Discussione: Turbogeneratore Brayton per Scarico Motore

Qualche giorno fa cercando la soluzione migliore per sfruttare i gas di scarico di un generatore diesel Stranamore ha proposto un "turbogas a ciclo inverso"...ovvero Ciclo Brayton in depressione,
per chi ha voglia di sperimentare...posto in seguito le parti salienti della conversazione...

Il ciclo Brayton "in depressione"
Il ciclo brayton è molto conosciuto nella variante "in pressione", ma pochissimo in quella "in depressione"(da non confondersi con il ciclo brayton inverso che è un ciclo frigoriferfo). Tale variante è nata per sfruttare cascami di calore in fluidi gassosi a bassa pressione. Pur potendo, come tutti i cicli aperti, funzionare anche con combustione interna, ha però la particolarità di poter sfruttare anche calore di scarto.
Funziona secondo il principio della sovraespansione.
Le trasformazioni sono le stesso del ciclo brayton classico ma in sequenza diversa.
E sono:
1) Espansione adiabatica
2) Raffreddamento isobaro
3) Compressione adiabatica
4) Riscaldamento isobaro di chiusura teorico (scarico fluido)

Immaginiamo di avere un gas a 450 °C ma a bassa pressione (1 bar).
Lo faccio passare in una turbina che lo espande fino a 0,2 bar.
Raffreddo il fluido in uno scambiatore fino alla temperatura atmosferica.
Lo comprimo in un compressore da 0,2 a 1 bar e quindi lo scarico in atmosfera.
Il rendimento è lo stesso del ciclo normale in funzione del rapporto di compressione.

Il vero problema, una volta trovato il turbogruppo di recupero, è riuscire ad attaccarci un ingranaggio che tenga i 150 - 200.000 gr/min.

penso che proverò a sperimentarlo sul mio prossimo generatore... appena trovo un'idea per fruttare i 200.000 giri

...se è una buona idea.
Il Brayton che precede la ventola serve ad aumentare la densità del gas e a raffreddarlo... (?!)


http://www.energeticambiente.it/atta...1&d=1275325657


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Ma i gas non dovevano passare prima nella turbina e poi espandersi?

Interessante spiegazione...
http://www.theicct.org/documents/000...o_Session3.pdf

La sovralimentazione mediante sistema "turbocompound", ha trovato applicazione per la prima volta, su un autocarro in grande serie, sul modello Scania 113 400.
In realtà, questa tecnica, era stata sviluppata molti anni prima, per l' impiego su motori aeronautici, o stazionari.
Per farla in breve, il sistema, è caratterizzato da un turbocompressore tradizionale, e da una turbina (priva di compressore), che recupera l' energia residua dei gas di scarico, e la trasmette direttamente al volano, per mezzo di una cascata d' ingranaggi, garantendo un incremento di potenza.
Nelle prime applicazioni di questo dispositivo (se non ricordo male, nel periodo prebellico, o giù di lì), la turbina èra collegata rigidamente al volano, e questo comportava dei problemi ai bassi regimi, quando la turbina anziché fornire potenza la assorbiva.
Proprio questa caratteristica lo rendeva adatto principalmente su motori funzionanti a regime fisso.
Scania ha risolto questo problema, interponendo un giunto idraulico, tra il volano e la girante, in modo da annullare le inerzie, e gli assorbimenti.
Al 113 400, hanno fatto seguito i 6 cilindri della gamma 124, ed R (124 470; 124 480; R480, ed altri), inoltre è stato adottato anche da Volvo, per l' FH 12 500, e da Iveco sui motori cursor 13 destinati ad alcuni mezzi agricoli.

I gas combusti passano attraverso la turbina del compressore classico, dopodichè attaversano la turbina del Turbocompound; il problema principale è l'enorme differenza di velocità di rotazione dell'albero della turbina e dell'albero motore a cui si deve accoppiare. Come detto un accoppiamento meccanico (ruote dentate) sarebbe impossibile per un motore veicolistico, perchè si opporrebbe alle variazioni di regime per quanto riguarda la diminuzione di giri, come ha giustamente detto Twin Spark scania ha interposto un giunto idraulico, che nell'immagine sottostante è quell'insieme che ha la "freccia arancione che va verso l'alto", nella cascata di ingranaggi.

tutte le immagini sono prese dal sito di scania o forum relativi...

