Il cucchiaio non esiste

Salve a tutti. Sono nuovo del forum, nel senso che lo leggo spesso ma è la prima volta che scrivo.
Faccio i complimenti a renatore per l'impegno, ma ritengo che il motore non possa funzionare. C'e dietro un errore concettuale, di termodinamica per capirci. Un ciclo, ed il Bryton non a eccezione, è per definizione una evoluzione chiusa di un fluido che subisce una serie di trasformazioni per poi ripassare periodicamente al punto di partenza. I cicli di pratico utilizzo sono tipicamente a 4 trasformazioni. Se il ciclo viene percorso in senso orario è un ciclo motore che dallo spostamento di calore e dalla sua degradazione trae lavoro meccanico, diversamente è un ciclo frigorifero che assorbe lavoro meccanico e sposta calore rivalutandolo, cioè innalzandone la temperatura.
Il ciclo bryton consta di una compressione adiabatica, un riscaldamento isobaro, una espansione adiabatica ed un raffreddamento isobaro. Non ci si deve fare ingannare dai cilci aperti. L'atmosfera chiude il ciclo sostituendo lo scambiatore freddo. Infatti scarico gas caldi a pressione atmosferica e aspiro aria fresca alla stessa pressione. L'effetto pratico è lo stesso di uno scambiatore isobaro di raffreddamento.
Il motore di renatore funziona solo per il primo ciclo. Il compressore comprime l'aria. Questa si scalda per la compressione. Qui abbiamo la prima cosa che non va. L'aria calda passa per uno scambiatore di raffreddamento dove perde temperatura che poi gli si dovrà ridare nello scambiatore caldo. Se funzionasse avrebbe un consumo specifico di calore enorme. MA non può funzionare. L'aria passa per la valvola di non ritorno e va allo scambiatore caldo. Qui si riscalda e va alla parte di espansione del pistone. Fin qui consuma tanto ma funziona. Il problema viene adesso. Dopo essersi espanso passa tramite una valvola direttamente dalla parte di espansione alla parte di compressione. Cioè viene mandato a ricominciare il ciclo senza essere stato raffreddato, quindi non ripassa per il suo stato iniziale. In poche parole non è un ciclo termodinamico.
Il pistone si muove da sinistra verso destra al momento di caricare il circuito per la differenza di superficie tra le due faccie del pistone, ma da li non si muoverà mai più.
Però l'intuizione di dare al circuito una pressione di base superiore alla atmosferica è termodinamicamente corretta. A parità di motore la potenza esprimibile è proporzionale alla massa d'aria evolvente e quindi direttamente proporzionale alla pressione base del circuito. Il rendimento non cambia di una virgola, dipendendo solamente dalle temperature Max e Min, anzi dal loro rapporto. Non a caso tale accorgimento è adottato da tutti i motori a circuito chiuso, che siano turbine o stirling. Gli stirling da trazione, quelli veri, avevano pressioni base anche di 200 Atm. Solo così si avvicinavano alle prestazioni dei motori a combustione interna.
Comunque di motori Bryton funzionanti ne sono esistiti molti nella storia, per inciso essi si chiamano in realtà motori Ericsson, essendo il relativo ciclo inventato in realtà da quest'ultimo, svedese, ed invece attribuito dagli americani a bryton, americano anche lui, per campanilismo.
Una macchina molto avanzata è stata progettata e costruita una ventina di anni fa dall'istituto motori del CNR a napoli. Niente di nuovo sotto il sole quindi. LA relativa sperimentazione però ha dato come risultato un consumo specifico elevato, ma di sicuro funzionava. E' stata comunque abbandonata per il suo alto consumo di calore. L'obiettivo della ricerca era quello di sperimentare un motore che potesse competere con i motori a combustione interna e consumare meno di questi. Ma per il momento non c'è nessun motore che possa fare meglio. Un diesel navale può rendere il 55-60%. Per trovare qualche cosa di equivalente bisogna andare su una centrale a ciclo combinato turbogas-vapore alimentata a metano. Una a vapore classica non supera il 43% ed una centrale nucleare difficilmente il 33%.
Il vantaggio del nostro campo di applicazione però è che il sole è gratis. Che il motore consumi poco o tanto poco importa. Solo un motore riscaldabile dall'esterno può sfruttarne il calore. Quindi ben venga una nuova sperimentazione. Non devi solo cascare nelle trappole della termodinamica, molto insidiose.
Comunque il post non va visto in senso negativo. Rispetto profondamente la passione e l'inventiva. Va da se che applicandosi a risolvere un problema si ricaschi nelle soluzioni storiche che si sono avvicendate per risolvere quello stesso problema.
Il titolo del post è una citazione dal film Matrix, per dire che spesso le cose meno evidenti sono quelle che fregano di più.
Se volete possiamo approfondire il tema. Io stesso sono un appassionato di motori Bryton/Ericsson. Li preferisco agli stirling.
La differenza tra gli uni e gli altri è praticamente solo nella presenza di valvole dei primi. Il rendimento teorico è lo stesso. Si sono affermati gli stirling perchè la tecnologia dei metalli non permette di avere valvole funzionanti ad alte temperature con continuità e le alte temperature sono essenziali per il rendimento.
Buon forum a tutti

