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Discussione: Come trasformare un motore d'auto dismesso in una macchina a vapore di Watt

  1. #1
    Appassionato/a

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    Predefinito Come trasformare un motore d'auto dismesso in una macchina a vapore di Watt



    Tenendo conto che:

    1-la legna è il combustibile con il prezzo più basso disponibile sul mercato italiano (sino a 44 kwh/euro quella da riscaldamento in commercio al dettaglio)

    2-molte falegnamerie di medie o grandi dimensioni ogni giorno producono quintali o tonnellate di legname di scarto, e le vendono a prezzo ridotto, soprattutto durante i mesi non freddi e lontani dall'inverno, che c'è calo della richiesta e perciò del mercato.

    3-l'energia elettrica prodotta grazie a combustione di legna, in quanto biomassa, gode della tariffa incentivante per le FER del GSE (0,22 euro/Kwh)

    ho immaginato di convertire un vecchio motore automobilistico dismesso (del valore di 1-2 centinaia di euro) in una macchina a vapore a stantuffi, ipotizzando di raggiungere una potenza utile di 100 kw, con la quale azionare un alternatore elettrico di corrispondente potenza.

    Prima di tutto, dovrei modificare gli alberi a camme, per avere 2 distinti tempi al posto di 4 (1° tempo: espansione con valvola di aspirazione aperta; 2° tempo: scarico con valvola di scarico aperta, come negli stantuffi dei vecchi treni a vapore). Niente incroci ovviamente.
    Si dovrebbe sostituire tutta la testata (con relativa distribuzione) con una creata ad hoc, rinforzata in maniera da reggere alla pressione di decine di bar del vapore pompato dentro il motore, e ovviamente in acciaio inox, per evitare la corrosione, e ribassata, per ridurre al minimo possibile la cilindrata reale al pms... per evitare fenomeni di corrosione del vapore acqueo ad alta temperatura, sarebbero da usare pistoni e fasce elastiche in acciaio inox aisi316L, e rifare pure le canne dei cilindri in materiale anticorrosione, o riportando del materiale, andando a ridurre l'alesaggio, o rialesando, asportando materiale tramite fresatura con centro di lavoro, e poi riportando all'alesaggio originario con delle nuove canne, da saldare al blocco motore (in questo caso i materiali sono compatibilissimi per la saldatura).
    La molla che tiene chiusa la valvola di aspirazione forse andrebbe ridimensionata e aumentata di coefficiente elastico, perchè altrimenti la pressione del vapore nei condotti di aspirazione me la potrebbe aprire quando non voglio... anche se allo stesso tempo, penso che la pressione in fase di scarico (cioè quando deve restare chiusa) dovrebbe tenerla bella premuta su in sede, perciò la mia è solo ipotesi...

    Come alimentare tale macchina?

    Semplice, mi farei costruire una piccola caldaia da una società specializzata in carpenteria per uso pressione e temperatura di mia conoscenza: l'alimentazione sarebbe a legna, ovviamente, e la produzione sarebbe di vapore a tot gradi ed almeno qualche decina di bar (so che la PME in un motore stradale si aggira attorno ai 15 bar).
    Inoltre, come d'obbligo per migliorare notevolmente l'efficienza finale del processo, sfrutterei la cogenerazione relativa alla caldaia, pre-riscaldando l'acqua di alimentazione con il calore dei camini, facendola scorrere dentro una apposita intercapedine del tipo tubo-dentro-tubo.
    Da calcolare e valutare anche l'energia dispersa nell'ambiente con gli scarichi della macchina a vapore, ed eventualmente, modificare le condotte di scarico, per cedere calore ad un unico bacino di acqua di alimentazione, che, dalla temperatura iniziale alla quale me la fornisce l'acquedotto, mi recupera calore utile da diversi punti emananti calorie esauste del mio processo.
    Raffreddamento del basamento: immagino che in questo caso sia necessariamente da escludere, non essendo più motore a 4 tempi (e non lavorando più a temperature di 700-1100 °C). Anzi, isolerei tutto il basamento con materiale ceramico a spruzzo.
    L'acqua di alimentazione, prima di entrare nella caldaia, deve essere decalcificata completamente, per evitare formazioni calcaree.
    Presente la pompa re-invio della condensa dei camini in caldaia, e le obbligatorie valvole di sicurezza in diversi punti dell'impianto.
    Per migliorare ulteriormente di pochi punti percentuali l'efficienza, sarebbe utile ricoprire con materiale ceramico a spruzzo tutte le superfici metalliche, per contenere sino l'ultima Kcal dentro il processo.