Truck Italia Forum • Leggi argomento - Motori turbocompound
Nei forum che ho letto parlano di aumenti di potenza pari al 7-9%
non è da buttare... quindi il segreto è il giunto idraulico...

Bè, non proprio il giunto idraulico.... Diciamo che su un motore da trazione, che per definizione funziona a regimi variabili, aiuta nell'accoppiamento tra due macchine così diverse tra loro. Su un Generatore elettrico se ne può fare tranquillamente a meno perchè gira a regime costante.
Il 7-8% è realistico come media, con punte del 10% al regime di progetto.
Però il Turbocompound è solo il primo gradino.
Infatti con il ciclo in depressione si può sfruttare ancora un pezzo in più.
Collegando un compressore alla turbina del compound che ricomprima i gas di scarico, oviamente con interposto uno scambiatore di calore che ne porti la temperatura prossima a quella ambiente, si riesce a sfruttare un salto entalpico ulteriore. Difficile dire quanto a priori, dipende dai parametri del ciclo scelto, ma forse un ulteriore 5% è alla portata.
Ma perchè allora non lo fanno tutti? Due ragioni:
1) Nessuno mette su un motore niente che il cliente non percepisca come "Valore Aggiunto" e quindi sia disposto a pagare come surplus.
2) Con le normative antiinquinamento esistenti e quelle in arrivo (Euro VI) la gestione termica dei gas di scarico è diventata critica nei riguardi del mantenimento delle temperature necessarie al funzionamento dei catalizzatori (Antiparticolato o DPF, Anti NOx o SCR).

Originariamente inviata da Stranamore

Bè, non proprio il giunto idraulico.... Diciamo che su un motore da trazione, che per definizione funziona a regimi variabili, aiuta nell'accoppiamento tra due macchine così diverse tra loro. Su un Generatore elettrico se ne può fare tranquillamente a meno perchè gira a regime costante.
Il 7-8% è realistico come media, con punte del 10% al regime di progetto.
Però il Turbocompound è solo il primo gradino.
Infatti con il ciclo in depressione si può sfruttare ancora un pezzo in più.
Collegando un compressore alla turbina del compound che ricomprima i gas di scarico, oviamente con interposto uno scambiatore di calore che ne porti la temperatura prossima a quella ambiente, si riesce a sfruttare un salto entalpico ulteriore. Difficile dire quanto a priori, dipende dai parametri del ciclo scelto, ma forse un ulteriore 5% è alla portata.
Ma perchè allora non lo fanno tutti? Due ragioni:
1) Nessuno mette su un motore niente che il cliente non percepisca come "Valore Aggiunto" e quindi sia disposto a pagare come surplus.
2) Con le normative antiinquinamento esistenti e quelle in arrivo (Euro VI) la gestione termica dei gas di scarico è diventata critica nei riguardi del mantenimento delle temperature necessarie al funzionamento dei catalizzatori (Antiparticolato o DPF, Anti NOx o SCR).

Tanto per rendere visibile il concetto espresso da Stranamore

http://www.energeticambiente.it/atta...1&d=1275824107

Circa il punto 2), faccio presente che il recupero termico entalpico potrebbe avvenire in teoria anche dopo il catalizzatore. E' quella la via da seguire...


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Originariamente inviata da rampa

Tanto per rendere visibile il concetto espresso da Stranamore

http://www.energeticambiente.it/atta...1&d=1275824107

Circa il punto 2), faccio presente che il recupero termico entalpico potrebbe avvenire in teoria anche dopo il catalizzatore. E' quella la via da seguire...

Si potrebbe accoppiare con un compressore, lo stesso che troviamo nella figura per l'aspirazione facendo passare il tutto dentro uno o più intercooler.
Se non mettiamo il generatore e manteniamo il collegamento meccanico, il risparmio forse e' maggiore evitando trasformazioni di energia.