Si, avrei molto piacere di sentire le opinioni di uno che a quanto pare ha studiato questa materia.
Uno spunto: delle varie trasformazioni so appena il nome e la definizione, mi piacerebbe arrivare a capire quei diagrammi che rappresentano il ciclo termodinamico, dove l' area corrisponde al lavoro svolto...

amir

I cicli, I miti ed i complotti - 1

Ciao Amir.
I diagrammi, a volerli capire fino in fondo, sono complicati. Ma per fortuna per un esame di massima i principi sono semplici. Un qualsiasi libro di termodinamica o meglio di fisica tecnica può aiutarti. Di mio posso fare due parole tanto per dire qualche cosa di attinente al topic del forum.
Un motore ad aria calda è per definizione un motore volumetrico, in cui gli scambi di lavoro sono ottenuti per variazioni di volume di una camera avente almeno una parete mobile. Diversamente entreremmo nel campo delle turbine dove, a parità di ciclo termodinamico, gli scambi di lavoro avvengono per variazioni di quantità di moto di un fluido attraverso una palettatura.
Il ciclo Brayton prevede 4 trasformazioni:
1) Compressione adiabatica, cioè senza scambi di calore.
2) Riscaldamento isobaro, cioè senza aumento di pressione.
3) Espansione adiabatica, come sopra.
4) Raffreddamento isobaro, come sopra.
Alla fine il fluido si ritrova nelle condizioni di partenza ed il ciclo può ricominciare.
Ora, se non vogliamo pressurizzare il circuito, possiamo eliminare la 4 trasformazione perchè la chiusura verrà fatta dall'atmosfera. In questo modo risparmiamo lo scambiatore freddo che non è poco.
Ma se io comprimo l'aria dalla pressione ambiente a diciamo 3 bar assoluti, la riscaldo a una qualsivoglia temperatura > della iniziale e poi la riespando da 3 bar alla pressione atmosferica, perchè ottengo un lavoro utile? O meglio cosa devo fare per ottenere un lavoro utile?
Semplice. Il pistone di espansione deve essere di cilindrata maggiore di quello di compressione. Perchè l'aria riscaldata a parità di pressione occupa un volume maggiore. Quindi per poterla espandere devo avere un volume finale proporzionalmente maggiore. Che sia per il diametro più grosso o per la corsa maggiore poco importa. Nel primo caso la stessa pressione agirà su una superficie maggiore, nel secondo per più tempo. Ma il lavoro scambiato sarà lo stesso dipendendo dalle variazioni di volume, ed essendo queste legate al volume specifico iniziale del fluido ecco che magicamente il lavoro di espansione sarà maggiore di quello di compressione. Quanto maggiore? Direttamente proporzionale al rapporto delle temperature massime/minime del ciclo.
Ricordate il discorso fatto da Zapavan a proposito della fasatura della valvola di aspirazione? E’ un altro modo, certo non quello migliore per il rendimento, di differenziare i volumi di compressione da quelli di espansione tramite la riduzione della corsa efficace del pistone di compressione.
Comunque per incrementi di temperatura bassi il delta lavoro non copre gli attriti ed il motore non gira punto e basta. Per poter girare, una volta fissato il rapporto di compressione, bisogna riscaldare l’aria oltre la temperatura minima che dà un lavoro di espansione pari a quello di compressione più gli attriti interni del motore (il loro integrale su tutto il giro dell’albero motore).
E’ abbastanza noto che le turbine a gas, che usano anche loro il ciclo Brayton, pur conosciute da tempo nei principi teorici non si siano rivelate applicabili se non dopo lo sviluppo degli acciai austenitici inossidabili prima (usati dai tedeschi nei loro Me 262) e delle superleghe di Nikel e Cobalto poi. Oggi si guarda addirittura ai ceramici per temperature in turbina superiori ai 1500°C.
Gli stessi acciai avrebbero di certo dato un destino diverso ai motori Stirling, come lamentava lo stesso reverendo Striling poco prima della sua morte, che invece pur consumando meno dei contemporanei a vapore soffrivano di ossidazioni e cedimenti della testa calda perché le maggiori temperature richieste al gas per funzionare rispetto a quelle basse del vapore ossidavano a caldo i metalli ferrosi dell’epoca fino a fessurarli in breve tempo.
Lo stesso Ericsson, padre vero dei motori ad aria calda a valvole di distribuzione e scambiatore rigenerativo, aveva gli stessi problemi di materiali. Il suo battello sperimentale a 4 motori ad aria calda (con pistoni di alesaggio > 4 metri) lavorava con una temperatura max di soli 250 ° C ed un rapporto di compressione di solo 1,5 (dopo compressione l’aria era a 1,5 bar assoluti).
Il motore funzionava certo, e questo per noi è il bicchiere mezzo pieno, ma con una potenza specifica ridicola. Il battello fu alla fine riconvertito a vapore e poi finì affondato. Nato sfigato insomma.