    Stima della potenza ottenuta:

    immaginando di usare un ex-diesel tdi 1900 cc da 136 cv a 4mila rpm (100 kw), a metà giri teoricamente mi dovrebbe dare ALMENO la stessa potenza, ma aumentando un pò la PME (entro i limiti di progettazione della caldaia) e tenendo conto dei minori attriti immagino che anche a 1300 rpm costanti mi potrebbe fornire i miei 100 kw... l'ideale sarebbe sempre un motore coi cilindri in linea (come i 6L dei camion e gruppi elettrogeni della Volvo), perchè la testata è una sola, gli alberi a camme uno solo, ed è più facile effettuarvi le modifiche ed eventuali manutenzioni... per una macchina a vapore a stantuffo, l'ideale sarebbe anche l'avere una corsa lunga, che i motori di serie non hanno (di solito sono quadri o superquadri), ma per fare questo si dovrebbero sostituire bielle e albero a gomiti, per aumentare la corsa: intervento possibile, se utilizzando un albero motore da commercio con diverso diametro del gomito, o ottenuto per fusione ad hoc... in ogni caso, ritengo che 100 kw ad un regime costante siano ottenibili dalla "carcassa" di un comune 4 cilindri automobilistico, se alimentato con vapore a 20 bar.
    Alternatore da commercio, con specifiche per immettere i Kwh prodotti nella rete nazionale, e sovradimensionato (così come il contatore), per eventuali surplus di potenza.
    Ancora più facile fare lo stesso gioco con un gruppo elettrogeno usato di dimensioni medie, con il suo alternatore già abbinato.

    Che ne pensate??

    ps. allego rapido foglio di calcolo excel per le stime del caso... non dovrebbero esserci errori... se ci sono, è stata la fretta...

    http://img4.imageshack.us/img4/3085/100kwd.jpg

    da notare che ho tenuto conto di un'efficienza di solo il 20%, e di un prezzo della legna al dettaglio.
    Ultima modifica di Lasko; 16-11-2009 a 17:24

  2. #2
    Pietra Miliare

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    Thumbs up il Watt

    quarda che venti bar sono pochi,prima di sparare calcoli devi sapere esattamente la PME del motore che segli, oggi girano anche oltre 17-20, che tradotti in pressione di scoppio equivalgono qualcosa come 150 bar, sono andato a spanne, ma credo di averti indirrizzato bene, saluti

  3. #3
    Seguace

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    Un rendimento del 20% mi sembra un po'ottimistico, non sarebbe più semplice usare una cascata di turbine (anche da camion)? o forse meglio ancora, visto che devi fare comunque tante modifiche passare a un motore ciclo stirling?
    Qualche video dei miei esperimenti li trovate su:
    http://it.youtube.com/user/alessiof76

  4. #4
    Monumento

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    [QUOTE=Lasko;119002203]Tenendo conto che:

