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Discussione: I motori a combustione esterna dotati di valvole

  1. #1
    Seguace

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    Predefinito I motori a combustione esterna dotati di valvole



    Salve a tutti.
    Dopo due anni di messaggi postati in topic iniziati da altri ho voluto iniziarne uno io.
    Non per fare domande. Ma per esporre, spero in maniera semplice e comprensibile, la teoria che sta dietro alle macchine che ho citato nel titolo. Ma siccome di sola teoria si muore, cercherò di citare ove possibile realizzazioni pratiche esistenti dei concetti esposti. Comprese alcune ricerche pratiche finalizzate ad apparati di produzione a cui ho collaborato in prima persona.

    Nella trattazione, a cominciare da titolo di questo topic, si seguirà la calssificazione delle macchine a combustione esterna data dal Walker.
    Questa classificazione sostanzialmente divide le macchine volumetriche a combustione esterna in due grandi categorie:
    1) Le macchine prive di valvole comandate.
    A questa categoria appartengono le macchine di Stirling in tutte le loro forme.

    2) Le macchine dotate di valvole comandate.
    A questa categoria appartengono le macchine di Ericsson in tutte le loro forme.

    Perchè il Walker abbia seguito questa classificazione e non quella basata sul ciclo di funzionamento lo si capirà più tardi durante la trattazione.
    Per ora anticipo solo che in buona sostanza una macchina dotata di valvole difficilmente potrà non avere una trasformazione isobara, mentre una senza valvole per forza di cosa dovrà avere almeno una trasformazione isocora. E queste due trasformazioni sono quelle che differenziano i due cicli, che poi condividono le trasformazioni isoterme.
    Ma andiamo ad incominciare.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  2. #2
    Seguace

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    Predefinito Ed in principio fu Ericsson......

    Poi venne Joule e solo dopo un bel po di tempo Brayton.
    Questi tre furono attivi in realtà sulla stessa tipologia di macchine. Ed in buona sostanza inventarono le stesse cose.
    Ma non deve stupire. All'epoca, prima metà dell'800, non c'era la televisione, non c'era la radio e soprattutto non c'era internet. C'erano solo i giornali, ma a diffusione più che altro locale. Quindi era abbastanza normale che anche a distanza di anni non fossero di pubblico dominio i lavori e le ricerche fatte da altri.
    Qualche data:
    Ericsson: primo motore nel 1833
    Joule: pubblicazione studio teorico 1851 (l'ipotetico motore non fu mai costruito)
    Brayton: 1876

    Tutti e tre enunciarono lo stesso ciclo di funzionamento composto da due adiabatiche e due isobare. E non deve sorprendere che sia passato alla storia come ciclo Brayton, che in senso cronologico era stato l'ultimo. Brayton era americano ed aveva costruito un motore funzionante. Joule era un teorico che dopo la sua memoria preferì dedicarsi agli studi sull'equivalenza tra calore e lavoro, che ebbero risonanza mondiale. Tanto che ancora oggi l'unità di misura sia del lavoro che dell'energia è il Joule.
    Ericsson da parte sua era uno Svedese poi trasferitosi in inghilterra ed infine naturalizzato americano. MA si sa che gli americani sono orgogliosi e tendono ad appropriarsi di tutto. Non è stato il primo caso e neanche l'ultimo.
    L'ironia della sorte vuole però che tra i tre quello che era più "avanti" fosse proprio Ericsson, che oltre al ciclo teorico aveva intuito anche i parametri costruttivi migliori per questo tipo di motori e soprattutto la necessità e l'importanza energetica di un rigeneratore.
    Il suo primo motore noto infatti poteva vantare già un rendimento dell' 8,7%, mentre quello di Brayton, più vecchi di quasi 50 anni e per giunta a combustione interna, arrivava appena al 5,16%.
    Questi dati vengono dal bellissimo testo di Ivo Kolin, professore emerito dell'università di Zagabria, in cui ripercorre la storia dei motori termici. E' molto famoso per essere stato praticamente l'inventore dello Stirling LowDt.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  3. #3
    Seguace

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    Predefinito E Stirling?