I cicli, I miti ed i complotti - 2

Se a qualcuno interessa potrei postare lo schema di tale motore. E’ molto più avanzato, incredibile a dirsi, di molti schemi che ho visto in giro per il forum. E per un motivo semplice: Ericsson di termodinamica applicata ne capiva e soprattutto aveva avuto il tempo ed i mezzi finanziari per sperimentare per tutta la sua vita. Avesse avuto a disposizione gli acciai giusti adesso forse viaggeremmo diversamente. Ma quando arrivarono gli acciai arrivò pure il motore a combustione interna che non ha problemi di temperature e rende pure molto.
E qui vorrei dire due parole su due miti che nel forum vanno molto per la maggiore.
1) Il motore a combustione interna rende poco. Falso, falsissimo. Oggi niente rende di più e siamo in continuo aumento. I turbodiesel odierni common rail con iniettori piezo hanno punte di rendimento del 46% a massima coppia. E migliora di anno in anno. Se non ci fossero le normative antinquinamento avremmo da tempo superato il 50%. Nessuna macchina semplice rende così. I migliori stirling mai costruiti non superavano il 42% ed a costi quadrupli.
Ma peggio di questo è il fatto che il motore stirling ha raggiunto i suoi limiti tecnologici, impossibile salire ancora di temperatura con materiali che possano ancora scambiare calore ed impossibile scendere con i volumi morti sotto il 50%. E’ tutto qui. Non può fare di più. Non è che viene messo da parte per complotti politici o altre menate. Rende meno di un diesel e costa molto di più. Fine della fiera. I suoi campi di applicazioni sono quindi confinati a quelle applicazioni per cui è tassativa la combustione esterna tipo energia solare, reattori nucleari a radioisotopi ecc.. ecc.. o le biomasse, ma queste perché hanno una combustione sporca che inchioderebbe qualsiasi motore a combustione interna.
2) Lo Stirling rende più del Brayton. Falso anche questo. A parte la complicazione meccanica delle valvole i due cicli termodinamici pratici, con le isoterme sostituite dalle adiabatiche, rendono uguale. Anzi il Brayton ha dei vantaggi pratici enormi soprattutto per l’hobbista. Non risente dei volumi morti e quindi permette di disegnare le superfici di scambio (caldo,freddo e rigenerazione interna) grandi a piacere. Permette per lo stesso motivo di posizionare il motore a terra e lo scambiatore nel fuoco della parabola come qualcuno citava in precedenza. Le sue perdite per laminazioni nelle valvole sono appena più alte dello stirling (qui la matrice del rigeneratore incide pesantemente) ma sono molto più bassi gli attriti perché sono minori le tenute necessarie (lo stirling ha anche il displacer) ed è ridotto il manovellismo (nello stirling doppio per il displacer). Insomma a parità di materiali e di bontà di progettazione non c’è differenza di efficienza tra i due mentre sul piano pratico il Brayton è più rapido nella risposta ai comandi e lo stirling richiede meno manutenzione.
Mi sono dilungato ma spero di aver detto cose utili a qualcuno.

A me interessa...

I Cicli, I miti ed i complotti - Post Scrptum

Prima che qualcuno pensi che me lo sia dimenticato voglio solo precisare che ho volutamente omesso dal discorso i rendimenti delle singole trasformazioni. Per un calcolo serio sono imprescindibili, ma per capire il principio su cui si basa una macchina ad aria calda sono superflui. Basti dire che la temperatura minima da raggiungere sullo scambiatore caldo deve essere ancora più alta di quella calcolabile teoricamente.

Dopo i miti un po di storia

Ecco un documento interessante, per chi conosce il francese, dove trovare gli schemi storici più famosi dei vari motori ad aria calda.
Il mio preferito è il motore di Ericsson del 1853, di cui si vede lo schema ed una emblematica immagine in cui si vede un uomo passeggiare attorno al gigantesco cilindro con alesaggio > 4 Mt. LA nave aveva 4 di questi cilindri, ognuno era un motore indipendente con il suo focolare per una potenza complessiva di ben .....200 Cv circa. Sufficienti a spingere la nave a 7 nodi, ma insufficienti per un uso commerciale della stessa. La stessa nave con i motori a vapore ne filava 11.
Buona lettura a tutti.
Chi volesse poi condividere commenti sugli schemi del file li postasse.
Positivi o negativi saranno comunque interessanti.

anche a mè interessa.....

E' il motore stirling ben descritto nella dispensa e già argomentato in varie discussioni

Parlando però dei cicli ideali, il ciclo stirling ha un rendimento uguale a quello di Carnot, dovendo scambiare calore solo sulle due isoterme. Non si può dire lo stesso del ciclo Brayton/Joule, che invece è sempre minore del ciclo di Carnot corrispondente. In base a cosa, praticamente, lo affermi?

