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Incredibile evoluzione dello Stirling tipo alfa

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  • Incredibile evoluzione dello Stirling tipo alfa

    Spremendomi il cervello sullo stirling a soffietto, sono arrivato ad una incredibile evoluzione dello stirling tipo alfa. Una simile configurazione non l'ho mai vista.

    Vi descrivo adesso le caratteristiche basilari:
    1. il pistone caldo è completamente libero, non ha nè aste nè rinvii.
    2. il cilindro caldo è un semplice tubo dove il pistone ha la sola funzione di tenuta.
    3. il rapporto di compressione del motore è proporzionale al delta T (differenza di temperatura). Sono sicuro di questo, perchè a delta T = 0 il rapporto di compressione è uguale a 1.
    4. il cilindro e pistone freddi sono uguali a quelli di un normale alfa.
    I vantaggi che vedo sono i seguenti:
    1. Il cilindro caldo può lavorare a temperature più elevate, impiegando i tubi in acciaio speciale delle caldaie dei generatori di vapore, basta rettificare la superficie cilindrica interna.
    2. Il pistone caldo fatto con lo stesso tipo di acciaio speciale, raggiunge la stessa temperatura del cilindro caldo, quindi non ci sono problemi di differenti dilatazioni termiche, e con giochi di tolleranza minimi e scanalature laterali tipo a labirinto può garantire una buona tenuta senza le guarnizioni, basta che scorra liberamente.
    Il solo dubbio che ho è se il motore può funzionare senza lubrificare il pistone caldo.

    Il principio sarebbe brevettabile ma per me non ne vale la pena. Non ho attitudini a vendere idee brevettate, lo so per esperienza diretta .

    Quindi vi propongo di scoprire come funziona la configurazione.
    Non ho esposto una caratteristica fondamentale, sennò sarebbe stato troppo facile. Un aiuto, la cilindrata del cilindro freddo può essere uguale al cilindro caldo, anzi per non incasinarmi sono partito con questo presupposto.

    Purtroppo non ci sono premi in palio.

    Tra 10 giorni vi manderò le immagini con cui capirete facilmente come funziona il motore.
    Ciao a tutti !!!!!!!

  • #2
    Stai per caso parlando di un motore a cilindro mobile? Applicazioni di questo tipo ne esistono già.
    Il pistone non può scorrere senza lubrificazione se non ha nessuna guida. Esistono però applicazioni di lubrificanti solidi per alte temperature. Durano comunque poco.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

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    • #3
      Originariamente inviato da Stranamore Visualizza il messaggio
      Stai per caso parlando di un motore a cilindro mobile? Applicazioni di questo tipo ne esistono già.
      Il pistone non può scorrere senza lubrificazione se non ha nessuna guida. Esistono però applicazioni di lubrificanti solidi per alte temperature. Durano comunque poco.
      E se il pistone ha un rapporto lunghezza/diametro maggiore di 2 ? Le guide non servirebbero, è lo stesso cilindro che fa da guida.

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      • #4
        Originariamente inviato da Stranamore Visualizza il messaggio
        Stai per caso parlando di un motore a cilindro mobile? Applicazioni di questo tipo ne esistono già.
        Il cilindro non è mobile è fisso.

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        • #5
          Scusa per la frettolosità, ma per guida intendevo una sede di scorrimento lubrificata. Esiste la possibilità di tenuta a tolleranza sul pistone, realizzando l'accoppiamento con tolleranze strettissime, ma non è perfetta e comunque va rifatto tutto l'accoppiamento ad ogni smontaggio del pistone.
          Ma se il pistone non ha aste ne collegamenti ed il cilindro è fisso, come scambia il lavoro il motore? L'unica cosa che rimane è l'alternatore lineare, ma rende da schifo.
          Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

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          • #6
            [quote]
            Originariamente inviato da Stranamore Visualizza il messaggio
            Scusa per la frettolosità, ma per guida intendevo una sede di scorrimento lubrificata. Esiste la possibilità di tenuta a tolleranza sul pistone, realizzando l'accoppiamento con tolleranze strettissime, ma non è perfetta e comunque va rifatto tutto l'accoppiamento ad ogni smontaggio del pistone.
            Questo è un problema costruttivo complesso. Riflettendoci ti posso dire che quando il pistone è in movimento non deve assicurare una perfetta tenuta, è quando arriva a fine corsa e si appoggia all'estremità del cilindro che deve fare tenuta come un tappo.