    Dove si colloca cronologicamente?
    Il suo primo brevetto e motore costruito sono del 1815.
    L'aneddotica vuole che Ericsson avesse pensato allo stesso concetto ed abbia provato a brevettarlo, arrivando tardi rispetto a Stirling di pochi mesi. Deluso passò 15 anni a cercare il modo di bypassare il brevetto di stirling. La parte difficilmente bypassabile, per quanto possa sembrare strano, non era il ciclo di funzionamento, ma il rigeneratore di tipo recuperativo introdotto da Stirling.
    Infatti è possibile ottenere una macchina evolvente secondo il ciclo di Ericsson (quello del suo secondo motore e che è poi passato alla storia con il suo nome, composto da due isobare e due isoterme) semplicemente dimensionando opportunamente il diametro dei pistoni di uno stirling in proporzione alla differenza di temperatura. In tal modo lo scambio di calore interno avviene a pressione costante e non a volume costante.
    E questo è uno dei motivi per cui Walker non ha scelto il ciclo per classificare i motori ad aria.
    Per chi non avesse dimestichezza con la terminologia termodinamica allego un documento piccolo ma completo sull'argomento e al quale si può fare riferimento.

    Ma quale dei due cicli è migliore dal punto divista teorico?
    File Allegati File Allegati
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  4. #4
    Seguace

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    Predefinito Pari e patta

    Per capire quale dei due sia meglio dobbiamo fare un passo indietro e tornare al secondo principio della termodinamica.
    Esso ha molteplici formulazioni tra loro equivalenti. Tra questa molteplicità c'è chi ha creduto di intravedere delle incongruenze ed ha provato a dimostrarne la non validità. Ma non mi risulta che nessuno ci sia mai riuscito.

    Uno di questi enunciati lo si può esprimere in questo modo:
    "Nessuna macchina termodinamica può avere un rendimento di trasformazione superiore a quella che opera secondo un ciclo composto da due isoterme di scambio di calore con l'esterno e due isodiabatiche di scambio di calore interno al ciclo stesso"

    E qui apro una parentesi che varrà per tutti i miei post di spiegazione: tutto quello che scrivo lo scrivo a memoria dopo aver studiato tanto e letto ancora di più sull'argomento. Andare a rispolverare libri dell'università solo per copiare parola per parola un teorema od una formula sarebbe un impegno mastodontico non compatibile con le mie possibilità di lavoratore molto impegnato. Quindi non perdete tempo a contestarmi le singole parole. Al massimo contestatemi le conclusioni se ritenete che ci siamo errori sostanziali. Lo scopo di questo topic è di far capire, non di scrivere l'ennesimo libro di termodinamica per addetti ai lavori. Quelli ci sono già, e ce ne sono di ottimi. Io stesso li citerò alla bisogna. Ma per quanto possibile voglio tenermi su un piano pratico e alla portata di tutti.

    Torniamo a noi.
    Questo enunciato, che altro non è che il teorema di Carnot, spesso viene confuso con l'omonimo ciclo. Quello composto da due isoterme e due adiabatiche. Tanto che viene spesso banalizzato in questo modo: nessun ciclo termodinamico può avere un rendimento maggiore od uguale a quello del ciclo di Carnot.
    Ma c'è una evidente imprecisione. Infatti se è vero che nessun ciclo può avere un rendimento maggiore di quello di Carnot, non è vero che nessuno può avere un rendimento uguale. Esistono infatti infiniti cicli possibili con lo stesso rendimento che rispettano l'enunciato del teorema.
    Come questo sia possibile diviene evidente quando si pensi che le due adiabatiche che ha altro non sono che due isodiabatiche (trasformazioni a pari legge di scambio calore) particolari per cui questo scambio di calore vale zero.
    Quindi un qualsiasi ciclo composto di due isoterme di scambio di calore con le sorgenti e due politropiche qualsiasi che scambiano calore tra di loro ha lo stesso rendimento di quello di Carnot. Come enunciato dal teorema.
    Ed è facile intravedere quindi come i due cicli, quello di Stirling e quello di Ericsson, fanno parte della famiglia di questi cicli. Essi infatti sono i due casi particolari in cui le politropiche di cui sopra coincidono con le Isocore (Stirling) e le Isobare (Ericsson).
    Pari e patta dunque.
    I due cicli sono alla pari dal punto di vista teorico.
    Le differenze, quelle significative, arriveranno nelle irreversibilità inevitabili che il passaggio alla macchina reale introdurrà e nella possibilità di minimizzarle che i due cicli offrono.
    Ma questo è argomento per un prossimo topic. Adesso proseguiamo con un poco di storia.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  5. #5
    Seguace

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    Predefinito Il secondo motore di Ericsson

    Questo motore, del 1853, evolve secondo il ciclo di Ericsso vero e proprio composto da due isoterme e due isobare in cui il fluido scambia calore in controcorrente.
    Tale motore, dopo una serie di prototipi in piccola scala, venne costruito in scala mastodontica per andare ad equipaggiare il vascello "Caloric Ship" sostituendo i suoi motori a vapore.
    Era un motore impressionante.
    Quattro cilindri giganteschi, ognuno del diametro di 4,5 mt, giravano a pochi giri al minuto scaldati da focolai di carbone.