    Sino al punto 3 ti seguo e in parte condivido , dopo temo che le mie conoscenze siano vaghe ma vedo delle pecche.
    1) I motori pluricilindrici a vapore erano costruiti con cilindri diversi in diametro per sfruttare almeno in parte il progressivo esaurimento dell'energia espansiva del vapore. In pratica ciò che adesso avviene in una turbina multistadio quasi senza soluzione di continuità , nei motori a vapore pluricilidrici avveniva a step.
    2) Non capisco bene come potresti utilizzare , anche modificandola , la testa di un diesel per ottenere la distribuzione e il passaggio da un cilindro all'altro del vapore nelle varie fasi.
    3) I vecchi motori pluricilidrici a vapore non raggiungevano rendimenti superiori al 20% nonstante tutti gli accorgimenti ( compresa una biella lunga come le gambe delle ballerine del crazy horse )
    Alla fine , per semplicità , penso che non otterrai risultati molto diversi se trasformerai un monocilindrico a corsa lunga o addirittura lo costruirai ex novo senza utilizzare dei quadri che con il vapore non hanno nulla da spartire. Forse è più appropriata l'idea della cascata di turbo, reggono la temperatura, hanno lubrificazione separata e lavorano già a pressioni ridotte ( 20 bar richiedono già una bella caldaia e rendono quasi nulla in un motore alternativo) . Forse per semplificazione , anche burocratica , ti converrebbe una caldaia a olio diatermico , uno scambiatore olio - vapore e un condensatore recuperatore.
    Ma magari ho sparato una fila di stupidaggini......

  5. #5
    Monumento

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    potrebbe anche funzionare, nel senso che riesci a far girare il motore; ma 20 bar dovrebbero corrispondere a poco più di 200 °C, il che vuol dire un rendimento ridicolo
    sinceramente penso che rischi di spendere un mucchio di soldi per poi non concludere niente

    ciao

  6. #6
    Appassionato/a

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    Quote Originariamente inviata da gordini-motori Visualizza il messaggio
    quarda che venti bar sono pochi,prima di sparare calcoli devi sapere esattamente la PME del motore che segli, oggi girano anche oltre 17-20, che tradotti in pressione di scoppio equivalgono qualcosa come 150 bar, sono andato a spanne, ma credo di averti indirrizzato bene, saluti
    che mi interessa della pressione di scoppio??

    guarda che spingere il pistone PER TUTTA LA SUA CORSA con la stessa forza per cm quadrato della PME, EQUIVALE alla stessa identica cosa che farlo partire da 150 bar al pms e farlo fermare magari a 1 bar al pmi!

    che mi interessa la pressione massima di scoppio?

    anzi, così è meglio, molto meglio, perchè posso far lavorare il motore con maggiore PME, senza andare oltre la PRESSIONE MASSIMA per la quale è progettato!

    se un Volvo Penta lavora con 20 bar di PME, e 100 di massima, e io ne uso per tutta la corsa 40 di bar, quindi 40 di massima, restando ampiamente entro i margini di sicurezza per cui è dimensionato il motore, ho il doppio di coppia perciò di potenza in più!

    ovviamente, trascurando il vantaggio dell'andare a 2 tempi, con attriti ed inerzie dimezzati...

  7. #7
    Monumento

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    il problema è che poi devi scaricare vapore a 20 bar, in pratica "sprecandolo", ci hai pensato a questo?

    ciao

  8. #8
    Appassionato/a

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    Quote Originariamente inviata da AlessioF76 Visualizza il messaggio
    Un rendimento del 20% mi sembra un po'ottimistico, non sarebbe più semplice usare una cascata di turbine (anche da camion)? o forse meglio ancora, visto che devi fare comunque tante modifiche passare a un motore ciclo stirling?
    cioè, tu dici di far andare i fumi della combustione a legna direttamente ad alimentare la girante di un grosso turbocompressore da autotreno, smontato e privato del compressore affinchè rimanga solo la parte del turbo, e collegato coassialmente all'alternatore??
    oppure, anche con il compressore funzionante, a procurare aria forzata per alimentare la mia combustione dentro la caldaia?

    non è una brutta idea, anzi, OTTIMA, perchè un vecchio turbocompressore (magari non da 100 Kw) si trova per poco (nuovo penso costerebbe come una punto!), sarebbe già bello che pronto, non servirebbe nessuna produzione di vapore, e a parità di entalpia di alimentazione avrebbe rendimento già notevolmente migliore di un motore alternativo, però mi chiedo:

    come faccio a non far intasare di fuliggine e cenere le palette??
    devo mettere un filtro ai fumi della combustione di legna??
    ok che anche normale sono investite da co2 e impurità di tutti i tipi del gasolio.
    ok che a ripulirlo basta smontarlo, e non mi risulta sia una operazione troppo gravosa.