I cicli ideali, quelli limite e quelli reali - 1

Il ciclo ideale delle macchine ad aria calda munite d ivalvole è in realtà il ciclo di Ericsson, composto di due isobare e due isoterme, laddove il ciclo stirling ha due isocore e due isoterme. Tutti e due prevedono scambio interno di calore, il primo tra le due isobare, il secondo tra le due isocore.
Tutti e due, per un noto teorema della termodinamica, scambiando calore con l'esterno solo sulle isoterme e scambiando colore internamente lungo le due isodiabatiche, hanno lo stesso rendimento ideale e pari a quello del ciclo di carnot. Quest'ultimo d'altronde altro non è che un ciclo che scambia calore con l'esterno solo sulle isoterme ma il cui calore scambiato internamente lungo le isodiabatiche è pari a 0 (sono d'altronde adiabatiche, che non scambiano calore per definizione).
Purtroppo però questi sono cicli ideali e come tali irrealizzabili. Soprattutto sono irrealizzabili le isoterme. Date le velocità pratiche delle macchine odierne infatti non c'è fisicamente il tempo per scambiare il calore mentre si comprime o espande il fluido. Qualunque cosa giri oltre gli 800 - 1000 Gir/min eslude la possibilità dell'isoterma.
Quindi nella pratica i due cicli ideali non esistono neanche lontanamente. Le isoterme vengono sostituite dalle adiabatiche in tutti e due i casi. Non a caso il ciclo stirling pratico viene valutato come composto da due isocore e due adiabatiche. Quindi il suo rendimento, teoricamente pari a quello di carnot va a farsi benedire all'origine. Il ciclo limite, quello ideale a cui può tendere il motore perfezionandosi, è quello composto da due isocore e due adiabatiche dal rendimento molto più basso per la diminuita rigenerabilità. Il calore recuperabile nel rigeneratore è molto più basso perchè l'adiabatica scarica il gas a temperatura inferiore dell'isoterma e quindi la temperatura a cui posso riscaldare il gas freddo è proporzionalemente più bassa.
Per vedere il bicchiere mezzo pieno possiamo aggiungere che il ciclo di carnot è irrealizzabile anche per un altro motivo. Data una temperatura massima accettabile, tipo 700°C, dovendo raggiungerla per sola compressione richiede rapporti di compresisone elevatissimi.
Gli stessi problemi delle isoterme ce li ha anche il ciclo Ericsson ovviamente. Anche lui li sostituisce con le adiabatiche ed anche lui perde in rendimento. Il ciclo qui diventa il Brayton, con rigenerazione sulle isobare, così come lo Stirling diventa l'Otto con rigenerazione sulle isocore.

I cicli Ideali, quelli Limite e quelli Reali

Alla fine tutti e due perdono. E il risultato finale non è dissimile. Perchè sul ciclo Limite trasformato lo Stirling mantiene un vantaggio, che però perde passando dal ciclo Limite al ciclo Reale a causa dei volumi morti non riducibili, mentre il Brayton, non soffrendo dei volumi morti, in questo secondo passaggio perde meno.
Inoltre questa insensibilità ai volumi morti permette di separare nettamente parte calda e fredda limitando gli scambi di calore interni indesiderati. Lo Stirling soffre endemicamente di trasporto di calore parassita ad opera del displacer, calore che va perso perchè non passa per il fluido motore. E' il motivo per cui, pur potendo realizzare macchine di Ericsson in configurazione a displacer, variando i diametri degli stantuffi compressore e espansore in modo da avere una isobara invece di una isocora si sia sempre preferito farle a stantuffi separati.
La macchina costruita dal CNR, avendo un solo pistone a doppio effetto, espansore da un lato e compressore dall'altro, soffriva di questi reasferimenti di calore interni parassiti.
Spero di essere riuscito a spiegare del perchè alla fine, a pari livello di ingenierizzazione e qualità dei materiali, i due cicli rendano praticamente lo stesso.
Non possiamo confrontare un ciclo Ideale irrealizzabile come lo stirling con uno perfettamente realizzabile in pratica come il Brayton (lo usano tutte le turbine a gas di questo mondo). Se confronti i cicli ideali devi farlo con l'Ericsson e rendono uguale tutti e due al Carnot. Se vai sul ciclo limite non devi neanche pensare al ciclo Stirling, e devi confrontare L'Otto con il Brayton. Se poi vai sul pratico entrano in gioco altre irreversibilità ancora che livellano ancora di più il discorso.
La presenza delle valvole complica la manutenzione ma dà enormi vantaggi di regolazione. Si pensi solo alla possibilità di regolare il rapporto di compressione semplicemente variando la fasatura della valvola comandata di ammissione al cilindro espansore.
Alla fine torniamo alla affermazione di partenza: se stai studiando una applicazione senza manutenzione e magari a regime costante ti devi tenere sullo stirling. Se vuoi fare una applicazione automobilistica a regimi per forza variabili forse è meglio valutare il Brayton.
I cuori artificiali sono sempre stati Stirling (con una notevole eccezione in verità...) mentre gli stirling per autovettura erano complicatissimi per via dei problemi di regolazione che imponevano soluzioni particolari (volumi morti variabili, sfasamento variabile tra pistone e displacer, manovellismi wobble plate a cilindrata variabile...) per poter reagire in tempi "umani" all'accelleratore. Oltre un certo ritardo la vettura è inguidabile e pericolosa.
Comunque tutto questo si trova tranquillamente nei manuali, non sono invenzioni mie. In mezzo ad una sacco di immondizia ce ne sono anche di eccellenti. Quasi tutti in inglese però.

Per ener: il lavoro parla delle macchine ad aria calda in generale e quindi parla estesamente anche dello Stirling. Ma parla anche, soprattutto riporta gli schemi, delle macchine ad aria calda di Ericsson e Brayton. In realtà introduce un lavoro teorico-pratico su un cogeneratore casalingo a ciclo Ericsson molto avanzato e ritenuto più vantaggioso dello stirling per quella applicazione. Fa vedere (foto) anche una applicazione di un motore Ericsson accoppiato ad un concentratore solare parabolico lineare ed un prototipo di motore Ericsson alimentato da acqua calda a 80°C.
Più o meno tutto quello di cui si discute in questo forum messo però già in pratica.