            Ma se il pistone non ha aste ne collegamenti ed il cilindro è fisso, come scambia il lavoro il motore? L'unica cosa che rimane è l'alternatore lineare, ma rende da schifo.
            Ti dirò che il pistone caldo è a doppio effetto e funziona solo come un commutatore, tutto il lavoro utile è fatto dal pistone freddo.

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            • #7
              Grazie stranamore, pensavo di essere riuscito a semplificare al massimo il mio progetto dello stirling, ma tu mi hai fatto ragionare sopra.
              Il pistone caldo è mosso dalla differenza di pressione più è libero di muoversi meno perdite ci sono, quindi ho pensato che una sfera sarebbe ottima. Quando si muove rotola e non ci sono attriti, se fosse una sfera cava ridurrei anche i problemi d'inerzia alla partenza ed all'arresto.

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              • #8
                Scusa Stranamore, basta con gli indovinelli, la configurazione che ho inventato funziona solo con due cicli stirling sfasati di 180°, sono indipendenti ma accoppianti meccanicamente e il volume dei due cicli sommati rimane costante. Il pistone freddo è a doppio effetto o sono due cilindri con i pistoni meccanicamente sfasati di 180°, hanno il cilindro caldo in comune ed il pistone caldo lavora a doppio effetto, e si muove solo quando si inverte la pressione tra i due cicli.
                Io penso che il movimento del pistone caldo è sfasato in proporzione al delta T dei due cicli. Infatti a delta T uguale a zero il pistone caldo si muove in sincronia con i pistoni freddi (a parte gli attriti e le perdite presenti nei movimenti) quando c’è un delta T il pistone caldo è bloccato dalla maggiore energia e quindi pressione del ciclo in fase di riscaldamento, ed in proporzione, maggiore è il delta T maggiore è lo sfasamento.
                Posto le immagini del funzionamento teorico della configurazione, e di due tipologie per costruire un motore. In pratica conviene suddividere il cilindro caldo in più tubi per ridurre le dimensioni del pistone caldo, fatto a forma di sfera per ridurre al minimo gli attriti (quando si muove rotola).
                File allegati

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                • #9
                  ciao, anche se avevo già visto 1 configurazione simile c'è da dire che è veramente bello e fa il suo effetto sopratutto conta che il lato caldo è molto distante dai lati freddi cioè 1rendimento maggiore, secondo voi si potrebbe realizzare 1 modellino da scrivania con 2 siringhe incollando i pistoncini fra di loro senza la ruota per avere 1 movimento alternato per adesso giusto per vedere se funziona o è 1 peridta di tempo? ovviamente i 2 tubicini andranno poi collegati ad 1 scambiatore di calore magari fatto tipo quegli scambiatori di calore ad acqua per celle di peltier
                  mi preoccupa solo lo scambio termico delle 2 siringhe...

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                  • #10
                    Il cucchiaio non esiste

                    Ciao. Riguardati i miei post nel topic "Motore ad aria calda" aperto da renatore con lo stesso titolo di questo per maggiori chiarimenti.
                    Il motore che tu proponi non è uno stirling ma un motore di Caylei, ammesso che si scriva così perchè mi dimentico sempre di controllare, che funziona per differenza di area tra le due faccie del pistone. I miei dubbi erano infatti concreti. Nella configurazione attuale il pistone che tu chiami caldo non serve affatto e non lavora. Separa due regioni di fluido che non hanno ragione di essere separate. Anzi con la sua inerzia potrebbe perfino dare fastidio.
                    A meno che tu non riesca a sfruttarne l'inerzia per un ciclo instazionario di cui però vedo l'applicazione critica.
                    In ogni caso il rendimento del motore di Caylei, per una serie di ragioni termodinamiche che sarebbe lungo spiegare, è molto basso, inferiore al 5%.
                    Per inciso solo la configurazione 1 funziona. La 1a e la 2 sono spostatori di fluido che non avendo variazioni tra le camere nè di volume nè di superficie di pistone non cede ne raccoglie lavoro dal fluido. In pratica non fà che perdere lavoro di attriti meccanici e di laminazioni del fluido che passa da una camera all'altra. Una roba in perdita insomma.
                    La configurazione 1 idealmente funziona, ma non con l'astina che hai disegnato tu. L'optimun di diametro dell'asta è tale che la superficie inferiore del pistone sia circa il 50% di quella libera superiore. Regola della serva ovviamente. Andrebbe calcolata in proporzione al rapporto delle temperature Max/Min.
                    Mi spiace per averti dovuto dare una delusione. Complimenti comunque per la modellazione grafica del motore. E' molto bella.
                    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