    sul discorso stirling:

    se c'è una cosa che so dello stirling, è che ha una efficienza misera, prossima al 5% (!!), e che, appunto per questo suo difetto cronico, viene usato solo quando il calore è di quello gratis, e inutilizzabile in maniera migliore... so che a volte fanno andare stirling con specchi che vi riflettono e concentrano il sole sulla parte calda... e poi, uno stirling da 100 kw potrebbe pesare anche diverse tonnellate... non dimentichiamoci che il regime rotatorio è di qualche decina di giri al minuto...
    Ultima modifica di Lasko; 16-11-2009 a 23:24

  9. #9
    Appassionato/a

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    Quote Originariamente inviata da primus71 Visualizza il messaggio
    il problema è che poi devi scaricare vapore a 20 bar, in pratica "sprecandolo", ci hai pensato a questo?

    ciao
    no, mi ci hai fatto pensare adesso tu... in tal caso, per recuperare quella spinta altrimenti andata persa, dovrei:

    1-far conformare la testata in maniera totalmente diversa, con condotti di scarico che portano da cilindro a cilindro

    2-modificare l'albero a gomiti

    3-modificare la fasatura

    tutto questo per avere la doppia espansione del vapore... per spiegarmi meglio:

    un pistone fa una corsa da 500 cc a 20 bar di PME, dopodichè, in fase di scarico non svuota il vapore nell'ambiente esterno, ma alimenta la corsa del pistone di fianco, con alesaggio uguale ma corsa doppia, ergo da 1000 cc, sulla falsariga di quanto avviene nel motore a 6 tempi, che usa i gas di una sola combusione per 2 fasi di espansione, recuperandone maggior lavoro utile:

    Motore a sei tempi - Wikipedia

    avrei un motore a 4 cilindri, ma con solo 2 entrate e 2 uscite del vapore...

    anche se l'idea di usare direttamente un grosso vecchio turbocompressore da camion come macchina per convertire l'entalpia dei fumi della combustione in lavoro utile (ovvero in rotazione dell'albero di un alternatore), e senza produzione di vapore di mezzo, mi ha già preso del tutto...
    Ultima modifica di Lasko; 16-11-2009 a 23:29

  10. #10
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    Quote Originariamente inviata da Lasko Visualizza il messaggio
    cioè, tu dici di far andare i fumi della legna direttamente ad alimentare la girante di un grosso turbocompressore da autotreno, smontato e privato del compressore affinchè rimanga solo la parte del turbo, e collegato coassialmente all'alternatore??

    ..
    se riesci a produrre energia così, mi sa che ti danno il nobel

    ciao

  11. #11
    Appassionato/a

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    Quote Originariamente inviata da Sulzer1 Visualizza il messaggio
    1) I motori pluricilindrici a vapore erano costruiti con cilindri diversi in diametro per sfruttare almeno in parte il progressivo esaurimento dell'energia espansiva del vapore. In pratica ciò che adesso avviene in una turbina multistadio quasi senza soluzione di continuità , nei motori a vapore pluricilidrici avveniva a step.
    nel commento precedente ho già risposto come modificherei il mio ex-motore per ottenere degli step di diversa pressione del vapore, e recuperare maggiore lavoro utile.


    Quote Originariamente inviata da Sulzer1 Visualizza il messaggio
    2) Non capisco bene come potresti utilizzare , anche modificandola , la testa di un diesel per ottenere la distribuzione e il passaggio da un cilindro all'altro del vapore nelle varie fasi.
    la avrei rifatta da zero, con le cavità ottenute tramite l'utilizzo di anime in terra da fonderia.
    alla fine mi bastava fare 2 ingressi in corrispondenza dei pistoni a minor capacità, 2 scarichi in corrispondenza di quelli a maggiore, e 2 "C" per portare vapore da un cilindro all'altro di fianco.
    poi, la doterei di 8 valvole disposte parallelamente all'asse dei cilindri, tutte allineate, con le sedi ottenute lavorando sulla superficie interna di una testata ribassatissima (entro i limiti di interferenza valvole/pistoni)... così, basta 1 solo albero a camme, fasato per azionarle tutte 8.
    mi sembra un lavoro relativamente semplice.
    Ultima modifica di Lasko; 16-11-2009 a 23:31

  12. #12
    Appassionato/a

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    Quote Originariamente inviata da primus71 Visualizza il messaggio
    se riesci a produrre energia così, mi sa che ti danno il nobel

    ciao
    lo danno a Stoccolma, vero??

