric generator, by means of a single device that makes use of the high pressures that can be reached by means of the thermal expansion of a liquid metal. low temperature and chosen from those with the highest expansion coefficient (mercury - some of its amalgams - alkali metals - and various of their alloys). Even if the increase in volume obtainable from said fluids is 10 to 20 times lower than that obtainable with the same temperature increase from normal working fluids (gases and vapors) operating in current thermal machines, on the other hand, given the lower compressibility of the liquid metals, the pressures obtainable for each degree centigrade are thousands of times higher (for mercury 12,295) and therefore there is a large margin of advantage if it is necessary to obtain the transmission of a large force with a small displacement. The generator described uses this principle by using the pressure generated in a tube (or tubes) to move by means of a suitable transmission medium (piston - elastic diaphragm - springs made up of corrugated tubes with closed bottom - etc.) wedge-shaped joints inserted in a closed magnetic circuit in order to overcome the magnetic attraction force that binds them and create a large air gap, which occurs as soon as the pressure that is transmitted exceeds this even slightly. Since once overcome, the initial attraction force suddenly decreases its intensity, suddenly freeing the joints, there is a sudden drop in its internal energy in the liquid metal. At this point, the elastic return of the tube which had been put under tension by the effort and which acts like a spring, together with the magnetic force that tends to bring the joints back into their seat, give rise to a series of oscillations through which the cycle. This is the principle underlying the operation of all generators of this type, which however must be made differently depending on the choice of metal or alloy of liquid metal, the corresponding material to be used for the tube (or tubes) intended (i ) to contain it, as well as the frequency at which to make it work. For this reason, the attached drawing has only the function of a diagram to clarify the principles underlying this invention as the structure and illustrated parts refer to an experimental model. With reference to figs. 1 and 2 of the attached drawing depicting the elevation and side of the generator: a tube containing the liquid metal (Part. A) of small diameter, given the need both to withstand high pressures and to ensure fast heat transmission, is enclosed in an insulated container (Part. B) (or thermally insulating plastic material) through which the hot fluid circulates, the temperature of which is controlled by the thermostat (Part. C) which regulates the flow through a solenoid valve (not shown). The container is connected to a sturdy frame (Part. D) which brings together the various parts that make up the generator. In the lower part of the drawing you can see the cylinder (Part. E) filled with liquid metal at the base of which the ends of the tube are fixed by adopting techniques to avoid disconnection from the cylinder during operation (in the model represented it has been used of the tube with a thickening of the end part on which a flange has been created by plastic deformation, this was welded by resistance welding in the internal part of the cylinder, while the external part to the cylinder was welded by silver brazing ). In the upper part there is the piston (Part. F) consisting of a mirror polished piston and perfectly adapted to the cylinder within which it slides worked with a similar finish (in order to ensure perfect sealing) and both made of extremely hard material (special steel hardened or cemented or nitrided) This transmits the thrust to the overlying structure which carries the wedge-shaped joints by means of the screw (Part. G) inserted in the nut screw obtained in the lower plate of the same. The screw can be maneuvered by means of the upper handwheel and must be brought into contact with the upper end of the cylinder before starting and raised with the generator stopped (this function can be provided with an automatic device connected to the same thermostatic sensor that controls the temperature of the circulating fluid). The structure that carries the wedge-shaped blocks (Part. H) is made up of two plates and four rods which, by inserting themselves into the respective holes in the second and last plate of the frame, precisely guide the movements towards the 'top and bottom of the whole assembly. The 4 wedge-shaped joints (Part. L) are rigidly connected to the two plates (lower and upper) of this structure, which are inserted into the yokes of the magnetic circuit (Part. same material (in the iron-silicon magnetic laminations model). Both the surfaces of the grooves of the yokes and the inclined surfaces of the joints must be carefully ground and mutually adapted. Moving on to the description of the remaining details of the magnetic circuit, which is made up of three columns and two yokes, the two lateral cores carry the coils while the central one (Part. M) is intended to generate the magnetic field. This can be achieved both by means of magnets with high characteristics, with particular reference to high coercive force and strong induction (neodymium magnets or other compositions based on rare earth metals) which alternatively by means of a winding crossed by corren continuous tee (with the use of magnets the scheme can be inverted by placing 2 on the sides and the winding in the central column). As regards the magnetic induction, while in the cores of the coils it is kept at the value of 1 Wb / m2 it is necessary that in the yokes it rises to the highest levels allowed by the magnetic material used (2 Wb / m2), bearing in mind that the magnetic attraction increases in proportion to the square of induction. This can be achieved by decreasing the thickness of the yokes compared to that of the columns. The adoption of low thickness yokes brings the further advantage of being able to use wedge-shaped joints of lower mass which together with the adoption of light materials for the construction of the block that carries the joints (ultralight alloys) reduces the inertia of the assembly. Examining