Autovettura idroelettrica con coppia periferica alle ruote.
Brevetto italiano n. 102016000087373 del 26/08/2016
ASTRATTO
Lo stato attuale dei mezzi di trasporto è stato influenzato dai motori termici, che hanno prevalso a causa dell’assenza di energie rinnovabili praticabili e di dimensioni ridotte. Ma l’invenzione della pompa a doppia alimentazione separata fino alla girante ha permesso l’invenzione dell’energia idroelettrica pressurizzata, con riciclo dell’acqua, che può sostituire i motori termici. Certamente è più ingombrante, ma immensamente più economico e non inquinante. Dal punto di vista dei mezzi di trasporto elettromeccanici che utilizzeranno l’energia idroelettrica pressurizzata, questi risultano semplificati, eliminando, oltre ai motori termici, il serbatoio del carburante, i silenziatori e i tubi di scarico, il sistema di raffreddamento del motore, gli alberi di trasmissione, gli ingranaggi di scambio, la frizione e il differenziale. Il sistema idroelettrico-elettronico che verrà utilizzato non necessita di combustibili e nemmeno di pesanti e costose batterie al litio con scarsa autonomia di navigazione, che comportano notevoli costi di smaltimento e l’utilizzo di materiali durante il processo di esaurimento. I mezzi di trasporto idroelettrici costeranno meno rispetto ai mezzi di trasporto esistenti, sia per l’assenza di molti dei componenti sopra menzionati, sia perché la trasmissione del moto tramite mezzi elettroelettronici è molto più economica di quella meccanica, senza compromettere la sicurezza stradale. Infatti, la trazione integrale può essere in serie, con ogni ruota motrice e controllata individualmente. Anche il controllo della velocità differenziale in curva e il sistema frenante (ABS) possono essere integrati nei motori che azionano le ruote, trasmettendo la coppia motrice alla periferia e non al centro delle ruote come nei veicoli attuali. Ciò consente di ridurre la potenza richiesta in base al rapporto di trasmissione tra la corona dentata montata sulla periferia del cerchione e il pignone accoppiato all’albero del motore elettrico che aziona la ruota, ma anche in base al braccio di trasmissione della forza, che coincide con il raggio del cerchione su cui è montato il pneumatico. Nel veicolo idroelettrico, la riduzione di potenza non è finalizzata al consumo energetico, poiché l’energia viene prodotta senza l’impiego di denaro per i combustibili, bensì alla riduzione delle dimensioni delle apparecchiature elettromeccaniche e, soprattutto, del volume dei serbatoi che verranno integrati nel mezzo di trasporto. Grazie alle pompe con doppia alimentazione separata fino alla girante, è possibile operare in condizioni di pressione di autoclave, senza dover ripristinare la pressione, immettendo nel circuito di riciclo dell’acqua l’acqua che ha prodotto energia, consumando una piccola parte dell’energia prodotta dal gruppo turbina-alternatore. Il controllo della trazione dei motori delle pompe e delle ruote motrici consente di gestire istante per istante l’energia da produrre in base al consumo richiesto dal veicolo.
DESCRIZIONE
Il mondo attende con ansia le energie rinnovabili, pulite e ad alto rendimento, rese possibili dalla scienza che ne è presto scaturita. Tutti si sono concentrati sullo studio di energie alternative come il nucleare, la trasformazione dell’idrogeno in combustibile, l’energia solare o eolica, l’energia idroelettrica con il salto idraulico. Ma queste energie non sono applicabili al trasporto pubblico, che produce un elevato inquinamento atmosferico urbano, il più dannoso per la vita umana. Attualmente, il problema del riscaldamento globale ha portato a una corsa incredibile tra le case automobilistiche per creare auto completamente elettriche o con motori ibridi, che, pur con costi elevati, affrontano solo parzialmente i problemi, sia ambientali che tecnici. Ma i mezzi di trasporto che utilizzano batterie si limitano a sostituire il motore principale, lasciando inalterata tutta la meccanica della trasmissione. Quindi non possiamo affermare che siano mezzi sostenibili, sia per l’alto costo delle batterie e delle auto, sia per i costi ambientali legati allo smaltimento delle batterie usate. Inoltre, le batterie non sono ancora pratiche, consentendo un’autonomia di cento chilometri e lunghe soste per la ricarica. Inoltre, le grandi centrali termoelettriche servono anche a ricaricare le batterie delle auto, pur continuando a essere incompatibili con l’ambiente, non solo per l’inquinamento atmosferico, ma anche per il calore necessario al riscaldamento dell’acqua di raffreddamento di turbine e condensatori. Non sono compatibili con l’ambiente nemmeno le grandi petroliere che solcano i mari e i grandi oleodotti. Anche l’energia biologica è energia termica, ma il problema è risolvere la riduzione della CO2, mentre le altre componenti inquinanti continuano a esistere, così come le reti di distribuzione elettrica che comportano ulteriori perdite di energia strutturali e costi considerevoli, oltre a problemi di sicurezza per le alte tensioni necessarie al trasporto. In aggiunta, l’interramento delle linee di trasmissione elettrica complica la costruzione di città moderne con linee metropolitane e sistemi di purificazione dell’acqua e dell’aria. Tutte queste incongruenze tecniche, energetiche, ambientali e machiavelliche potrebbero essere giustificate solo se esistesse un vantaggio economico nella produzione di energia termica, nucleare, biologica, solare o eolica, ma questo vantaggio esiste solo perché l’energia idroelettrica con riciclo dell’acqua non è mai stata prodotta, né in versione fissa né mobile. Sembra che nessuno voglia produrla, visto che nessuno ha investito un euro in questa direzione. Eppure l’energia idroelettrica con riciclo dell’acqua, anche senza fondi e sperimentazioni, si è diffusa nelle versioni fissa e mobile, praticamente perché, fino ad ora, le leggi della fisica e dell’idraulica non sono state utilizzate in tutti i loro possibili aspetti. Soprattutto, non si è tenuto conto della posizione dell’energia superficiale dell’acqua all’interno dello stesso bacino, dell’energia della pressione artificiale prodotta dall’aria compressa in un serbatoio, della circolazione interna in un volume d’acqua con un’alta pressione statica, che non risente di tale pressione, essendo l’acqua incomprimibile.È stato sufficiente studiare nuovi circuiti idraulici tenendo conto di questi elementi per cambiare completamente, in meglio, l’intero impianto industriale, civile e ambientale, anche se il mondo non se n’è accorto, perché coloro che hanno sbagliato la progettazione degli impianti, sia del presente che del passato, fingono di non capire, compresi il mondo scientifico e le grandi multinazionali. Per sfruttare con successo le risorse di aria e acqua è necessario intervenire simultaneamente su apparecchiature e pompe e, se si vuole anche produrre energia, includere anche il sistema di turbine idrauliche, che da oltre centocinquant’anni funziona in modo indipendente, sfruttando l’energia cinetica naturale. E ancor prima delle rudimentali turbine con pale di legno, per migliaia di anni hanno permesso di macinare il grano nei mulini. Ma queste soluzioni non hanno richiesto grande inventiva. L’auto idroelettrica dimostra semplicemente che il settore delle applicazioni idrauliche ha serie responsabilità nei confronti del riscaldamento globale, perché aveva la soluzione a portata di mano e non l’ha cercata, mentre l’industria termodinamica ha fatto ogni sforzo, ma non può fare miracoli ambientali se sbaglia i principi di base da sfruttare per produrre energia sostenibile e compatibile con l’ambiente. Le auto ibride e a batteria sono palliativi. Innanzitutto dovremo ammettere gli errori commessi da tutti gli esperti, compresi i responsabili delle politiche ambientali ed energetiche, e solo allora potremo avviare una nuova politica industriale, ambientale, energetica e dei trasporti.