  13. #13
    Monumento

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    si, se ti trovi a passare prendine pure uno x me

    ciao

  14. #14
    Appassionato/a

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    UPDATE:

    ho appena saputo che l'incentivo GSE per la produzione di energia elettrica da biomassa (dal legno) è salito a 0,28 euro/Kwh

  15. #15
    Monumento

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    sinceramente non credo che riesci a farci tanto

    ciao

  16. #16
    Seguace

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    Quote Originariamente inviata da Lasko Visualizza il messaggio
    cioè, tu dici di far andare i fumi della combustione a legna direttamente ad alimentare la girante di un grosso turbocompressore .....
    no così non si può fare
    sul discorso stirling:

    Quote Originariamente inviata da Lasko Visualizza il messaggio
    se c'è una cosa che so dello stirling, è che ha una efficienza misera, prossima al 5% (!!),

    sono gli stirling LTD che lavorano con 5 gradi di differenza che hanno rendimenti così bassi!!

    un motore stirlign dove il calore massimo di processo è di 500°C e il calore minimo del ciclo termodinamico è di 100°C avrà un'efficienza teorica del 51% circa, infatti in Kelvin si ha la seguente formula (773-373) / 773. Questo in una macchina perfetta..
    comunque è più facile portare l'aria a 500c° che non il vapore e non rischi esplosioni
    Qualche video dei miei esperimenti li trovate su:
    http://it.youtube.com/user/alessiof76

  17. #17
    Monumento

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    Quote Originariamente inviata da Lasko Visualizza il messaggio
    UPDATE:

    ho appena saputo che l'incentivo GSE per la produzione di energia elettrica da biomassa (dal legno) è salito a 0,28 euro/Kwh
    C'è da correre. vale solo sotto al Mwe e devi passare la IAFR , con il trabiccolo che ti stai immaginando chi ti da la marchiatura CE?

  18. #18
    Appassionato/a

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    Quote Originariamente inviata da AlessioF76 Visualizza il messaggio
    un motore stirlign dove il calore massimo di processo è di 500°C e il calore minimo del ciclo termodinamico è di 100°C avrà un'efficienza teorica del 51% circa, infatti in Kelvin si ha la seguente formula (773-373) / 773. Questo in una macchina perfetta..
    comunque è più facile portare l'aria a 500c° che non il vapore e non rischi esplosioni
    il 51%?? davvero?? anche se teorico, sarebbe tantissimo per un ciclo unico senza cogenerazione.
    però vorrei vedere quanto pesa uno stirling alpha da 100 Kw, e che dimensioni ha... anche se sarebbe cmq un ottima via percorribile, perchè mi elimina il problema di dover creare il vapore... devo solo riscaldare la parte calda dello stirling... e poi, quale sarebbe il gas o fluido ideale di riempimento??

    http://upload.wikimedia.org/wikipedi...a_Stirling.gif

  19. #19
    Appassionato/a

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    Quote Originariamente inviata da Sulzer1 Visualizza il messaggio
    con il trabiccolo che ti stai immaginando chi ti da la marchiatura CE?
    a me, come privato, nessuno.

    però, se faccio presentare il progetto dalla società di carpenteria speciale che dicevo prima, loro sono certificati al massimo, e hanno i mezzi per farsi dare qualsiasi omologazione... ovviamente, devono presentare il progetto con tutti i calcoli finiti del caso, con il margine di sicurezza richiesto dalla normativa di riferimento (tuv, ansi, api, ecc.).

    cmq si sta solo ipotizzando.
    volevo vedere cosa poteva nascere da una discussione come questa.

  20. #20
    Monumento

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    ma sai quali sono i costi di marchiatura di un prototipo?

  21. RAD
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