Bisogna pero' studiare un sistema per evitare l'intasamento dell'intercooler, i gas di scarico freddi sporcano parecchio... non so quelli di colza, ma credo non siano da meno.
Forse con un effetto venturi che sfruttando la velocità dei gas prima dello scambiatore succhi aria fredda.

in questo modo i gas sono meno saturi di particelle ...

era solo un pensiero

Dovendo conservare le temperature di catalizzazione, la zona racchiusa dal cerchio indica la posizione del catalizzatore, che se termicamente isolato, garantisce l'emissione di gas ancora a T° sufficientemente elevata da favorire l'utilizzazione del calore residuo.

http://www.energeticambiente.it/atta...1&d=1275904773

E' chiaro che il Sistema Brayton Aperto in Depressione torna utile se applicato a gas di scarico che anche se hanno perso gran parte della loro energia cinetica, hanno ancora conservato una temperatura abbastanza elevata.
In ogni caso questo sistema recupera anche gas caldi in pressione, quello che non avviene nel Sistema Brayton Aperto in Pressione.


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Grazie ragazzi per gli innumerevoli interventi...

Domanda,
ma il catalizzatore in uno scania come in questo caso sarebbe posto dopo la prima turbina. quindi non pregiudicherebbe le temperature.

Sbaglio o ometto qualcosa? (come al solito) :-)

Originariamente inviata da Nuke

Grazie ragazzi per gli innumerevoli interventi...

Domanda,
ma il catalizzatore in uno scania come in questo caso sarebbe posto dopo la prima turbina. quindi non pregiudicherebbe le temperature.

Sbaglio o ometto qualcosa? (come al solito) :-)

Sì, la prima turbina del Brayton Depresso, quella calda per capirci, sarebbe quella dello scarico, ma è assolutamente necessario che la seconda turbina, quella fredda, sia solidale col movimento della turbina calda.
Solo Scania può farlo, non certo noi, poveri mortali....

http://www.energeticambiente.it/atta...1&d=1275926320

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Originariamente inviata da rampa

Sì, la prima turbina del Brayton Depresso, quella calda per capirci, sarebbe quella dello scarico, ma è assolutamente necessario che la seconda turbina, quella fredda, sia solidale col movimento della turbina calda.
Solo Scania può farlo, non certo noi, poveri mortali....

http://www.energeticambiente.it/atta...1&d=1275926320

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Cito una persona che conosci..

Non sapeva che era un'impresa impossibile e per questo ci è riuscito.

Bè, Scania è Scania, però anche noi italiani abbiamo realizzato il turbocompound. I primi progetti risalgono a 20 anni fà e furono fatti in collaborazione tra l'Iveco ed il CNR. Non è mai stato generalizzato perchè alla fine il progresso dell'iniezione ha portato i Diesel a consumare sempre meno.
E' vero che il beneficio del compound sarebbe stato comunque aggiuntivo....
Ma se riesci a soddisfare l'aspettativa del cliente con l'impianto di iniezione, che devi comuqnue aggiornare per via delle emissioni, non ci metti anche un compound che costa tantissimo. E, ovviamente come diceva forse E. Ferrari, quello che non c'è non rischia di rompersi.
E' pur vero che negli ultimi 4 anni si è assistito ad una aggiunta di contenuti nei motore da fare spavento. E' l'effetto della presa di coscienza ambientale. Oggi i clienti sono disposti a pagare per avere certe cose. I tempi sono maturi per un motore con sistema di recupero dell'energia termica dello scarico.
Infatti ci stanno lavorando un poco tutti.
Stranamente, per i problemi di regolazione che comporta, c'è un orientamento generale verso l'ORC o il vapore.
Mentre un ciclo brayton, in pressione o in depressione, dopo essere stato studiato a lungo in passato (insieme agli stirling anche) non sembra al momento il favorito.
Ma a mio modesto modo di vedere è solo perchè c'è una grande paura per la durata in efficienza degli scambiatori gas - gas a causa del particolato emesso dai diesel.

... su questo tipo di motore si dovrebbe scatenare la fantasia costruttiva di tutti i partecipanti al forum.
Io avrei in mente almeno una mezza dozzina di applicazioni pratiche interessantissime e anche originali... e realizzabili molto facilmente spendendo veramente poco...

Sparale tutte!

il forum serve a questo, poi qualcuno che le testa lo trovi!
Io ad esempio sono spinto da 2 fattori uno mi piace smanettare 20%
l'altro risparmio/guadagno 80%...

Domanda a proposito del Compressore solidale alla turbina, sarebbe meccanicamente più semplice collegarlo agli ingranaggi in uscita del Compound
non deve avere lo stesso numero di giri deve solo avere la giusta portata, giust?