Breve descrizione dei disegni
La FIG. 1 mostra la disposizione massima dell’impianto idroelettrico nel cofano motore dell’auto, dove sono visibili in particolare i dispositivi tecnici che hanno permesso di ridurre al minimo le dimensioni complessive. È particolarmente importante l’utilizzo di una pompa per pozzi impiegata come turbina, alimentandola in direzione opposta rispetto al senso di funzionamento della pompa (tutte le pompe azionate in senso contrario possono essere utilizzate come turbine), ma, in questo caso, una pompa sommersa consente di risparmiare molto spazio essendo inserita direttamente nel serbatoio da cui deve scaricare l’acqua da riciclare. Un’altra precauzione riguarda l’angolo di disposizione del generatore di corrente alternata, posizionato sopra, dopo che l’albero della pompa si è prolungato fino a fuoriuscire attraverso la curva di alimentazione mediante una boccola contenente un anello di tenuta meccanica o premistoppa. Anche per l’immissione dell’acqua nel serbatoio pressurizzato si utilizza una pompa con doppia alimentazione separata, ottenuta da una pompa monostadio per il pozzo, che permette di installarla in acqua, accoppiata ad angolo, tramite un deviatore a ingranaggi conici di 90 gradi, a un motore a corrente alternata, posizionato inferiormente, previa estensione dell’albero che passa attraverso la doppia curva di alimentazione tramite una boccola con tenuta meccanica o premistoppa. Probabilmente, queste soluzioni saranno universalizzate in tutti i mezzi di trasporto che utilizzeranno il motore idraulico, anche se avranno più spazio a disposizione: camion, autobus, treni, navi e aerei. A nessuno dispiace viaggiare senza consumare denaro per carburanti e oli lubrificanti, a prescindere dall’inquinamento.
La FIG. 2 mostra una sezione della pompa con doppia alimentazione separata fino alla girante, che permette un miracolo energetico collegando due diversi sistemi idraulici: uno generoso nella produzione di energia che utilizza l’energia dell’aria compressa sull’acqua e uno parsimonioso nella fase di recupero della stessa acqua (lp = bassa pressione), che viene immessa direttamente nella girante in rotazione, del circuito di ricircolo dell’acqua pressurizzata (hp = alta pressione) senza l’opposizione influenzata dalla pressione idrostatica.
La FIG. 3 mostra schematicamente la sezione di montaggio dell’albero (15) che non riceve più il movimento dal motore termico attraverso il cambio e il differenziale, ma sarà un semplice albero fisso, poiché la trasmissione avviene tramite il cerchio modificato, il motore 11, supportato dai supporti (13-14), collegato agli assi (16-17). Non è necessario entrare in altri dettagli in cui le case automobilistiche hanno una vasta esperienza per trovare le soluzioni più adatte.
Legenda delle FIG. 1, 2, 3 : (1) serbatoio pressurizzato in autoclave; (1.1) regolatore di livello con sonde capacitive; (1.2) valvola di sicurezza; (1.3) manometro con valvola di intercettazione; (1.4) controllo del flusso tramite valvola motorizzata con trasmettitore di posizione; (1.5) trasmettitore di pressione o flusso; (1.6) sonda di livello minimo nel sistema di avviamento; (2) pompa utilizzata come turbina (brevetto); (2.1) generatore di corrente alternata; (2.1.1) boccola con anello di tenuta; (2.1.2) deviatore angolare con ingranaggi conici; (2.1.3) albero di trasmissione; (2.1.4) tubo di protezione dell’albero di trasmissione; (2.1.5) doppia curva con separatori incrociati a setti in bassa pressione (LP) e alta pressione (hp); (2.1.6) separatori di flusso a setti; (2.1.7) tipo chiuso; (2.1.8) diffusore della pompa; (2.2) valvola motorizzata per alimentare la turbina con regolazione del flusso; (3) serbatoio di transito dell’acqua a pressione atmosferica e contenitore; (3.1) valvola motorizzata per alimentare la rete idrica pressurizzata; (3.2) valvola motorizzata di bypass per alimentazione a bassa pressione; (3.3) valvole di sfiato; (3.4) controllo del livello dell’acqua con sonde capacitive; (3.5) valvola motorizzata per alimentazione idrica a bassa pressione; (3.6) sonda di livello massimo nel sistema di avviamento; (4) pompa elettrica per alimentazione a bassa pressione; (5) pompa elettrica con doppia alimentazione separata fino alla girante; (6) motore di azionamento della pompa, a velocità variabile, controllato da un inverter; (7) doppia curva con separatori incrociati a setti in bassa pressione (LP) e alta pressione (HP); (7.1) setti per separatori di flusso; (8) valvola di ritegno; (9) tubo di derivazione del deviatore di flusso; (10) elettrocompressore; (11) motore autofrenante con giri variabili; (11.1) ingranaggi a ruota dentata; (12) cerchione; 12.1 corona dentata; (13) supporto motorizzato della ruota anteriore; (14) supporto motorizzato della ruota posteriore; (15) albero fisso; (15.1) cuscinetto; (15.2) flangia di montaggio del cerchione; 15.3 disco freno; (16) assale anteriore; (17) assale posteriore; (18) pannello di comando e controllo elettrico; (19) pompa di calore per l’aria condizionata estiva e invernale.
Nel mondo dell’ambiente e dell’energia sono necessarie anche invenzioni strategiche che attraversino tutti i settori, come la recente invenzione delle pompe con doppia alimentazione separata fino alla girante. Per comprendere il funzionamento di questo tipo di pompa, si può osservare la FIG. 2 e immaginare il centro della girante alimentato da quattro settori separati da un angolo di 90 gradi. Due sono alimentati a bassa pressione e due ad alta pressione, eventualmente disposti diagonalmente per bilanciare la spinta idraulica sui cuscinetti. Inoltre, osservando la FIG. 1, è necessario distinguere tra pressione statica e dinamica del sistema. La pressione statica è la pressione fornita dal cuscino d’aria compressa che, con la valvola (1.4) aperta, si diffonde sul lato destro della pompa con doppia alimentazione separata entrando anche nella girante. La pressione dinamica, o energia cinetica, è quella che fa circolare l’acqua all’interno dei tubi e dell’autoclave. In circuito aperto sul lato sinistro dell’autoclave. Per far circolare l’acqua è sufficiente aprire la valvola (2.2) e la pressione dell’aria farà circolare l’acqua nella turbina, ma la pressione dell’aria diminuisce man mano che espande il volume d’aria e l’acqua esce dal circuito. Mentre per far circolare l’acqua sul lato destro della pompa con la doppia alimentazione separata fino alla girante, è necessario aprire la valvola (1.4) e muovere la pompa poiché la pressione statica riempie già l’intero circuito, arrivando anche alla girante, ma senza il movimento della pompa l’acqua non circola per ovvie ragioni. Tuttavia, è sufficiente fornire alla pompa la prevalenza di pochi cm di colonna d’acqua per superare la perdita di pressione della valvola di ritegno, poiché la pressione statica non si oppone all’energia cinetica sviluppata internamente al volume d’acqua immagazzinato. Quindi, possiamo avere una pressione statica di 12 bar e una pressione dinamica di 0,25 bar. Ma il movimento sul lato destro (guardando la FIG. 1) non produce energia, essendo solo un riciclo interno nel volume d’acqua immagazzinato. Per produrre energia dobbiamo utilizzare il circuito sul lato sinistro dell’autoclave passando attraverso la pompa utilizzata come turbina (2) e immettere con un basso costo energetico l’acqua libera da pressione statica nel serbatoio dell’autoclave, che lo stato attuale dell’arte richiede una pompa con una prevalenza che vince la pressione statica e la caduta di pressione, quindi una prevalenza più alta a 12,5 bar. Questo è il motivo per cui l’energia idroelettrica con riciclo dell’acqua non è mai stata prodotta. Con la pompa con doppia alimentazione separata fino alla girante possiamo realizzare questa applicazione con un costo energetico molto basso che sembra impossibile, perché provenendo dal lato di aspirazione della pompa che è già pieno di acqua pressurizzata staticamente dall’autoclave, otteniamo intorno all’opposizione di pressione idrostatica, come se fosse una circolazione interna al volume d’acqua pressurizzato. Infatti, il tubo di aspirazione della pompa,che proviene dal lato sinistro (aperto) e dal lato destro (chiuso) è diviso in quattro settori fissi e separati (come si vede dalla FIG.2), quindi, quando la girante ruota, spinge verso l’autoclave l’acqua presente nella girante e produce in ogni quarto del settore del tubo di alimentazione una depressione che favorisce l’ingresso dell’acqua nella girante sia dal lato destro, sia dal lato sinistro. Non appena l’acqua in ingresso viene coinvolta dall’accelerazione centrifuga verso la periferia, prodotta dalle pale della girante che è proporzionale al quadrato della velocità angolare e al raggio di rotazione, secondo coefficienti che dipendono dal tipo di girante. Ma la caratteristica importante della pompa con doppia alimentazione separata è che la rotazione costringe la girante a ricevere in successione, nello stesso quarto della girante, l’acqua aspirata dai quattro settori separati. Non simultaneamente, come nel caso delle pompe che hanno una sola alimentazione. Pertanto, l’acqua