In effetti è quello che sapevo anche io. Diciamo che per applicazioni da cogenerazione lo Stirling è promettente e in effetti esistono esempi anche commerciali (SunMachine).

Ti faccio i complimenti per la trattazione: su questo forum post come i tuoi sono una perla rara.

Perchè Ericsson/Bryton

Grazie per i complimenti, ma non ho fatto che riportare un po di letteratura sull'argomento che dovrebbe essere nota. Di mio ci ho messo solo la capacità di sintesi. Purtroppo ho accumulato molto know how sull'argomento, ma vivendo in appartamento ed avendo famiglia, non posso realizzare nulla se non con enorme spesa presso officina esterna. Ma comunque poi si porrebbe il problema delle prove. Un conto è farsele nel proprio cortile/garage, un conto è dover pagare un laboratorio per farsele fare. Le spese non sono alla mia portata.
Mi piacerebbe confrontarmi seriamente con altri utenti. Soprattutto con quelli che poi hanno la possibilità di costruire poi qualche cosa. Se riusciva a far funzionare i motori Ericsson un secolo e mezzo fà figurati cosa si potrebbe fare oggi. Il problema è che chi può realizzare magari ha scarse competenze di termodinamica applicata ed è abbandonato a se stesso.
Se poi prova a cercare aiuto sul forum gli confondono ancora di più le idee e la frittata è fatta.
E poi qui tutti hanno in testa solo gli Stirling. Per carità, bell'oggetto. Ma la cui termodinamica instazionaria richiede per essere simulata un modello tridimensionale agli elementi finiti. Farne uno serio non è alla nostra portata. Io lavoro nei motori a combustione interna. E so cosa significa ottimizzare un motore con tale tipo di funzionamento. Significa avere la coperta corta.
Tipo: Se aumento l'efficacia del rigeneratore aumento le perdite fluidodinamiche e il volume morto, se aumento la superficie degli scambiatori mi succede la stessa cosa. Se aumento la pressione base del circuito dovrei aumentare corrispondentemente sia il rigeneratore sia gli scambiatori per essere vermente efficace, ma di nuovo casco nei problemi di cui sopra. Se voglio aumentare potenza non posso salire di giri, perchè velocità significa aumentare le superfici di scambio a parità di calore scambiato. Insomma, tolti i giocattoli, i motori stirling seri sono roba non alla portata di noi poveri mortali.
Invece gli Ericsson/Brayton hanno una particolarità notevole..

Perchè Ericsson/Brayton - 2

I singoli elementi sono termodinamicamente e fisicamente separati. Posso perfettamente ottimizzare un compressore da una parte, uno scambiatore dall'altra ed un espansore da un'altra parte ancora. Poi li metto tutti insieme ed il motore funziona. E' la strada seguita dai costruttori di turbine.
Nel caso del motore volumetrico è ancora più semplice. Un volume di accumulo tra compressore ed espansore, e le valvole, risolvono completamente il problema accoppiamento. La separazione degli ambienti caldo freddo fà il resto. Posso raffreddare quanto voglio il compressore ricevendone solo vantaggi, ed isolare o riscaldare la parte calda quanto voglio ricevendone solo vantaggi. Posso aumentare la superficie del rigeneratore quanto voglio ricevendone enormi vantaggi e con piccoli aumenti delle perdite fluidodinamiche.
Insomma, una volta risolto il problema del comando delle valvole, il resto è molto semplice da ottimizzare e le linee guida sono chiare e semplici. In poche frasi ne ho enunciate le principali.
Sono personalmente convinto che faremmo meglio a concentrare gli sforzi in quella direzione che perdere tempo con gli stirling.
I prezzi degli stirling in giro confermano le ipotesi. Quando sento dire che un motore da 3 Kw a 10.000 € è regalato mi si rizzano i capelli in testa. Non posso fornire, per serietà professionale, dati sui motori a combustione interna, ma parliamo di ordini di grandezza in meno per i costi ed ordini di grandezza in più per le potenze. I rendimenti a punto fisso poi sono del 50% percento più alti.
Insomma dovrebbe essere chiaro a tutti che è una faccenda oltre la nostra portata.

Le macchine a ciclo Brayton recenti

Qui sotto vi posto due immagini, peraltro prese da qualche altro post del forum, di macchine recenti.
La prima, quella con i cilindri a V, è il motore Warren. Il cilindro di destra è quello compressore, in mezzo il combustore, ed a sinistra l'espansore. All'epoca diede pessimi risultati per la mancanza di un rigeneratore, per i materiali della testa calda non eccelsi, e perchè l'energia di compressione passava attraverso il manovellismo e quindi veniva in parte persa in attriti. Era a combustione interna, ma sostituendo al combustore uno scambiatore se ne ottiene immediatamente la versione a combustione esterna.
LA seconda è la macchina studiata e costruita dal CNR. Molto più avanzata nei concetti. Collegamento rigido tra i due pistoni, rigenerazione spinta con basso rapporto di compressione, ciclo chiuso con elio come fluido di lavoro.
Diede però anch'essa delel delusioni per il grande trasporto di calore tra la parte calda e fredda, dovuto al fatto che i due ambienti erano nello stesso cilindro con il pistone a doppio effetto.
PErò funzionavano bene tutte e due. Il loro difetto era di costare molto e rendere meno di un motore diesel.
Peraltro la combustione continua che queste macchine hanno è molto meno inquinante di quella discontinua. Un buon combustore ceramico premiscelato farebbe le emissioni senza neanche la marmitta catalitica. Per capirci è quello che troviamo nella più avanzate caldaie casalinghe.