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                    • #11
                      Anzi, mi tocca purtroppo anche correggermi in peggio. Neanche la configurazione 1 potrebbe funzionare per l'errato posizionamento degli scambiatori.
                      Quello caldo e quello freddo dovrebbero essere su due rami indipendenti con valvole unidirezionali automatiche e messi in modo che il fluido attraversi lo scambiatore caldo mentre passa dalla camera fredda alla calda e attraversi lo scambiatore freddo quando torna indietro.
                      Così come lo hai disegnato il fluido non compie lavoro in quanto la sua configurazione finale, nella camera del cilindro alta o bassa, è sempre e comunque fredda.
                      Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

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                      • #12
                        cavoli stranamore ne mastichi di motori eh... se non fosse x te avrei buttato almeno 2 o 3giorni e materiale dietro ad 1 qualcosa che non avrebbe funzionato, posso chiederti se conosci 1 configurazione di stirling o altri motori termici senza valvole, facile da realizzare e che dia qualche soddisfazione e che funzioni con 1 delta T molto basso

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                        • #13
                          I low Dt

                          A bassi livelli di delta T, ad oggi, sono stati provati con successo solo gli stirling. Perlomeno se parliamo di Dt inferiori ai 10 °C. Però devo avvertirti che, pur funzionando, praticamente non generano potenza. Si tengono in rotazione. Gli schemi costruttivi si assomigliano tutti. MAcchine tipo beta a cilindro motore e displacer, con displacer di diametro molto più grande del pistone di potenza per poter conservare una corsa ancora "maneggiabile" da un manovellismo ordinario. Il rapporto di compressione è bassissimo, praticamente 1,004:1. Il rigeneratore di solito non esiste perchè dannoso. Nel senso che con queste differenze così basse tra Pmax e Pmin le relative perdite di carico solitamente rendono il motore non funzionante.
                          Io personalmente preferisco la variante RINGBOM, con il displacer libero e comandato dalle differenze di pressione. A volte, se ben progettati, sono autoavvianti.
                          Se la temperatura aumenta, con il giusto rapporto di compressione, migliorano il funzionamento fino a generare corrente raccoglibile.
                          Ma se non superi i 250° rende molto di più un ciclo Rankine, con il fluido scelto opportunamente in base alla temperatura attesa dalla sorgente solare. Ci sono in giro, acquistabili su internet, motori a vapore a ricompressione senza valvole comandate davvero belli. Solitamente funzionano a CO2 in bombole.
                          E qui lancio una idea. NEssuno ha mai provato a costruire un motore solare a CO2? Guardando il suo diagramma di Mollier si capisce che è il fluido perfetto per le basse temperature. Il suo punto critico è a soli 33°C.
                          Occhio alle pressioni però.....
                          Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

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                          • #14
                            sono incuriosito sia dalla turbinetta a vapore che dal ciclo con CO2 non hai qualche file dei prodotti in commercio o qualche altra informazione o link

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                            • #15
                              I motori semplici a vedersi sono i più difficila a far funzionare

                              La turbinetta è simpatica, ma io mi riferico comunque ad un motore a pistoni. PEr coerenza con il Topic del forum e per praticità di costruzione. Con le attrezzature hobbistiche è impossibile costruire una turbina che funzioni.
                              Il mio consiglio è di utilizzare un espansore a ricompressione come quello a CO2 che trovi a questo Link:
                              Animated Engines, CO2 motor