del circuito aperto (senza pressione statica) e l’acqua del circuito chiuso (con la pressione statica dell’autoclave) si alternano nello stesso punto e nella stessa direzione (verso l’uscita della girante). Questo funzionamento implica che le portate si sommano, mentre la pressione totale (statica più dinamica) si distribuisce sull’intera sezione di uscita, secondo il principio di Pascal. Ovviamente, poiché la pressione statica viene trasmessa solo dal lato destro del sistema, per evitare cali di pressione nella pompa con doppia alimentazione separata, le sezioni di passaggio devono essere dimensionate per la trasmissione dell’intera portata e pressione. Questa semplice modifica della pompa permette di recuperare con costi infinitesimali l’acqua che ha prodotto energia nella pompa utilizzata come turbina idraulica, situata sul lato sinistro del sistema, e di reintrodurla nel circuito di ricircolo dell’acqua pressurizzata del serbatoio, senza che si verifichi il calo di pressione dovuto all’espansione del cuscino d’aria, che si verifica nelle normali autoclavi, il cui ripristino richiederebbe energia sia dalle pompe che dai compressori. In realtà, il sistema dell’autoclave non è nato per produrre energia, ma per limitare il numero di avviamenti dei motori delle pompe, fornendo per alcuni minuti al sistema idraulico, che consuma acqua, il volume d’acqua immagazzinato mediante l’espansione del cuscino d’aria. È ovvio che lo stesso sistema può essere utilizzato per produrre energia se l’acqua esce dal circuito dell’autoclave (per produrre energia) e vi ritorna simultaneamente da un altro ingresso, senza modificarne il volume interno. Ovviamente, il ritorno dell’acqua in un’autoclave pressurizzata non deve avvenire con la forza di una pompa multistadio, che consuma più energia di quanta ne produca, dando ragione agli scettici che ironicamente chiamano “moto perpetuo” l’energia idroelettrica con riciclo dell’acqua.Gli scettici avevano ragione solo perché mancava l’invenzione della pompa con doppia alimentazione separata fino alla girante. Infatti, se la separazione del flusso non raggiunge l’interno della girante e se questa non ruota, il sistema non funziona, affidandosi alla pressione dinamica per superare la pressione statica. Nel sistema idroelettrico dell’auto, la valvola (2.2), che alimenta la pompa utilizzata come turbina, deve essere rigorosamente chiusa quando l’auto non è in funzione, altrimenti non sussistono le condizioni per l’avvio del sistema. Nell’impianto idroelettrico dell’auto di FIG.1, espandiamo il cuscino d’aria solo nella fase di avviamento del motore idraulico, per ridurre i costi della batteria per l’avviamento e per un eventuale gruppo UPS trifase. Durante il normale funzionamento, l’acqua che esce dall’autoclave deve essere perfettamente in quantità uguale a quella che entra nella bocca sinistra della pompa con doppia alimentazione, senza fermarsi nel serbatoio (3) e senza accelerare il flusso, mentre la bocca destra è utilizzata solo per il riciclo dell’acqua pressurizzata dal cuscino d’aria (la pompa di riciclo funziona con una frequenza molto bassa solo per riciclare l’acqua nello stesso volume senza sollevare o aumentare la pressione del cuscino d’aria compressa). Oggi queste regolazioni sono possibili stabilendo a priori un limite all’oscillazione del livello dell’acqua nei due serbatoi affiancati, sia mediante la regolazione delle valvole, sia della velocità dei motori delle pompe, mentre la diminuzione della pressione dell’aria è regolata da un pressostato che aziona il compressore alla minima variazione. Pertanto, alle condizioni operative nominali, non essendoci variazione di volume dell’acqua nel serbatoio pressurizzato, non si verifica l’espansione del cuscino d’aria e quindi non viene consumata energia per comprimere il cuscino d’aria. Tuttavia, l’acqua che esce dall’autoclave riceve anche la pressione necessaria per produrre energia nella turbina. Ovviamente, l’assorbimento di energia non può essere completamente eliminato, ma consuma solo una piccolissima percentuale delle energie correnti assorbite dai sistemi idraulici necessari per sollevare l’acqua o comprimere i cuscini d’aria. Poiché i motori di azionamento delle pompe a velocità variabile, questo sistema può produrre l’energia che serve a un mezzo per trasportare un carico completo, a vuoto, nelle varie fasi di funzionamento, semplicemente premendo il pedale dell’acceleratore del veicolo. Infatti, l’unità di controllo (18) distribuisce il flusso di energia al circuito elettrico del mezzo di trasporto, che, nel caso di un’autovettura, è composto principalmente da due o quattro motori a corrente alternata (11) trifase o monofase, dalla pompa di calore per il condizionamento estivo e invernale e dai circuiti ausiliari in corrente continua a bassa tensione, che alimenta, in particolare la valvola che intercetta la turbina (2.2), la batteria di avviamento, di dimensioni leggermente superiori alle batterie attuali.facendo affidamento sulla pressione dinamica per superare la pressione statica. Nel sistema idroelettrico dell’auto, la valvola (2.2), che alimenta la pompa utilizzata come turbina, deve essere rigorosamente chiusa quando l’auto non è in funzione, altrimenti non sussistono le condizioni per l’avvio del sistema. Nell’impianto idroelettrico dell’auto di FIG.1, espandiamo il cuscino d’aria solo nella fase di avviamento del motore idraulico, per ridurre i costi della batteria per l’avviamento e per un eventuale gruppo UPS trifase. Durante il normale funzionamento, l’acqua che esce dall’autoclave deve essere perfettamente in quantità uguale a quella che entra nella bocca sinistra della pompa con doppia alimentazione, senza fermarsi nel serbatoio (3) e senza accelerare il flusso, mentre la bocca destra viene utilizzata solo per il riciclo dell’acqua pressurizzata dal cuscino d’aria (la pompa di riciclo funziona con una frequenza molto bassa semplicemente per riciclare l’acqua nello stesso volume senza sollevare o vincere la pressione del cuscino d’aria compressa). Oggi queste regolazioni sono possibili stabilendo a priori un limite all’oscillazione del livello dell’acqua nei due serbatoi affiancati, tramite la regolazione delle valvole o della velocità dei motori delle pompe, mentre la diminuzione della pressione dell’aria è regolata da un pressostato che aziona il compressore alla minima variazione. Pertanto, nelle condizioni operative nominali, non essendoci variazione di volume dell’acqua nel serbatoio pressurizzato, non si verifica l’espansione del cuscino d’aria e, di conseguenza, non viene consumata energia per comprimerlo. Tuttavia, l’acqua che esce dall’autoclave riceve anche la pressione necessaria per produrre energia nella turbina. Ovviamente, l’assorbimento di energia non può essere completamente eliminato, ma consuma solo una piccolissima percentuale delle energie correnti assorbite dai sistemi idraulici che devono sollevare l’acqua o comprimere i cuscini d’aria. Poiché i motori di azionamento delle pompe a velocità variabile, questo sistema può produrre l’energia che serve per trasportare un carico completo, a vuoto, nelle varie fasi operative, semplicemente premendo il pedale dell’acceleratore del veicolo. Infatti, l’unità di controllo (18) distribuisce il flusso di energia al circuito elettrico del mezzo di trasporto, che, nel caso di un’autovettura, è composto principalmente da due o quattro motori a corrente alternata (11) trifase o monofase, dalla pompa di calore per il condizionamento estivo e invernale e da circuiti ausiliari in corrente continua a bassa tensione, che alimentano, in particolare la valvola che intercetta la turbina (2.2), la batteria di avviamento, di dimensioni leggermente superiori alle batterie attuali.facendo affidamento sulla pressione dinamica per superare la pressione statica. Nel sistema idroelettrico dell’auto, la valvola (2.2), che alimenta la pompa utilizzata come turbina, deve essere rigorosamente chiusa quando l’auto non è in funzione, altrimenti non sussistono le condizioni per l’avvio del sistema. Nell’impianto idroelettrico dell’auto di FIG.1, espandiamo il cuscino d’aria solo nella fase di avviamento del motore idraulico, per ridurre i costi della batteria per l’avviamento e per un eventuale gruppo UPS trifase. Durante il normale funzionamento, l’acqua che esce dall’autoclave deve essere perfettamente in quantità uguale a quella che entra nella bocca sinistra della pompa con doppia alimentazione, senza fermarsi nel serbatoio (3) e senza accelerare il flusso, mentre la bocca destra viene utilizzata solo per il riciclo dell’acqua pressurizzata dal cuscino d’aria (la pompa di riciclo funziona con una frequenza molto bassa semplicemente per riciclare l’acqua nello stesso volume senza sollevare o vincere la pressione del cuscino d’aria compressa). Oggi queste regolazioni sono possibili stabilendo a priori un limite all’oscillazione del livello dell’acqua nei due serbatoi affiancati, tramite la regolazione delle valvole o della velocità dei motori delle pompe, mentre la diminuzione della pressione dell’aria è regolata