...Il 7-8% è realistico come media, con punte del 10% al regime di progetto.
Però il Turbocompound è solo il primo gradino.
Infatti con il ciclo in depressione si può sfruttare ancora un pezzo in più.
Collegando un compressore alla turbina del compound che ricomprima i gas di scarico, oviamente con interposto uno scambiatore di calore che ne porti la temperatura prossima a quella ambiente, si riesce a sfruttare un salto entalpico ulteriore. Difficile dire quanto a priori, dipende dai parametri del ciclo scelto, ma forse un ulteriore 5% è alla portata...

Se un turbocompound modificato rende dal 12% al 15%, conviene rispetto a un ORC che rende il 10%. se l'investimento è simile!

Ho letto un po' di fisica in giro ,ma mi puoi spiegare meglio il salto entalpico come agisce sulla turbina?
Crea depressione quindi semplicemente diminuisce la forza che devono fare i gas per far ruotare la turbina?

Grazie

Una turbina, ma un pistone non è diverso, non sfrutta differenze di pressione ma di entalpia. Che potremmo definire, i termodinamici puri mi perdonino, come l'energia potenziale contenuta nel gas.
Ovvio che anche la pressione c'entra, ma molto conta anche la temperatura.
In realtà il principio l'ho già spiegato in un altro post. Ma "repetita juvant".
In una qualsiasi macchina a ciclo brayton il compressore e l'espansore lavorano sotto lo stesso salto di pressione ma a temperature medie molto diverse. Questa temperatura influisce sul volume specifico del gas.
L'espansore, lavorando ad alta temperatura e alto volume specifico del gas, dovrà essere un pistone più grande a pari portata. Ma maggior superficie del pistone vuol dire fora agente maggiore di quella resistente del compressore.
Il delta è la forza utile. Calcolato sull'intero giro è il lavoro utile.
In una turbina succede lo stesso. LA maggior portata volumetrica da smaltire nell'espansore caldo vuol dire velocità di efflusso superiori tra la palettatura. MA una corrente più veloce quando deviata cede più quantità di moto di quella che devo dare alla corrente nella girante del compressore. Il delta, come per i pistoni, è la coppia utile che tiene in moto la turbina.

Per i rendimenti.
Un ciclo brayton ben congegnato operante tra le temperature ambiente e 500 °C può sperare in un rendimento anche superiore al 25%. Un ORC difficilmente supera il 10. Però quando dico ben congegnato intendo un ciclo poco pratico per un veicolo in movimento che ha problemi di spazio e peso.
Un ORC è molto più compatto.
Però non può utilizzare tutto il calore disponibile, perchè il fluido organico a 360 - 380 °C si decompone, e dall'altra parte viene condensato con il liquido del radiatore che è a 90 °C. Ecco che si è perso per problemi tecnologici 200 dei quasi 500 °C di salto termico utile. Prima ancora di arrivare a ciclo.

$$$$$$ 25% $$$$$$$

Alcune considerazioni e domande.
Il sistema verrebbe applicato a un generatore quindi può essere ingombrante il necessario.
Il turbocompound scania farebbe la parte calda e la trasmissione del moto .
Lo scambiatore per fare 520 -> 20 deve essere grosso ma è fattibile.
Qui sorge spontanea la domanda perché la turbina fredda deve essere solidale?

La turbina fredda deve aspirare i gas freddi e comprimerli, se utilizzassi una turbina elettrica sono in commercio e non costano molto, si devo usare energia elettrica esterna ma avrei comunque usato l'energia meccanica della turbina calda.

Cosa ne dite?

Con il motore elettrico si può regolare la portata della pompa per la depressione con un semplice inverter.

l'energia motrice usata dal motore è la stessa che avrebbe dato l'albero solidale alla turbina calda.

Ecco lo schema del Bryton Generetore-Motore

Originariamente inviata da Nuke

...
La turbina fredda deve aspirare i gas freddi e comprimerli, se utilizzassi una turbina elettrica sono in commercio e non costano molto, si devo usare energia elettrica esterna ma avrei comunque usato l'energia meccanica della turbina calda.

Cosa ne dite?

Ogni passaggio da una forma energetica ad un'altra (movimento -> elettricità -> movimento) comporta una perdita entropica anche del 50-60% che rischia di annullare il vantaggio dell'impianto.