                              Per la scelta del fluido però bisogna fare attenzione. La CO2 è semplice da utilizzare se la compri in bombolette, come quelle per le armi a CO2, ma da farci un motore è pericolosetta. Infatti la sua pressione critica è circa 70 bar. Insomma va fatto un lavoro con i fiocchi pena possibili esplosioni e proiezione di schegge.
                              Da questo punto divista andrebbe meglio un fluido organico, con il che realizzi un impianto ORC. MA quello più facilmente procurabile, il propano, è infiammabile.
                              Insomma, bisogna stare attenti. Ovviamente esistono fluidi specifici ininfiammabili ma bisogna cercarli.
                              Sullo stesso sito, qui: Animated Engines, Low Temperature Differential Stirling
                              trovi l'animazione dello stirling LOW Dt che ti dicevo prima.
                              Questo è realizzabile con del plexiglass e del polistirolo per il displacer.
                              Più semplice di questo non c'è niente.
                              Ciao
                              Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

                              Commenta


                              • #16
                                Originariamente inviato da Stranamore Visualizza il messaggio
                                Per inciso solo la configurazione 1 funziona. La 1a e la 2 sono spostatori di fluido che non avendo variazioni tra le camere nè di volume nè di superficie di pistone non cede ne raccoglie lavoro dal fluido. In pratica non fà che perdere lavoro di attriti meccanici e di laminazioni del fluido che passa da una camera all'altra. Una roba in perdita insomma.

                                Mi spiace per averti dovuto dare una delusione. Complimenti comunque per la modellazione grafica del motore. E' molto bella.
                                Ciao Stranamore, Penso che non hai capito bene come funziona, adesso ti spiego come vedo nella mia testa il funzionamento del ciclo, allego 12 schemi con rappresentate le fasi del ciclo ogni 30 gradi di avanzamento.

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                                Premetto che farò dei calcoli approssimati con la legge dei gas perfetti P*V=g*R*T essendo nel ciclo stirling g e R costanti, le uniche variabili sono P,V e T. Descriverò il ciclo di funzionamento ideale senza tenere conto delle perdite meccaniche e dell'inerzia termica del gas.
                                La temperatura iniziale Ti sarà di 300°K la finale Tf di 900°K, il ciclo A ed il ciclo B a freddo hanno un volume uguale di 1000 cc, il volume totale del motore che è costante è quindi di 2000 cc ( per semplificazione non tengo conto che i pistoni collegati direttamente all'albero a gomiti non hanno un moto perfettamente lineare e simmetrico, a 90° e a 180° il volume totale del motore è leggermente maggiore). La pressione nel ciclo A e B a freddo, è uguale a P=k*n*R*300/1000=1Bar (k è il coefficiente che si applica essendo il volume in cc e la pressione in Bar).

                                Fase 1-2: parte con 10 gradi di avanzamento, il gas del ciclo A è tutto nel pistone caldo alla temperatura di 900°K, il gas nel ciclo B è tutto nel pistone freddo B alla temperatura di 300°K,il volume è uguale a 1000cc Il rapporto Tf/Ti è uguale a 3 quindi la pressione nel ciclo A è uguale a 3Bar (3x1Bar). La differenza di pressione sui i pistoni freddi A e B è di 2Bar, che forniscono all'albero lavoro positivo. L'albero comincia a girare e il pistone freddo A inizia ad espandere, mentre il pistone freddo B inizia a comprimere. La sfera nel cilindro caldo rimane bloccata dalla differenza di pressione tra A e B nella sua sede a destra.

