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Centrale a Gas Liquido

La figura rappresenta il principio di funzionamento di una centrale a gas liquido.

Dettagli costruttivi

La centrale è formata da un volume chiuso con involucro adeguatamente resistente alla pressione. L’intero volume si suddivide in tre parti: la caldaia, il pozzo e il condensatore. Tutto il volume contiene gas liquido allo stato di vapore saturo (p. es. gas propano). La quantità di gas presente è tale che oltre al gas sotto forma di vapore saturo, nella caldaia il gas è presente anche in forma liquida, in quantità adeguata.

Il dislivello tra caldaia e condensatore, quindi la profondità del pozzo, è determinante per la pressione presente alla turbina per liquido.

Nel passaggio tra il pozzo e il condensatore, il vapore di gas passa per una turbina a vapore a bassa pressione. Questa turbina serve per azionare il compressore di una pompa di calore.

Dal fondo del vano condensatore parte un tubo di pressione nel quale il gas condensato defluisce, in forma liquida, verso la caldaia. All’estremità bassa di questo tubo è applicata una turbina per liquido che viene azionata dal gas liquido, e la turbina a sua volta aziona un generatore elettrico.

Le pareti del pozzo sono ben isolate termicamente e non permettono alcuno scambio di calore con l’ambiente circostante. La caldaia e le pareti esterne del condensatore sono invece costruite in materiale con buona conduttività termica, pertanto permettono un agevole scambio di calore con l’ambiente esterno.

Funzionamento

Partiamo dal presupposto che tra la caldaia e il condensatore ci sia un notevole dislivello (ordine di grandezza: alcune centinaia di m).

Allora, sotto condizioni climatiche normali, l’ambiente che circonda la caldaia presenta una temperatura più elevata rispetto all’ambiente che circonda il condensatore. Il vapore di gas saturo che dalla caldaia raggiunge il condensatore, grazie all’isolamento termico, fino al momento del suo ingresso nel condensatore mantiene la stessa temperatura che aveva al momento di lasciare la caldaia. Quando il vapore entra nel condensatore, e a contatto con le sue pareti si raffredda. Pertanto parte del vapore condensa, e il liquido si raccoglie sul fondo del condensatore prima di defluire attraverso il tubo della condotta forzata. Azionando la turbina a liquido, il gas liquido si raccoglie infine sul fondo della caldaia dove il ciclo ricomincia. Quando nel condensatore il gas da vapore saturo passa nella forma liquida, il suo volume si riduce drasticamente (rapporto di 300 a 1 circa), provocando quindi una forte depressione nel condensatore. Questa depressione richiama ulteriore vapore di gas dal pozzo attraverso la turbina a vapore. In tal modo diminuisce anche la pressione nel pozzo e quindi nella caldaia, e una parte del gas liquido evapora, mentre il liquido rimanente si raffredda e quindi, attraverso le pareti della caldaia, può assorbire calore dall’ambiente esterno. In caso di disponibilità di calore di scarto, anche a soli pochi gradi sopra la temperatura ambiente, esso può essere impiegato per riscaldare ulteriormente le pareti della caldaia moltiplicando in tal modo la resa dell’impianto a parità di dimensioni.

Quando il vapore di gas, prima di entrare nel condensatore, attraversa la turbina a vapore a bassa pressione, il vapore fa girare la turbina. Questa trasmette il suo moto al compressore di una pompa di calore. La pompa di calore, attraverso il suo pannello freddo situato nel condensatore, raffredda ulteriormente il vano condensatore aumentando così la quantità di gas che condensa. Il calore sottratto al gas tramite il pannello freddo, nel pannello caldo della pompa di calore situato all’imbocco della turbina a bassa pressione, viene utilizzato per riscaldare ulteriormente il vapore, aumentando così contemporaneamente la resa della turbina e migliorando lo scambio di calore tra il gas e le pareti del condensatore.

L’energia meccanica prodotta dal gas liquido nella turbina, nel generatore da essa azionato è trasformata in energia elettrica ed è interamente disponibile come energia utile. La potenza meccanica della turbina, oltre che dalla quantità di gas liquido circolante per unità di tempo, dipende dal dislivello realizzabile.

Le ripercussioni sull’ambiente sono minime in quanto il gas rimane all’interno di un ambiente stagno, e non c’è combustione. Inoltre non sono necessari interventi devastanti nell’ambiente, necessari invece per esempio nella realizzazione di centrali idroelettriche. È infine possibile costruire tutto l’impianto sotto terra, sfruttando anche l’energia geotermica. Pozzi con una profondità di alcune migliaia di metri sono tecnicamente realizzabili, nelle miniere si sono fatte numerose esperienze di questo tipo.

Questo tipo di centrali elettriche può essere realizzato in prossimità dell’utente, pertanto si rendono superflue le linee di alta tensione che deturpano l’ambiente. Inoltre è ipotizzabile il ritorno alla corrente continua, con forte riduzione dello smog elettromagnetico a bassa frequenza causato da campi elettrici e magnetici alternati presenti in modo massiccio solo negli impianti elettrici a corrente alternata. Lo smog elettromagnetico ad alta frequenza è invece causato in massima parte dagli impianti di trasmissione radiotelevisivi e di telecomunicazioni (telefonini ecc.) e dovrà essere contenuto in altro modo.

Sperimento

Per provare il principio di funzionamento, avrete bisogno di: una bombola di gas propano piena, una bombola vuota, un tubo da gas lungo a sufficienza, un frigorifero.

Collegate il tubo direttamente, senza riduttore di pressione, alla bombola piena ed aprite per un attimo il rubinetto della stessa per espellere l'aria dal tubo. Collegate ora anche la bombola vuota al tubo. Portate la bombola vuota al piano di sopra o comunque più in alto rispetto a quella piena e mettetela in un posto freddo (p. es. dentro un frigorifero). La bombola piena deve stare in un posto più basso ma a temperatura più elevata rispetto a quella vuota.

Aprite i rubinetti delle due bombole ed aspettate. Dopo un certo tempo, che dipenderà dalla differenza di temperatura tra le due bombole, il gas si sarà trasferito completamente nella bombola posta in alto dentro l'ambiente freddo.

Potrete seguire il processo se appoggiate le due bombole sopra due bilance pesapersone.

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