the data that must be taken into consideration when designing the generator, i.e. the choice of the liquid metal (or alloy) and the corresponding metal to be used for the tube (s) intended to contain it, it must be specified that none of the liquid metals listed possesses all together the ideal qualities that would be necessary and of which the most important for this use are: high coefficient of expansion, low melting temperature, low compressibility, high thermal conductivity, low specific heat referred to the volume, high heat ratio specific pressure and constant volume. The same consideration can be made for the materials with which to build the pipes. In this case, the first feature that needs is that the metal in question is not attackable by the action of the liquid metal to be used, which limits the choice, especially if you decide to use mercury or some of its amalgams. High mechanical characteristics are also required in relation to the heavy stresses to which it must be subjected, in particular: good elastic behavior and good fatigue resistance, also low thermal expansion and high thermal conductivity, and between these two physical characteristics, greater importance must be given to thermal conductivity of the material rather than its expansion coefficient. The project, once the materials to be used and the temperature range on which to operate have been chosen, does not present particular difficulties. Just keep in mind that the liquid metals that can be used can be divided into two groups: one formed by mercury and its amalgams and the other by alkali metals and their alloys. As regards mercury and some of its amalgams, the low melting point and low compressibility are appreciable, which allows high pressures to be reached even for small temperature variations (for the increase of one degree centigrade the pressure of 45 Bar), while they have a lower expansion coefficient than that of alkali metals and lower thermal conductivity which makes it preferable, especially for mercury, to use instead of a single tube, a tube bundle of several tubes of smaller diameter then confluent with the ends in the manifold cylinder. Furthermore, considering the fact that mercury tends to attack most metals, it is necessary to use iron pipes in its various alloys (carbon steel or alloy steel) among the commonly used materials. Alkali metals, on the other hand, have higher melting points, except for some of their alloys melting at temperatures below zero degrees centigrade (such as the alloy with 22% of Na and 78% of K flux at -11 C °) but show greater thermal expansion of the mercury (excluding lithium from 1.5 to 2 times) and greater conductivity, reaching the maximum conductivity among liquid metals with sodium. They are also less aggressive than mercury towards other metals and for this reason materials with high thermal conductivity can be used for pipes, for example the various high-strength copper alloys and special bronzes, beryllium or cobaltoberillum. However, they have greater compressibility and therefore require higher temperatures in order to reach the same pressures. Once the material to be used has been chosen and based on the temperature of the fluid to be used, proceed by calculating the diameter, thickness and length of the tube (s) (bearing in mind that the frequency of the oscillations that will be obtained is mainly determined by the length of this (i) and the connected mass) so that the volume of this (i) is such that the liquid metal contained in it (i) generates by heating to the temperature of the hot fluid, an increase in volume such as to move the piston ( Part. F) and with this the joints that close the magnetic circuit so that the flux is reduced to a fraction of the original one. For this purpose, depending on the characteristics of the magnetic circuit and the number of joints, displacements of the order of millimeters may be sufficient. In order to have good performances, it is necessary to use the highest pressures that is possible compatibly with the resistance of the materials, the determination of the pressure can be calculated with good approximation based on the type of liquid metal used, the temperature increase and the expandability and elastic elongation of the tube. Once the working pressure is known, it is possible to calculate the dimensions that the magnetic circuit must assume to generate an attraction force such as to oppose, up to the point of failure, the thrust that the piston communicates to the joints. This generator in the various possible realizations can have uses in different sectors: as a primary generator of electricity from normal fossil fuels, or also for energy recovery from degraded heat sources (discharges of cooling water from industrial plants or fumes and vapors) such as portable generator or to supply power to electric traction vehicles. It can be made at low cost using materials of common technical use (for example carbon steel tubes of the type for springs, liquid filling metal made of Na-K alloy, frame in high strength aluminum alloy, magnetic core in iron - lamellar silicon with magnetic field produced by winding through direct current) or in a version with high efficiency and compactness and using more expensive materials (molybdenum tubes, liquid consisting of mercury, piston and relative cylinder in tungsten carbide, magnetic core and wedge joints in highly saturated laminate such as iron - cobalt - vanadium alloys, permanent magnet based on rare earth metals). For the economic production of small generators it is also possible to simplify the construction by eliminating the piston and providing the ends of the tube (s) with an elastic terminal system (for example a corrugated tube with closed bottom in elastic metal or similar terminal elastic systems on the type of disc springs or ring springs) so that they act directly on the block of magnetic wedge joints. Further improvements of this invention can derive from the use of possible new materials such as liquid alloys with better characteristics or materials with higher mechanical strength, both as regards the magnetic part, with the use of laminations with a higher saturation point and of permanent magnets with greater remanence and coercive force.