                                Fase 2-3: la sfera nel cilindro caldo rimane bloccata finchè la differenza di pressione tra A e B rimane positiva. Il ciclo A continua ad espandersi diminuendo la pressione e la temperatura media perchè il gas che entra nel cilindro freddo nel funzionamento ideale viene subito raffreddato a 300°K, ed il ciclo B a comprimersi aumentando solo la pressione il gas è sempre mantenuto a 300°K. in questa fase la differenza di pressione tra A e B rimane positiva e fornisce lavoro positivo all'albero.
                                Fase 3-4: in questa fase si raggiunge la parità di pressione tra A e B, perchè ho stimato che quando B raggiunge una cilindrata di circa 590cc arriva alla pressione di 1.7Bar (1Bar*1000cc=1.7Bar*588cc) mentre A ha raggiunto la cilindrata di 1412cc e la pressione di 1,71Bar alla temperatura media di circa 725°K (1000*1/300=1412*1.71/725). Quando la pressione tra A e B si è pareggiata, la sfera nel pistone caldo si sposta per mantenere pareggiata la pressione mentre il cilindro freddo A continua ad espandere e il cilindro freddo B a comprimere. Non c'è differenza di pressione tra A e B quindi non c'è lavoro.
                                Fase 4-5: la sfera nel pistone caldo continua a muoversi per mantenere pareggiata la pressione mentre il cilindro freddo A continua ad espandere e il cilindro freddo B a comprimere. Non c'è differenza di pressione tra A e B quindi non c'è lavoro. Determinare lo spostamento della sfera è molto difficile perchè diminuisce la temperatura media nel ciclo A (si riduce il volume nel cilindro caldo e aumenta nel cilindro freddo), mentre aumenta la temperatura media nel ciclo B (si riduce il volume nel cilindro freddo e aumenta nel cilindro caldo).
                                Fase 5-6: la sfera nel cilindro caldo si blocca nella sede a sinistra. Il ciclo A continua ad espandersi ed è alla temperatura di 300°K di conseguenza diminuisce la pressione. Il ciclo B finita la rapida espansione dovuta al movimento della sfera, ricomincia a comprimersi e aumenta la temperatura media, di conseguenza aumenta la pressione. La differenza di pressione tra il ciclo A e B è negativa, allora il lavoro sull’albero è negativo (ha bisogno di energia per terminare la fase di compressione).
                                Fase 6-7: la sfera nel cilindro caldo è ferma nella sede a sinistra. Il ciclo A termina la fase di espansione ed inizia la fase di compressione, il gas è tutto a 300°K e alla pressione di 1Bar , il ciclo B termina la fase di compressione ed inizia la fase di espansione, il gas è alla temperatura di 900°K ed alla pressione di 3Bar. La differenza di pressione tra i due cicli è negativa però i pistoni hanno superato il punto di inversione del moto e il lavoro sull’albero diventa positivo.
                                La situazione è l’inverso dell’inizio della fase 1, le fasi successive sono identiche a quanto ho prima esposto solo che i cicli sono invertiti.

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                                • #17
                                  Facendo questa analisi penso di aver dimostrato che nel ciclo c’è una variazione della pressione e del volume, e c’è del lavoro prodotto, anche se mi è sorto un dubbio e cioè che il lavoro negativo sia eccessivo per l’impossibilità di regolare la sfasatura, come nel ciclo stirling alfa si ottiene il massimo del lavoro con un’opportuna sfasatura dei due pistoni.
                                  Infatti penso che la situazione ideale, ma che credo sia irraggiungibile, si ha quando la sfera dopo che è partita si arresta sul lato opposto del cilindro caldo nel momento in cui i cilindri freddi hanno raggiunto il punto di inversione del moto.
                                  Che fatica! Ciao.

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                                  • #18
                                    Ciao SE-POL.
                                    Mi spiace dover essere l'uccello del malaugurio.
                                    Il motore non funziona. Ti spego perchè.
                                    Il problema è il manovellismo.
                                    Certo c'è una variazione di pressione. Ma essa agisce su due superfici uguali e contrapposte. Esse poi si muovono in senso inverso e sono collegate allo stesso bottone di manovella. Risultato: 0. Zero risultante che possa spingere sul bottone.
                                    C'una variazione di volume solamente infinitesima dovuta alla obliguità della biella.
                                    Il problema è la centratura delle due bielle nello stesso bottone. Se i due pistoni fossero sfasati, potrebbe funzionare. MA ricadresti nello stirling tipo Alfa, ne più ne meno.
                                    Quanto alle sfere, che fanno il lavoro che era del pistone libero dello schema precedente, esse non servono a nulla. Sono libere di muoversi seguendo le differenze di pressione. Se non ci fossero il motore non cambierebbe di niente. Il fatto che arrivino ad un arresto non è positivo. Può fare solo danni. Infatti se arrivano all'arresto diciamo sul alto del pistone B vuol dire che il pistone A sta comprimendo. Quando la sfera arriva all'arresto il pistone comprime conto un condotto chiuso facendo un lavoro della madonna, mentre dall'altra parte si espande una parte di fluido che scende di pressione. Il risultato netto è che la pressione su A che va verso sinistra cresce mentre quella su B decresce. Insomma il motore assorbe lavoro per vincere questa differenza.
                                    Spero di essere stato chiaro.
                                    PS: Vedo solo uno scambiatore caldo. Il fluido dove si raffredda? Per come è disegnato passa e ripassa dallo scambiatore caldo.
                                    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