da un pressostato che aziona il compressore alla minima variazione. Pertanto, nelle condizioni operative nominali, non essendoci variazione di volume dell’acqua nel serbatoio pressurizzato, non si verifica l’espansione del cuscino d’aria e, di conseguenza, non viene consumata energia per comprimerlo. Tuttavia, l’acqua che esce dall’autoclave riceve anche la pressione necessaria per produrre energia nella turbina. Ovviamente, l’assorbimento di energia non può essere completamente eliminato, ma consuma solo una piccolissima percentuale delle energie correnti assorbite dai sistemi idraulici che devono sollevare l’acqua o comprimere i cuscini d’aria. Poiché i motori di azionamento delle pompe a velocità variabile, questo sistema può produrre l’energia che serve per trasportare un carico completo, a vuoto, nelle varie fasi operative, semplicemente premendo il pedale dell’acceleratore del veicolo. Infatti, l’unità di controllo (18) distribuisce il flusso di energia al circuito elettrico del mezzo di trasporto, che, nel caso di un’autovettura, è composto principalmente da due o quattro motori a corrente alternata (11) trifase o monofase, dalla pompa di calore per il condizionamento estivo e invernale e da circuiti ausiliari in corrente continua a bassa tensione, che alimentano, in particolare la valvola che intercetta la turbina (2.2), la batteria di avviamento, di dimensioni leggermente superiori alle batterie attuali.per ridurre i costi delle batterie per l’avviamento e l’eventuale gruppo UPS trifase. Durante il normale funzionamento, l’acqua in uscita dall’autoclave deve essere perfettamente in quantità uguale a quella che entra nella bocca sinistra della pompa con doppia alimentazione, senza fermarsi nel serbatoio (3) e senza accelerare il flusso, mentre la bocca destra viene utilizzata solo per il riciclo dell’acqua pressurizzata dal cuscino d’aria (la pompa di riciclo funziona con una frequenza molto bassa solo per riciclare l’acqua nello stesso volume senza sollevare o vincere la pressione del cuscino d’aria compressa). Oggi queste regolazioni sono possibili stabilendo a priori un limite all’oscillazione del livello dell’acqua nei due serbatoi affiancati, sia mediante la regolazione delle valvole, sia della velocità dei motori delle pompe, mentre la diminuzione della pressione dell’aria è regolata da un pressostato che aziona il compressore alla minima variazione. Pertanto, alle condizioni operative nominali, non essendoci variazione di volume dell’acqua nel serbatoio pressurizzato, non si verifica espansione del cuscino d’aria e quindi non viene consumata energia per comprimere il cuscino d’aria. Tuttavia, l’acqua che esce dall’autoclave riceve anche la pressione necessaria per produrre energia nella turbina. Ovviamente, l’assorbimento di energia non può essere completamente eliminato, ma consuma solo una piccolissima percentuale delle energie correnti assorbite dai sistemi idraulici che devono sollevare l’acqua o comprimere i cuscini d’aria. Poiché i motori di azionamento delle pompe a velocità variabile, questo sistema può produrre l’energia che serve a un mezzo per trasportare un carico pieno, a vuoto, nelle varie fasi di funzionamento, semplicemente premendo il pedale dell’acceleratore del veicolo. Infatti, l’unità di controllo (18) distribuisce il flusso di energia al circuito elettrico del mezzo di trasporto, che, nel caso di un’autovettura, è composto principalmente da due o quattro motori a corrente alternata (11) trifase o monofase, dalla pompa di calore per il condizionamento estivo e invernale e da circuiti ausiliari in corrente continua a bassa tensione, che alimenta, in particolare la valvola che intercetta la turbina (2.2), la batteria di avviamento, di dimensioni leggermente superiori alle batterie attuali.per ridurre i costi delle batterie per l’avviamento e l’eventuale gruppo UPS trifase. Durante il normale funzionamento, l’acqua in uscita dall’autoclave deve essere perfettamente in quantità uguale a quella che entra nella bocca sinistra della pompa con doppia alimentazione, senza fermarsi nel serbatoio (3) e senza accelerare il flusso, mentre la bocca destra viene utilizzata solo per il riciclo dell’acqua pressurizzata dal cuscino d’aria (la pompa di riciclo funziona con una frequenza molto bassa solo per riciclare l’acqua nello stesso volume senza sollevare o vincere la pressione del cuscino d’aria compressa). Oggi queste regolazioni sono possibili stabilendo a priori un limite all’oscillazione del livello dell’acqua nei due serbatoi affiancati, sia mediante la regolazione delle valvole, sia della velocità dei motori delle pompe, mentre la diminuzione della pressione dell’aria è regolata da un pressostato che aziona il compressore alla minima variazione. Pertanto, alle condizioni operative nominali, non essendoci variazione di volume dell’acqua nel serbatoio pressurizzato, non si verifica espansione del cuscino d’aria e quindi non viene consumata energia per comprimere il cuscino d’aria. Tuttavia, l’acqua che esce dall’autoclave riceve anche la pressione necessaria per produrre energia nella turbina. Ovviamente, l’assorbimento di energia non può essere completamente eliminato, ma consuma solo una piccolissima percentuale delle energie correnti assorbite dai sistemi idraulici che devono sollevare l’acqua o comprimere i cuscini d’aria. Poiché i motori di azionamento delle pompe a velocità variabile, questo sistema può produrre l’energia che serve a un mezzo per trasportare un carico pieno, a vuoto, nelle varie fasi di funzionamento, semplicemente premendo il pedale dell’acceleratore del veicolo. Infatti, l’unità di controllo (18) distribuisce il flusso di energia al circuito elettrico del mezzo di trasporto, che, nel caso di un’autovettura, è composto principalmente da due o quattro motori a corrente alternata (11) trifase o monofase, dalla pompa di calore per il condizionamento estivo e invernale e da circuiti ausiliari in corrente continua a bassa tensione, che alimenta, in particolare la valvola che intercetta la turbina (2.2), la batteria di avviamento, di dimensioni leggermente superiori alle batterie attuali.mentre la diminuzione della pressione dell’aria è regolata da un pressostato che aziona il compressore alla minima variazione. Pertanto, alle condizioni operative nominali, non si verifica alcuna variazione del volume d’acqua nel serbatoio pressurizzato, non si verifica l’espansione del cuscino d’aria e quindi non viene consumata energia per comprimerlo. Tuttavia, l’acqua che esce dall’autoclave riceve anche la pressione necessaria per produrre energia nella turbina. Ovviamente, l’assorbimento di energia non può essere completamente eliminato, ma consuma solo una piccolissima percentuale dell’energia attualmente assorbita dai sistemi idraulici che devono sollevare l’acqua o comprimere i cuscini d’aria. Poiché i motori di azionamento delle pompe a velocità variabile, questo sistema può produrre l’energia che serve per trasportare un carico completo, a vuoto, nelle varie fasi operative, semplicemente premendo il pedale dell’acceleratore del veicolo. Infatti, l’unità di controllo (18) distribuisce il flusso di energia al circuito elettrico del mezzo di trasporto, che, nel caso di un’autovettura, è composto principalmente da due o quattro motori a corrente alternata (11) trifase o monofase, dalla pompa di calore per il condizionamento estivo e invernale e da circuiti ausiliari in corrente continua a bassa tensione, che alimentano, in particolare la valvola che intercetta la turbina (2.2), la batteria di avviamento, di dimensioni leggermente superiori alle batterie attuali.mentre la diminuzione della pressione dell’aria è regolata da un pressostato che aziona il compressore alla minima variazione. Pertanto, alle condizioni operative nominali, non si verifica alcuna variazione del volume d’acqua nel serbatoio pressurizzato, non si verifica l’espansione del cuscino d’aria e quindi non viene consumata energia per comprimerlo. Tuttavia, l’acqua che esce dall’autoclave riceve anche la pressione necessaria per produrre energia nella turbina. Ovviamente, l’assorbimento di energia non può essere completamente eliminato, ma consuma solo una piccolissima percentuale dell’energia attualmente assorbita dai sistemi idraulici che devono sollevare l’acqua o comprimere i cuscini d’aria. Poiché i motori di azionamento delle pompe a velocità variabile, questo sistema può produrre l’energia che serve per trasportare un carico completo, a vuoto, nelle varie fasi operative, semplicemente premendo il pedale dell’acceleratore del veicolo. Infatti, l’unità di controllo (18) distribuisce il flusso di energia al circuito elettrico del mezzo di trasporto, che, nel caso di un’autovettura, è composto principalmente da due o quattro motori a corrente alternata (11) trifase o monofase, dalla pompa di calore per il condizionamento estivo e invernale e da circuiti ausiliari in corrente continua a bassa tensione, che alimentano, in particolare la valvola che intercetta la turbina (2.2), la batteria di avviamento, di dimensioni leggermente superiori alle batterie attuali.