Lo schema originale di Ericcson

Posto qui, per dovere accademico visto che il topic sembra non interessare più nessuno, una piccola gif animata che illustra meglio di mille parole in funzionamento del motore Ericcson (che oramai tutti dopo aver letto i miei post dovrebbero riconoscere come la versione "bella" del brayton ). Non è uno schema teorico, ma il vero funzionamento di un motore reale che aveva 4 cilindri di oltre 4 metri di alesaggio per una potenza di circa 300 CV. Ricordate però che la pressione massima era limitata a 1,5 Bar e la temperatura massima a 250 °C. I materiali dell'epoca non permettevano di più. Interessante il rendimento di questo motore, calcolato dall'esimio Prof. IVO KOLIN, di ben 13,6 %. Nel 1853 faccio notare. Con i pannelli fotovoltaici commerciali non ci siamo ancora oggi.
Peraltro Ericcson fu il primo a realizzare un motore ad energia solare con parabola concentratrice. Sia con concentratore parabolico lineare che puro. Il suo progetto di diffonderlo nei paesi poveri equatoriali non ebbe fortuna, così come oggi non hanno fortuna gli analoghi progetti con gli stirling. Lo sapevate che il motore stirling fu inizialmente sviluppato dalla Philips come generatore portatile per gli apparecchi radio per diffonderli nei paesi sottosviluppati? La storia ha dei ricorsi a volte bizzarri.

e cosa ne dici del manson?

Meccanicamente elegante, ma purtroppo dal rendimento molto ma molto basso. Appartiene alla famiglia degli Ericsson, cioè dei motori ad aria calda dotati di valvole, ancorchè queste sono sostituite da luci scoperte dal cilindro al momento opportuno.
Potrebbe essere interessante una versione mista con una unica valvola di aspirazione lamellare che avevo schizzato tempo addietro, ma non ne ho mai fatti i calcoli.
Comunque sicuramente un motore che funziona e dalla realizzabilità semplice.
Sicuramente alla portata dell'obbista. Sullo stesso sito dove ho preso la gif dell'Ericsson c'è anche una trattazione del Manson. L'hai già vista?

Ciao Stranamore,
vorrei chiederti un tuo parere sul brayton proposto da zefferino, per intenderci questo Motore a ciclo Brayton ad aria calda
premetto che mi appassiono da circa 4 anni a questi progetti e dopo tantissime considerazioni da fare scoppiare il cervello mi sono deciso...e costruiro' un motore da circa 500 cc con materiali abbastanza leggeri ma non troppo, e lo alimentero' con una parabola anch'essa da costruire dal diametro di 4 mt, cerchero' di produrre una buona portata di vapore a temperatura di circa 150 gradi.
la mia domanda e' la seguente:
secondo la tua grande esperienza se optassi per il brayton di zefferino seguendo attentamente il suo progetto, minimizzando al massimo il rilascio di calore in atmosfera e minimizzando gli attriti....funzionera??
cmq io rimango sempre piu' propenso al vapore visto che con 2 grossi cilindri leggeri tipo diametro 100 mm e com una pressione vapore di 5 bar (facilmente raggiungibile) si possa ottenere molta coppia.

grazie in anticipo

Il motore di Zefferino

Ciao.
Anche io ho letto appassionatamente il lavoro di Zefferino, a cui ho scritto più volte per confrontarmi riuscendo a strappare la promessa di una risposta dettagliata.
Certo che il motore funziona. Almeno nel principio. Infatti, a parte il riscaldamento a combustione esterna piuttosto che interna, corrisponde nello schema all'originale motore di Brayton. Purtroppo il tempo non mi permette di stare a scannerizzare lo schema del Brayton per postarlo, ma didatticamente sarebbe molto interessante.
Personalmente comunque farei delle modifiche allo schema elementare. Il ciclo Brayton, essendo utilizzato anche nelle turbogas, è stato sviscerato in tutti i suoi aspetti molti anni addietro ed oggi si possono utilizzare gli insegnamenti di questi studi per migliorarlo.
La vera sfida semmai è convertire questi insegnamenti in una forma che sia facile da costruire con i mezzi dell'obbista.
Una prima considerazione, che può sembrare banale, è questa: Separare nettamente la parte calda da quella fredda in modo da isolare la prima contro le perdite di calore e da poter raffreddare la seconda per risparmiare sul lavoro di compressione. I cilindri paralleli di Zeferino non lo permettono.
Una seconda potrebbe essere questa: minimizzare le perdite organiche. Anche qui il motore di Zeferino non è il massimo. Si fanno due cilindri uguali per sfruttare poi solo parte della corsa di compressione giocando sulla fasatura della valvola aspirazione. Ma il pistone però la corsa la fa tutta e assorbe attrito per tutta la corsa. Questa potenza poi passa attraverso il manovellismo ed i suoi cuscunetti che ne assorbono una parte notevole. Essendo noto che nel ciclo Brayton la potenza assorbita dal compressore vale circa due volte quella resa all'albero motore la parte assorbita è proporzionalemnte grande.
Il discorso potrebbe continuare per parecchio.
Quello che posso fare, se mi mandi gli schemi, è darti qualche buon consiglio.
PS. Se vuoi avere una idea di quello che rende il motore devi scaldarlo con una resistenza elettrica di assorbimento noto. Il rapporto tra questo ed il lavoro creato ti darà il rendimento. Alla parabola penserai dopo.