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                                    • #19
                                      Originariamente inviato da Stranamore Visualizza il messaggio
                                      Ciao SE-POL.

                                      Certo c'è una variazione di pressione. Ma essa agisce su due superfici uguali e contrapposte. Esse poi si muovono in senso inverso e sono collegate allo stesso bottone di manovella. Risultato: 0. Zero risultante che possa spingere sul bottone.
                                      Ciao stranamore, su questo argomento ti posso subito obbiettare che quando la sfera è bloccata c'è una differenza di pressione tra ciclo A e ciclo B, quindi anche se i due pistoni sono uguali e contrapposti, 3 Bar sul pistone A spingono più forte di 1Bar sul pistone B.
                                      per il resto tu continui a vedere un ciclo Caylei mentre io vedo un ciclo simile allo Stirling e non sò come spiegarmi meglio.

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                                      • #20
                                        Scusa SE-POL, concordo con stranamore il motore non puo' funzionare perchè come gia'
                                        detto, i pistoni hanno la stessa superficie e sono perfettamente in fase.
                                        Ciao

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                                        • #21
                                          SE-POL, la differenza di pressione c'è, ma in negativo. Quando i pistoni vanno da destra a sinistra la pressione porta la sfera a bloccarsi alla sinistra dello scambiatore. Da quel momento in poi la pressione aumenta sul cilindro A, per la sfera e perchè il gas si riscalda) che sta comprimendo e diminuisce sul B che sta espandendo. Come già detto è un meccanismo dissipativo, buono per freno motore.
                                          Non è una critica la mia, ma solo un suggerimento. Peraltro ovviamente dato senza avere oggetti funzionanti davanti.
                                          Però la prova la puoi fare facilmente. Due pistoni pneumatici collegati rigidamente, anche due pompe per biciclette vanno bene, e nel tubo di collegamento la tua sfera. Per ogni buon conto è facile pure realizzare il tratto centrale in tubo metallico da riscaldare con una fiamma.
                                          Credo che tutti qui sarebbero ben felici di vedere il tuo motore anche solo tenersi in moto. Documenta l'esperimento per i posteri se riesce.
                                          Per quanto io possa aver studiato la materia non sono infallibile. Quindi fai la prova e tienimi informato.
                                          Però io fossi in te rifletterei sul fatto che gli stirling di valvole non ne hanno. Mentre gli ericsson si. Se la tua pallina diviene una valvola comandata, e differenzi i diametri deì due pistoni ecco che magicamente il tuo motore diventa un ericsson/Brayton che funziona. Se vai a vederti i miei post sul topic "motore ad aria calda" aperto da renatore troverai un interessante documento con lo schema del motore Ericsson. Quello del 1853 era proprio con due pistoni collegati rigdamente di diametro differente.....
                                          Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

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                                          • #22
                                            Per me non può funzionare, a livello macroscopico perché non non c'è una variazione di volume adeguata, scendendo in particolare, ammesso che sia possibile avere una differenza di pressione istantanea tra il volume a contatto della caldaia e quello a contatto del radiatore, dal momento in cui il volume "caldo" si espande nel pistone "A" ne diminuisce la pressione, mentre in "B" diminuendo il volume la pressione aumenta, quindi si troverebbero immediatamente in equilibrio (anche dalla parte delle sfere). Fine giochi, fine movimento.

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