La Fig. 3 mostra in modo molto schematico la trasmissione del movimento alle ruote motrici in un’auto a propulsione idroelettrica, dove la coppia viene applicata alla periferia di ciascun cerchione, per mezzo di una trasmissione a denti cilindrici tra un anello (12.1) e un ingranaggio (11.1). La parte fissa della trasmissione sarà il nuovo supporto del motore di azionamento della ruota anteriore (13) e posteriore (14 nel caso di trazione integrale). Questo supporto è a forma di semidisco, funge anche da involucro protettivo della trasmissione a ingranaggi e assicura la stessa oscillazione delle ruote correnti, regolando la convergenza, il collegamento con il sistema di sterzo e la sospensione, la flangia su cui è montato il motore elettrico (11) che porta il pignone (11.1), ed è attraversato dall’albero (15) con la rotazione del cuscinetto che porta il disco del freno, la flangia su cui è montato il cerchio (12) che è supportato a sbalzo dall’asse anteriore (16), dotato di un telaio articolato per consentire raggi di sterzata minimi, o posteriore rigido dall’asse.
Questa modifica del sistema di trasmissione del movimento consente di eliminare il cambio con differenziale relativo, poiché la riduzione dei giri della ruota rispetto al motore avverrà tramite il rapporto di trasmissione tra la corona dentata, integrata nel cerchione, e il motore asincrono trifase frenante che aziona il distributore. È inoltre consigliabile aumentare il diametro delle ruote, in quanto ciò ridurrebbe ulteriormente l’ingombro e il costo dell’impianto idroelettrico. A titolo di esempio, con un diametro primitivo di circa 600 mm e quello della corona di 200 mm, abbiamo un rapporto di riduzione dei giri del motore pari a 3. Ma ciò che è ancora più importante è il fatto che applicando la forza motrice sul diametro primitivo del cerchione e non sull’asse della ruota (come avviene attualmente), si moltiplica la coppia al braccio di trasmissione, riducendo quindi a 1/3 la forza necessaria per la trasmissione del movimento, e poiché la parte gommata della ruota a pieno carico è alta 10 cm dove si applica la coppia resistente, si migliora anche l’accelerazione del mezzo di trasporto con un basso numero di giri e coppia.
Se partiamo da un motore elettrico a due poli che compie 2840 giri al minuto, la velocità massima del dispositivo ruota sarà di 946,6 giri al minuto, con un diametro esterno delle ruote con pneumatici di 0,8 m (2,512 m) di circonferenza, abbiamo una velocità oraria massima di 2378 m/min, equivalente a 142,6 km/h. Con il sistema attuale, che ha gli ingranaggi di trasmissione collegati al motore centrale del valore della potenza trasmessa è sempre lo stesso per qualsiasi marcia, sia sul motore che sulle ruote motrici; questo è dovuto al fatto che la potenza è data dalla coppia dal numero di giri e dalla coppia resistente e sono applicate sullo stesso asse di rotazione per cui la coppia aumenta quando il numero di giri diminuisce e viceversa. Con la trasmissione elettrica, regolata con inverter, la potenza trasmessa non è costante ma graduale, inoltre, l’applicazione della forza motrice di un braccio rotante che si avvicina al braccio resistente, che è applicato sul battistrada del pneumatico, riduce globalmente l’assorbimento totale, sia al minimo che al massimo dei giri.
Effettuando un calcolo approssimativo delle forze che si oppongono al movimento delle pale gommate, per un veicolo a pieno carico del peso di 2000 kg, si possono ottenere i seguenti valori:
Resistenza al rotolamento su asfalto (20 kg / 1000 kg) = 40 kg;
Resistenza aerodinamica (formula di Eiffel) K * S * V2, dove k = 0,0054 per v = 142 km / h S = 2 m2 = 218 kg
resistenza d’inerzia per la presunta accelerazione di 1 m/s² (1000 * 1/2 * t * g ka), dove ka = 1,2 = 244 kg
Considerando la resistenza totale al movimento calcolata in kg 502 (40 + 218 + 244), calcolare la potenza totale necessaria alla traslazione P = F * v (m / s) / 1000 in kW = 39,44 * 502/1000 = 19, 8 kW.
Questo calcolo è coerente con le potenze delle auto elettriche con batterie al litio che le case automobilistiche stanno immettendo sul mercato. Si nota una differenza sostanziale rispetto al corrispondente motore a combustione interna dello stesso modello di auto, la cui potenza è circa quattro o cinque volte superiore a quella della batteria. Questa differenza è in parte dovuta al fatto che, per ragioni di costo, le prestazioni dell’auto elettrica vengono limitate, ma è soprattutto dovuta alla bassa efficienza dei motori termici, che si attesta intorno al 35% del potere calorifico inferiore del combustibile.
Pertanto, si può affermare che i motori termici sono pratici da realizzare ma inquinanti e con bassi rendimenti. Le auto elettriche, invece, avendo una scarsa autonomia, sono poco pratiche e costose. Siamo ancora agli inizi per quanto riguarda le auto idroelettriche, che potrebbero offrire i migliori risultati dal punto di vista ambientale ed energetico, poiché, come già accennato, non richiedono combustibili e la potenza elettrica installata può essere significativamente ridotta applicando la coppia alla periferia dei cerchi delle ruote e aumentandone il diametro, diminuendo così i costi delle apparecchiature energetiche e le dimensioni della centrale idroelettrica.
Supponiamo di realizzare un piccolo impianto con autoclave pressurizzata che produce energia per l’auto del peso di 2000 kg, ipotizzata sopra, mediante un generatore di corrente alternata (2.1) accoppiato a una pompa utilizzata come turbina (pat.), in grado di produrre l’energia calcolata sopra. Che, come scritto sopra, applicata alla periferia dei cerchioni con una trasmissione a ingranaggi e motori elettrici, si riduce a 1/3 di quella calcolata (19,8 / 3) = 6,6 kW.
Ipotizzando di realizzare un veicolo a quattro ruote motrici, applicheremo a ciascuna ruota un freno costituito da un motore asincrono trifase bipolare da 2,2 kW con freno in corrente continua. Il freno è alimentato da un raddrizzatore alloggiato all’interno della morsettiera. Il raddrizzatore è dotato di dispositivi di protezione contro le sovratensioni. La ventola di raffreddamento è posizionata nella parte posteriore del motore. Le caratteristiche salienti dei motori autofrenanti con freno in corrente continua sono l’estrema silenziosità in frenata e la progressività in fase di avviamento e arresto del motore. Ciò consente di controllare le ruote in ogni occasione tramite i motori e di prevenire il surriscaldamento dei dischi freno, che intervengono solo in caso di emergenza. I motori autofrenanti sono particolarmente adatti ad essere alimentati da un inverter, nel nostro caso dotato di doppia proiezione dell’albero e di un dispositivo di rilevamento della velocità e della posizione angolare (encoder), per integrare le funzioni necessarie al sistema frenante ABS e al differenziale di velocità in curva, che oggi vengono realizzate, certamente con costi più elevati, separatamente, su ruote rotanti e freno. In realtà, i piccoli motori di trazione da 2,2 kW con una coppia frenante di circa 20 Nm non sono certamente in grado di frenare la massa in movimento di un mezzo di trasporto di T2, quindi, l’attuale sistema frenante deve essere mantenuto, ma i piccoli rallentamenti e le piccole frenate possono essere gestiti da questi motori, che consentono accelerazioni e decelerazioni graduali. Inoltre, essendo collegati direttamente alla rotazione di ciascuna ruota del veicolo, l’elettronica di controllo dell’ABS può essere trasferita nella stessa, così come il controllo della velocità delle ruote in curva. In effetti, avere sensori di controllo elettronico sparsi tra parti meccaniche non è molto funzionale. Ed è certamente meglio collocarli nei motori elettrici, che possono essere facilmente sostituiti e revisionati.