Il vapore, l'ammazza cristiani

Dimenticavo: occhio al vapore. E' pericoloso da matti. Bastano 150° per raggiungere pressioni pericolose e trovarsi in mano una bomba. Se poi la tua caldaia è del tipo ad accumulo d'acqua, e le altre sono di difficile costruzione, il serbatoio caldo è un accumulatore energetico di cui parte vaporizza istantaneamente in caso di decompressione (tipicamente se si crea una crepa da qualche parte). Se succede il meglio che ti ppuò capitare è una scottatura di terzo grado. Il peggio non te lo racconto nemmeno. E con una fonte non controllabile come quella solare non è semplice dimensionare la caldaia....

ciclo brayton o vapore?

Ciao Stranamore
Ho fatto un disegnino elementare tanto per farmi comprendere meglio di cosa ho in mente di fare
partiamo dal primo che consiste in una scatola di lamiera molto spessa credo 1 cm spess. totalmente saldata a filo continuo
di dimensioni 1 metro cubo (cmq sono misure a casaccio almeno per il momento) totalmente interrata e piena di tozzetti di ferro
di scarti, poi la riempirei di olio non saprei di preciso quale tipo ma credo si trovera’ (mi sono accorto che l’olio per friggere di marca friol
regge bene ad altissima temperature prima di fumare.) poi attraverso tubature di opportuno spessore e sezione e ben coibendati
li porto sul concentratore.
secondo me cosi’ facendo porterei la temperatura a quota x ottenendo stabilita’ nel somministrare calore e continuita’ notturna anche
di una sola ora, in pratica l’olio mi servirebbe come vettore energetico ma il vero accumulo sara’ la ferraglia che funzionerebbe come una batteria
d’accumulo.

sul secondo disegno abbiamo l’impianto a vapore che funzionerebbe con un motore a 2 grossi pistoni e uno scambiatore a cassetto
(come puoi notare ho messo un bollitore che deve essere molto robusto perche sottoposto a sollecitazioni non indifferenti che il vapore profuce,
mentre spillando il vapore lo surriscaldo il un’altra camera a serpentina di rame molto spessa, il vapore scaricato va sul condensatore
e poi verra’ ripompato dentro il bollitore.
come si puo’ notare ci sono dei rubinetti (1-2) che servono a bloccare la trasmissione del calore fuori dal boiler quando non si usa ma macchina
e hanno anche un secondo scopo quello di deviare il ciclo sul boiler esterno a biomasse nel caso si presenti mal tempo persistente.

il terzo disegno rappresenta lo stesso impianto di sopra ma adattato al motore di zefferino.

credo che si ci debba lavorare un po, ma non siamo poi cosi’ lontani dalla fattibilita’ (almeno credo)

certo per i calcoli esatti io non sono un genio ma me la cavo al tornio e fresa cnc, anche se credo che il lavoro maggiore sia di saldature.
credo che l’idea dell’accumulo al (ferro vecchio) sia economico e molto funzionante,(hai idea quanta energia termica kJ possa contenere
1 metro cubo di ferraglia ammassata!! certo per riscaldare magari ci vorranno 2 giorni di sole pieno ma poi lo spettacolo e’ anche notturno

comunque io la vedo piu’ semplice e con rendimento elevato la versione a vapore, considerando anche che io raggiungero la temperatura della ferraglia
non oltre i 300 gradi.

Cordiali Saluti

Ciao albatronik, a mio avviso il tuo sistema è molto ma molto (troppo?) pericoloso, hai idea di quanta energia verrebbe immagazzinata in un metro cubo d'olio a 300°C?
Secondariamente non sarà facile ottenere la concessione edilizia per fabbricare quello che hai immaginato, il rischio ambientale è molto elevato, lo sversamento di tutto quell'olio in caso di rottura avrebbe un costo ambientale enorme e credo nessuna compagnia assicurativa accetterebbe di assicurarti per eventuali danni provocati da una macchina artigianale/hobbistica senza richiedere uno studio approfondito del rischio...

Ciao Dino,
Sono poco daccordo con te, si i rischi ci sono ma non cosi' enormi....e poi il metro cubo sara completamente riempito di pezzetti di ferro, l'olio considera che non superera' i 10 litri. l'olio serve solo a trasportare la massa di calore dal concentratore al cubo, quindi credo che ce ne voglia di piu' sui tubi bettori che sul cubo stesso

Ciao Stranamore . Quello che mi chiedo è come mai ci sono solo stirling a prezzi altissimi ( secondo te ) e non motori a ciclo Bryton e/o altro che ti / ci / vi tirano nella schiena . Perchè ? Che poi x serietà professionale tu non possa fornire i dati di cui parli mi fa pensare e sorridere , quarda che siamo su un forum . Che poi ci parli di rendimenti a punto fisso ( ??? ) che sono del 50% ( di cosa ??? rispetto a cosa ??? ) più alti ............ma de chè ???
Che poi sia Tu a venire a dirci che " è un'argomento fuori dalla nostra portata " mi fa pensare ancora di più . Non sei tu nè nessun'altro che può decidere quale argomento sia alla portata di chi non conosci affatto . Vorrei dedicarti una canzone di Alberto Sordi ma non lo faccio altrimenti mi *****ano . Mi manca Furio , ma perchè non reagisce di fronte a queste cazzate ? Ok, vada x la democrazia e il libero pensiero ma ...........
Ciao . Spartano .