La protezione delle bobine può essere spinta fino alla resistenza all’immersione (IP67) a seconda dell’uso previsto per il veicolo. L’impianto idroelettrico che verrà abbinato a questo mezzo di trasporto produrrà circa 10 kW/h per maggiori margini di sicurezza nelle prestazioni. Quindi, una potenza installata inferiore alla metà di un’auto elettrica, costi inferiori e un’autonomia praticamente illimitata. Inoltre, l’auto diventa uno strumento incredibile per il lavoro e il tempo libero, fungendo anche da generatore mobile.
Per realizzare la centrale idroelettrica, le scelte possono essere molteplici, ma sfruttiamo un cuscino d’aria pressurizzato di 120 m di colonna d’acqua e una pompa elettrica utilizzata come turbina con una portata di 12,5 L/s. Ipotizzando una resa di 0,70, applicando la formula Pu = η * Q * Hu / 102, otteniamo una potenza di 10,29 kW (0,70 * 12,5 * 120/102).
Assegnando alla pompa con doppia alimentazione separata una prevalenza di 1,0 m e una portata di 0,6, la potenza assorbita dalla stessa, che determina un flusso doppio rispetto a quello che entra nella turbina, è calcolata con la formula 1 * 25/102 * 0, 6 = 0,40 kW. Mentre la pompa di circolazione aggiuntiva (3,6), con una portata pari alla metà, supposta con la stessa portata e prevalenza, assorbe metà dell’energia calcolata per la pompa di doppia alimentazione (0,20 kW). In questo caso il rapporto tra spesa energetica e portata è 17,15 (10,29 / 0,60).
In effetti, le perdite di carico nelle valvole, nella turbina, nei componenti speciali e le perdite in uscita vengono tutte assorbite dalle pressioni dinamiche che si sviluppano nelle tubazioni che alimentano la pompa sotto una pressione idrostatica positiva, da entrambi i lati, mentre in scarico non si registrano perdite di carico apprezzabili, non superando il livello dell’acqua (che è incomprimibile). Non c’è da stupirsi, visto che i gas compressi sono accumulatori di energia più potenti, flessibili e convenienti per l’accumulo di energia elettrica. Si comprende facilmente che, grazie al cuscinetto d’aria compressa e alla bassa potenza richiesta dai motori delle valvole e dalle pompe, è molto semplice avviare il sistema senza motorino d’avviamento. La partenza sarà però un po’ più lenta, dovendo eseguire più operazioni prima dell’avvio del sistema di produzione di energia. Ma questo avviene solo al primo avviamento, dopodiché non è necessario arrestare il motore idroelettrico ad ogni piccola stazione, non si consuma carburante e non si produce inquinamento. Se lasciamo il motore in movimento, aumentiamo solo le ore di funzionamento di pompe, motori, turbine e alternatori e l’usura meccanica. Come scritto sopra, l’avviamento del motore idroelettrico avviene tramite l’espansione del cuscino d’aria, ma se il volume d’acqua che può accumularsi non è sufficiente a superare completamente il passaggio allo schema dell’alternatore, il sistema è integrato con un gruppo UPS trifase (UPS) con batteria, raddrizzatore, alternatore, caricato dall’energia prodotta durante l’esercizio. Infatti, durante la fase di avviamento, il circuito di controllo del sistema, fa eccezione alla regola e permette l’espansione del cuscino d’aria, fino a un livello minimo (1.6) utilizzando l’acqua accumulata tra i due livelli per avviare gradualmente la rotazione della turbina, mentre la valvola (2.2) con un motore a corrente continua si apre. Quando l’acqua raggiunge il livello minimo (1.6), calcolato in modo che l’acqua non riempia completamente il serbatoio (3), controllato dal livello massimo (3.6), si aprono anche le valvole (1.4 e 3.5) e si arrestano le due pompe (4 e 5). Quando l’impianto è operativo, gradualmente il sistema di controllo porta il livello dell’acqua nel serbatoio pressurizzato alla posizione nominale (1.1), variando la velocità della pompa e la posizione delle valvole, per consentire di effettuare facilmente un nuovo riavvio del veicolo.
Nella fase di funzionamento a regime, il cuscino d’aria, dopo il recupero al livello superiore, controllato dal regolatore (1.1), non si espande, quindi tutta l’acqua ritorna nell’autoclave attraverso i due ingressi della pompa a doppia alimentazione separata. Infatti, la doppia alimentazione separata fino alla girante, consente di avere portate molto simili mediante la regolazione delle valvole (1.4, 2.2, 3.5) e dei giri della pompa (4), nonostante la differenza di pressione statica esistente in alimentazione. Pertanto, possiamo stimare che il 50% della portata totale della pompa a doppia alimentazione separata (5) passi dal lato destro (ovvero un semplice ricircolo) e il 50% dal lato sinistro (attraverso la pompa utilizzata come turbina), producendo energia. Infatti, la turbina scarica l’acqua nel serbatoio (3), da cui, la pompa a bassa pressione (4), la valvola di ritegno (8), il deviatore di flusso a stelo (9), la doppia curva con deflettori di separazione, alimentano il lato sinistro della pompa a doppia alimentazione separata (5). La spesa energetica fornita alla pompa (4), stimata di seguito, non è quella che sarebbe necessaria se avessimo utilizzato i soliti circuiti idraulici ed elettrici e per riportare l’acqua nell’autoclave, ma solo quella per raggiungere l’acqua nella girante della pompa con doppia alimentazione. Chi porterà l’acqua all’interno dell’autoclave è il circuito sul lato destro della pompa, dove le pressioni statiche di aspirazione e mandata sono in equilibrio e quindi la direzione del flusso d’acqua dipende solo dalla rotazione della girante. Di conseguenza, anche l’acqua che viene dal lato sinistro si inserisce in questo flusso, non solo perché la girante è comune, ma anche perché le partizioni (2.1.6) che arrivano a sovrapporre il profilo della girante, agiscono come valvola anti-riflusso. Inoltre, la rotazione entra in ogni quarto del settore di crociera mostrato in FIG. 2 in successione d’acqua ad alta e bassa pressione (hp + lp) che, avendo la stessa direzione, si sommano e non si contrastano, anche in conformità con la legge di Pascal che afferma che la pressione si espande in tutte le direzioni (quando è statica). Quando si verifica un flusso unidirezionale, condizionato dalla rotazione di una pompa, le pareti dei tubi e delle valvole di ritegno sono costrette ad espandersi a causa della pressione dinamica nella direzione del flusso.
La Figura 1 illustra schematicamente una configurazione realistica di questo sistema su un’automobile, allo stato attuale, reperendo sul mercato gli elementi necessari per la costruzione artigianale del motore idraulico e la relativa trasformazione della trasmissione del moto alle ruote motrici. L’impianto idraulico è supportato da una struttura fissa (non visibile nel disegno) Autonoma, collegata alla carrozzeria dell’auto. Infatti, a differenza del motore termico, il motore idraulico non deve trasmettere sollecitazioni meccaniche. Le forze meccaniche della trasmissione sono concentrate solo in prossimità delle ruote motrici e dell’asse collegato alla carrozzeria tramite ammortizzatori e supporti antivibranti.
Ovviamente, producendo pompe, turbine e valvole specificamente per il settore dei trasporti in tempi brevi, si otterranno soluzioni meno complesse. I margini di miglioramento sono moltissimi, grazie all’utilizzo di materiali di qualità superiore e a pressioni di esercizio selezionate caso per caso.
Supponiamo di creare un piccolo motore idroelettrico che produce energia per mezzo di un generatore CA (2.1) accoppiato a una pompa utilizzata come turbina (pat.), sfruttando l’altezza utile Hu = 400 m e una pompa a doppia alimentazione DN 65 con portata 7,5 L/s. Ipotizzando un rendimento della turbina pari a 0,6, applicando la formula Pu = η * 1000 * Q * Hu / 102, otteniamo una potenza di 17,6 kW (0,6 * 1000 * 0,0075 * 40/102). Assegnando alla pompa una prevalenza di 1,0 m e una resa di 0,6, la potenza assorbita dalla stessa, che determina un flusso doppio rispetto a quello che entra nella turbina, è calcolata con la formula 1,0 * 1000 * 0,015 / 102 * 0, 6 = 0,244 kW. Mentre la pompa di circolazione aggiuntiva (3.4), con una portata pari alla metà, supposta con la stessa resa e prevalenza assorbe metà dell’energia calcolata per la pompa di alimentazione doppia (0,122 kW). In questo caso il rapporto tra spesa energetica e resa è 48,08 (17,6 / 0, 366).
Se si divide il rapporto tra spesa energetica e rendimento per l’efficienza media dell’energia termica si ottiene il rapporto di convenienza tra l’energia idroelettrica compressa e l’energia termica che è pari a 137,39 (48,08 / 0, 35). Escludendo il costo del combustibile, la maggiore complessità meccanica, la filtrazione dei gas di scarico, ecc.
D’altro canto, la produzione in serie su larga scala che coinvolge il settore dei trasporti ha già fatto miracoli, raggiungendo un certo livello di qualità dei componenti, studiato anche in funzione del ridotto spazio disponibile nel cofano motore.
Gli unici problemi che l’industria non è stata in grado di risolvere erano l’azzeramento della CO2, la rimozione delle particelle fini e le spese relative ai combustibili coinvolti. Il motore idroelettrico ha risolto questi serissimi problemi irrisolvibili per i motori termici prima ancora della loro nascita. Come scritto sopra, anche se può sembrare impossibile, questo sistema produce energia senza consumare acqua che ricircola tra i due serbatoi. Invece, consuma una piccola quantità di aria compressa, che solubilizzata nell’acqua dell’autoclave, viene rilasciata nell’atmosfera quando l’acqua viene sfiatata alla pressione atmosferica nel serbatoio (3), ma questo fenomeno è quantificabile in milligrammi per litro di acqua gassosa (azoto, ossigeno, CO2) secondo la legge di Dalton di cui sono riportate di seguito le formule principali (estratte dalla letteratura scientifica) e considerazioni personali che spiegano i concetti, senza considerare i meriti dei calcoli:
In effetti, in una miscela di gas ideali contenuta in un volume V e alla temperatura T, le molecole di ciascun gas si comportano indipendentemente dalle altre; di conseguenza, la pressione esercitata dalla miscela gassosa sulle pareti del contenitore e sulla superficie dell’acqua è data da: dove R è una costante pari a 0,0821; , … rappresentano il numero di moli di ciascun componente della miscela. Questa legge è valida nelle condizioni in cui è valida la legge dei gas ideali; è approssimata a pressioni moderate, ma diventa sempre più precisa man mano che la pressione diminuisce. Definendo la frazione molare come il rapporto tra il numero di moli dell’i-esimo componente e il numero totale di moli presenti: si ottiene che in una miscela di gas ideali, la pressione parziale di ciascun componente è data dalla pressione totale moltiplicata per la frazione molare di quel componente: .
In sostanza, per ogni gas presente nell’aria è possibile calcolare la percentuale di solubilità in acqua alla pressione di esercizio, ma a fini pratici, l’energia necessaria per comprimere l’aria sarà una spesa minima, poiché l’aria compressa, non uscendo mai dal volume del serbatoio (1), presenta solo piccole fluttuazioni di pressione e, una volta raggiunto il punto di saturazione, non discioglie ulteriore aria. Il consumo è dovuto alla minore solubilità in acqua del gas a pressione atmosferica. Infatti, quando l’acqua attraversa il serbatoio (3), dotato di sfiati, rilascia una piccola porzione d’aria, che diventa insolubile alla pressione atmosferica, attraverso lo sfiato (3.3). Ma, ovviamente, i tempi di transito in questo serbatoio sono molto brevi e il processo di espulsione completa dell’aria non può avvenire, perché il gas ricade immediatamente nel serbatoio dell’acqua (1) dove non può fuoriuscire dalla superficie dell’acqua, tornando alle condizioni di massima solubilità.
Ovviamente, per mantenere costanti i livelli dell’acqua nei due serbatoi è necessaria una gestione computerizzata del grado di apertura delle valvole motorizzate (1,4 – 2,2 – 3,5), di cui almeno quella che alimenta la turbina deve essere alimentata a 24 volt CC, essendo azionata anche nella fase iniziale di avviamento del sistema, quando l’impianto non produce energia.
Il cuore del veicolo idroelettrico è la pompa con doppia alimentazione separata fino alla girante (5) mostrata in FIG. 2, senza la quale non sarebbe possibile aggirare la pressione dell’autoclave (1). Ma è importante anche il modo in cui alimenta la pompa, che deve partire da una certa distanza dalla pompa stessa, in modo che nella sezione di ingresso della pompa siano presenti quattro flussi separati, di cui due ad alta pressione (hp) e due a bassa pressione (lp), eventualmente disposti diagonalmente. Affinché questa separazione dei flussi possa avvenire, è necessario che a partire dai condotti di deviazione del flusso (9) la doppia curva con deflettori di separazione (7) riceva già il flusso canalizzato nella posizione corretta, in modo che possa attraversarli, alimentando le quattro aree interne alla girante nel modo corretto. Quindi, le semicurve del particolare (7) utilizzando solo metà della sezione di passaggio, già disposta diagonalmente, che fluiscono in una sola sezione di ingresso della pompa già divisa in quattro settori senza interruzione di flusso fino alle pale della girante, che in questa applicazione sarà chiusa. Nell’impianto proposto la prevalenza della pompa da assegnare alla pompa con doppia alimentazione separata, serve a superare la resistenza della valvola di ritegno (8) e a includere, insieme all’acqua riciclata, tutta l’acqua che esce dal circuito aperto (che passa attraverso la turbina) di nuovo nel serbatoio (1). Pertanto la pompa con doppia alimentazione separata (5) svolge cinque funzioni:
1. consentire alla bassa pressione dell’acqua del lato sinistro, spinta dalla pompa (4), di entrare nella girante della pompa di alimentazione doppia separata fino alla girante (5);
2. consentire la circolazione dell’acqua ad alta pressione statica sul lato destro che non circola senza la rotazione della girante, poiché la pressione a monte e a valle della pompa non sarebbe in equilibrio statico;
3. consentire la somma dei due flussi separati nella girante rotante (che non si uniscono, ma si susseguono in ogni quarto della sezione di ingresso per ogni giro della girante);
4. consentire l’espansione della pressione totale proveniente dal lato destro nel corpo della pompa secondo il principio di Pascal (Sebbene la pressione statica sia in equilibrio, la dinamica prodotta dalla pompa con doppia alimentazione separata, consente la circolazione dell’acqua all’interno del volume d’acqua accumulato con una piccola prevalenza della pompa, poiché la mandata della pompa e l’aspirazione coincidono almeno su una delle due bocche di aspirazione. Pertanto, la pressione dinamica prodotta dalla pompa si somma a quella statica e si espande nella direzione del flusso, spingendo anche l’acqua proveniente dal lato sinistro della pompa con alimentazione separata, che da sola non avrebbe la forza di entrare e attraversare l’autoclave.
5. consentono di superare la perdita di pressione della valvola di ritegno (8) con la prevalenza della pompa che dipende dal tipo di girante e corpo pompa utilizzati.