Il vapore e l'accumulo

Ok per l'accumulo mediante ferraglia e olio diatermico (l'olio industriale per questi lavori si chiama così), ma 300°, in mancanza di controllo sui flussi termici istantanei potrebbero essere già troppi. Vuol dire che se anche in media il fluido è a 300° nel fuoco del concentratore potrei superare i 350 che sono un limite abbastanza comune per questi olii. Oltre cackizzano e si degradano.
Per il calcolo dell'energia accumulata non posso aiutarti in maniera semplice senza conoscere il redimento dell'impianto a vapore. Ma non il solo rendimento puntuale a temperatura massima, ma tutta la curva dei rendimenti in funzione delle temperature decrescenti dell'accumulo. Infatti man mano che prelevo calore la temperatura si abbassa ed il rendimento del ciclo con essa. L'energia utile accumulata sarà l'integrale della curva composta dal prodotto dell'energia termica ad una data temperatura (massa per calore specifico del materiale di accumulo a quella temperatura) per il rendimento dell'impianto tra quella temperatura e quella di condensazione.
In ogni caso non aspettarti troppo dai rendimenti. Un impianto come il tuo a pistoni rende poco in percentuale per limiti intrinseci degli espasori a pistoni. Il vapore ha bisogno per rendere di rapporti di espansione enormi.

PS. Lo sapevi che a 300 °C l'acqua è in equilibrio con il suo vapore a centinaia di atmosfere? Occhio alla pelle.

Serietà professionale

Ciao Spartano.
Quando parlo di serietà professionale non scherzo mica. Lavoro per una azienda di motori e se mi mettessi a snocciolare i dati di costo dei nostri prodotti sarei ben poco serio.
Inoltre serietà personale a parte esistono precise disposizione legislative in materia sul rapporto fiduciario tra datore di lavoro e dipendente. Una cosa così sarebbe passibile di licenziamento. E siccome io ho famiglia..... certe stronzate le lascio agli altri.
Ripeto comunque quanto affermato e purtroppo ben documentato:
uno stirling costa (parlo di prezzi di mercato) diversi ordini di grandezza in più di un motore a combustione e purtroppo rende molto meno. Uno stirling commerciale serio (lo dicono i vari produttori sui loro siti non io) rende a regime ottimale il 32-34%. Be', posso capire che ti sarà difficile crederlo, ma questo rendimento al regime di minimo consumo specifico era alla portata del motore della 127 ad aste e bilanceri a benzina. Che nel campo dei motori è la preistoria mentre per gli stirling viene presentato come il futuro.
Sono dati oggettivi, non c'è bisogno che te la prendi. E se ti può consolare io sono un grande appassionato di motori a combustione esterna, se no mica sarei qui. Sarà per la legge del contrappasso visto che poi per vivere lavoro su quelli a combustione interna...

PS. Qualcuno su questo forum ha mai scritto una classifica dei rendimenti delle varie macchine termiche? Qualche volta mi metto io a copiarla dal meraviglioso testo di Ivo Kolin sulla storia delle macchine termiche. Ma ti do una anticipazione: il primo motore diesel funzionante, un paio di secoli addietro, che andava a olio vegetale fece registrare un lusinghiero 26%. Il fatto che fosse solo il (32-26)/26*100 (che malcontato fa il 25%) più basso del futuro degli stirling domestici non ti fa sospettare che forse non racconto cazzate? Sai quanta strada abbiamo fatto da allora?

Analisi dello schema di albatronik

Mi permetto comunque di darti dei suggerimenti (a parte quello di dimenticarti del vapore se non per giocattoli molto piccoli).
1) L'olio che va mandato a scaldarsi deve essere quello più freddo prelevato al fondo. Devi cioè invertire il senso di circolazione nel circuito lato concentratore.
2) Così comè il circuito il preriscaldo del fluido non ti aiuta a risparmiare combustione di biomassa. Il fluido già caldo farà solo in modo che i fumi della caldaia vadano al camino più caldi per impossibilità di scambiare calore fino a temperature basse. Insomma perdi con i fumi buona parte del calore che pensavi di aver risparmiato.
3) Se utilizzi il brayton 300 °C sono pochi, ma in compenso potresti utilizzare direttamente aria come fluido termovettore, senza dover rischiare con l'olio (eviterei però i trucioli di ferro a favore di cocci o sassi). Il circuito farebbe girare aria nel concetratore e nell'accumulo per portarci il calore, e verso il motore quando prelevi energia. La modesta pressurizzazione del motore (2-4 bar al massimo) non dovrebbe crearti problemi per la resistenza del serbatoio saldato.

Spero di essere stato utile. In ogni caso non aspettarti comunque rendimenti eccezzionali. Quelli buoni esistono solo al di sopra di certe temperature massime. Perfino il concetto della cetrale Archimede di Rubbia è stata alla fine deviato ad utilizzare il calore solare (circa 550 °C di Tmax) a preriscaldare il fluido termovettore di una centrale a ciclo combinato Turbogas-Vapore.