Se queste cinque operazioni hanno luogo, come scritto sopra, non varia il volume d’acqua all’interno del serbatoio pressurizzato. Pertanto, non dovremmo ripristinare la pressione del cuscino d’aria e, essendo i percorsi più brevi, non abbiamo un apprezzabile calo di pressione fisso, a parte quelli che produciamo spontaneamente per regolare la portata e i livelli attraverso la chiusura delle valvole durante l’avviamento e a bassa velocità e coppia. Nessuna di queste funzioni richiede una perdita di carico precisa, a parte la valvola di ritegno (8), che dipende dalla velocità dell’acqua e al massimo può essere fino a 0,5 m, quindi nel calcolo indicativo della potenza assorbita delle pompe (4 e 5) durante il normale servizio è stato previsto per la prevalenza di 1 m di colonna d’acqua, stimando un assorbimento medio, rispettivamente di 0,20 e 0,40 kW, che non è la potenza installata, ovviamente superiore, avendo le pompe a velocità variabile affrontano anche condizioni di assorbimento maggiori e minori. Tuttavia, il valore indica che con una piccola quantità di energia consumata dall’impianto, è possibile sviluppare e consumare un’energia molto maggiore rispetto all’utilizzo di diversi regimi idraulici e dell’unità di accumulo di energia che è il cuscino d’aria. Questo sistema non è contemplato da nessuna teoria di scienziati come Eulero, Bernoulli, Newton, Stokes, Leibniz, Heisenberg, Carnot, Fick, Hamilton, che in tanti hanno legiferato sulle leggi della conservazione dell’energia e si riferiscono a sistemi isolati, meccanici, idraulici, termici, chimici, fisici.
Si può affermare che il motore idraulico è un’applicazione pratica che rispetta questi principi, ma al tempo stesso ne supera i limiti, creando un sistema aperto che trasferisce energia da un sistema all’altro, senza giungere alle energie di massa molto più potenti, ma difficili da controllare per l’uomo, iniziate, a partire dagli studi di Einstein.
Applicabilità industriale. Queste considerazioni tecniche ottimistiche sulla produzione di energia che alcuni definiscono “prodotta dal nulla”, non sono speranze ma certezze, supportate dalla stessa tecnica costruttiva delle pompe idrauliche, in particolare quelle multistadio con girante chiusa, utilizzate in questa applicazione, sia con funzione di turbina, sia con funzione di pompa con doppia alimentazione separata fino alla girante. Infatti, la tecnica costruttiva di tali pompe e la precisione di lavorazione consentono di realizzare pompe con una prevalenza fino a cento bar. Non è necessario arrivare a questi valori, ma ciò dimostra quanto affermato in questa descrizione, ovvero che la rotazione della girante svolge la funzione anti-riflusso dal lato sinistro della pompa con doppia alimentazione separata (FIG. 1), alimentata con la pressione statica inferiore. In effetti, nelle attuali pompe multistadio, non si potrebbero raggiungere le pressioni ottenute se la girante rotante e la precisione di lavorazione non fossero in grado di svolgere una potente funzione anti-riflusso, poiché le perdite d’acqua attraverso i giunti di accoppiamento tra le parti fisse e rotanti impedirebbero l’aumento di pressione da uno stadio all’altro. Pertanto, implicitamente, abbiamo già la conferma di un recupero dell’acqua efficace e a costi molto bassi, reintroducendola nel serbatoio pressurizzato, seguendo il percorso della seconda bocca di aspirazione separata fino alla girante, mentre l’altra bocca ricicla l’acqua con una prevalenza manometrica molto bassa, dotata di alta pressione statica, utilizzando la stessa girante. Per quanto sopra, si può affermare che non esiste al mondo un’applicazione più valida dal punto di vista industriale ed economico. Inoltre, è necessario fare alcune semplici considerazioni sui ritorni tra l’attuale sistema termomeccanico-elettronico applicato al trasporto mobile e l’idraulico-elettrico-meccanico-elettronico che mira a realizzare il trasporto del futuro. prestazioni peggiori. Inoltre, dal punto di vista economico, la trasmissione di energia elettrica è molto più economica di una trasmissione meccanica, ma si ottengono ulteriori risparmi sulla trasmissione della coppia, che può essere trasferita alla periferia delle ruote motrici, con conseguente riduzione della potenza installata dell’80% rispetto alla potenza termica, come indicato nei calcoli energetici precedenti.
Pertanto, tutti i risparmi ottenibili con la semplificazione meccanica e il dispositivo di trasmissione della coppia, alla fine, portano non solo a ridurre i costi, ma anche a diminuire il principale difetto della soluzione idroelettrica, ossia le dimensioni dell’impianto, in particolare dei serbatoi destinati al contenimento dell’acqua e dell’aria compressa.
Come illustrato nella FIG. 1, che mostra un’auto che potrebbe assomigliare a un SUV (Sport Utility Vehicle), l’attuale configurazione degli impianti idroelettrici, necessaria per alimentare un motore idroelettrico, non consente l’utilizzo di veicoli con spazi ridotti. In futuro, i SUV e altri veicoli terrestri, oltre al serbatoio del gasolio e al relativo circuito di alimentazione, elimineranno anche i silenziatori di scarico, il cambio e il differenziale. Tutte le ruote potranno diventare a trazione indipendente, con una regolazione della velocità ampia e lineare. Il peso dell’impianto idroelettrico sarà in gran parte compensato dall’eliminazione delle parti meccaniche. In caso di incidente, si eliminerà il rischio di fuoriuscita di carburante dal serbatoio. Pertanto, si potrebbe affermare che, oltre ai vantaggi in termini di consumo energetico, si otterrebbero benefici anche dal punto di vista ambientale, economico e della sicurezza.
Ciò che ha permesso di ridurre le dimensioni del sistema e di integrarlo nel cofano di un’auto è stata l’idea di ridurre la potenza richiesta mediante il dispositivo di trazione applicato ai cerchioni, a cui si è aggiunta l’idea di utilizzare pompe sommerse come turbine e pompe con doppia alimentazione separata, anch’esse sommergibili, che possono essere inserite nel volume d’acqua immagazzinato a pressione atmosferica e pressurizzata. Si è rivelata inoltre molto efficace l’idea di accoppiare pompe e turbine tramite deviatori con ingranaggi conici angolari, per ridurre l’altezza degli impianti. Senza tali soluzioni non sarebbe stato possibile presentare questa domanda di brevetto, a meno che l’impianto non avesse occupato una parte considerevole dell’abitacolo.
Al momento, mentre non sono ancora disponibili sul mercato gli elementi principali necessari per produrre questo tipo di trasporto, la Figura 1 dimostra che, anche con la tecnologia attuale, non specificamente progettata, l’auto idroelettrica non è un’utopia, ma una soluzione più concreta, pratica ed economica rispetto alle auto attualmente in circolazione e a quelle che l’industria automobilistica intende immettere sul mercato, poiché il problema principale dell’auto e dei trasporti in generale era ed è la fonte di energia, che deve essere pulita e sostenibile.
Molte altre misure che verranno sviluppate dalle case automobilistiche consentiranno di ridurre ulteriormente le dimensioni degli impianti idroelettrici che sostituiranno l’energia termica, rendendo così l’auto idroelettrica ancora più accettabile dal punto di vista estetico.
Prima che il mondo intero basasse il suo sviluppo energetico sui combustibili fossili, era necessario garantire che non esistessero soluzioni migliori. Oggi bisogna trovare il coraggio di cambiare, anche da parte delle case automobilistiche. Non si può fingere che questa invenzione non esista, come sta accadendo da parte dei produttori di energia e degli operatori idrici, pubblici e privati, che non ammettono errori, tacciono sulle versioni fisse, non pressurizzate, applicazioni idrauliche che utilizzano pompe con doppia alimentazione separata fino alla girante, anche per produrre energia durante la fase di sollevamento dell’acqua, sia per la distribuzione, sia per difendere i territori dalle inondazioni, sia per la desalinizzazione, sia per la depurazione. Troppe persone importanti fingono di volere progressi nella pulizia dell’ambiente e nell’economia sostenibile, invece lavorano contro. Non è stato realizzato né finanziato alcun progetto descritto sul sito https://www.spawhe.eu perché Spawhe è il sito di un pensionato, senza politica, economia, e propone soluzioni globali che tagliano le lobby monodisciplinari, scientifiche e tecnologiche, che non cooperano tra loro, ma lavorano insieme per nascondere le soluzioni trasversali per lasciare le cose come stanno. Ma come dimostra questa domanda di brevetto, anche un’automobile può diventare un impianto globale e sostenibile, scegliendo trasversalmente le soluzioni necessarie. Come disse Frederick Taylor, che potrebbe essere definito il padre dell’industria moderna: “Ci sono molti modi per produrre un oggetto, ma solo uno è il migliore”. Questo concetto dovrebbe essere esteso soprattutto alla scelta delle invenzioni strategiche trasversali, trascurate dall’avvento dell’era industriale.