    Potete trovare nel PDF allegato delle interessanti informazioni sull'argomento.
    Questo motore si distinse per efficienza. Il solito Ivo Kolin ha calcolato per lui un rendimento, spettacolare per l'epoca, del 13%. Non si distinse invece per potenza specifica. Calcolato per fornire 600 Cv, ne erogava appena la metà.

    Questo comportava per la nave suddetta una velocità di crociera bassa, intorno ai 7 nodi, mentre con i precedenti motori a vapore ne filava 11. Alla fine l'armatore volle tornare ai motori a vapore (esperienza vissuta anche da Stirling con uno dei suoi primi motori venduti), ma questo non portò comunque fortuna alla nave che, nata evidentemente s****ta, affondò poco tempo dopo.
    Questo motore raggiungeva i suoi lusighieri (per efficienza) risultati (consumava praticamente la metà del carbone di un motore a vapore), con parametri di funzionamento tutto sommato "umani". Alimentazione atmosferica in ciclo aperto, una pressione massima di appena 1,5 bar ed una temperatura massima di appena 250 °C. I focolai per il carbone non avevano preriscaldatore dell'aria di combustione, particolare che ne avrebbe aumentato il rendimento di un buon 30%. Ma anche di questo parleremo in dettaglio più avanti.
    Vi riporto qui il un interessante link dove troverete spiegata alla spicciolata la teoria di base e ci troverete anche un piccolo foglio excel che calcola il ciclo teorico. Utile per un dimensionamento anche geometrico di massima dei pistoni.
    Nella sua semplicità è veramente ben fatto.

    Tout savoir sur le moteur Ericsson

    E così avete anche scoperto da dove ho preso il mio avatar. Per l'origine del nick dovete aspettare ancora un poco.
    La gif animata nella home spiega meglio di mille parole le fasi di funzionamento di questo eccezzionale motore. Rimasto ineguagliato per dimensioni dei cilindri. E per gli amanti del "se non lo si vede in giro vuol dire che non funziona".... Questa è la risposta. Girava e spingeva una nave già un secolo e mezzo addietro. Mentre il contemporaneo stirling spaccava le teste per corrosione a caldo. Ma i materiali a disposizione erano gli stessi per tutti e due. E allora perchè questo non spaccava la testa calda che pure era di diametro inusitato? Perchè riusciva a funzionare a temperature più basse. Equesto è un qualcosa che non ha niente a che vedere con il ciclo teorico, ma con la la possibilità di realizzazione pratica di alcune trasformazioni rispetto ad altre. L'isobara è molto più facile dell'isocora. Ma lo vedremo nel dettaglio più avanti. Non è un concetto semplice. Perchè fa capo più che alla termodinamica alla ingegneria.

    Da notare come questo motore, arrivato quando oramai i brevetti di stirling erano scaduti, utilizzava un rigeneratore del tipo a recupero, composto da una massa di reticelle impilate identiche nel concetto a quanto fatto da stirling, attraversate alternativamente dal gas caldo scaricato a fine espansione e dall'aria compressa "fredda" di carica del cilindro.
    Ai più smaliziati sarà saltato subito all'occhio che a parte la valvola a cassetto multifunzione tutto è molto simile ad uno stirling.
    E questo porta acqua al mulino del Walker ed alla sua intelligente classificazione.
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    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  6. #6
    Seguace

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    Predefinito Per non fare torto a nessuno

    Ericsson nelal sua vita sperimentò con una grande varietà di motori. Tanto che ne costruì molti anche secondo il ciclo di stirling. Addirittura il suo più famoso e venduto motore era a ciclo stirling.
    Quindi non era un fanatico delle valvole. Ho già citato il fatto che aveva presentato un brevetto per il rigeneratore (recuperatore) solo pochi mesi in ritardo rispetto a Stirling.
    E che ci aveva messo anni a trovare un tipo di rigeneratore, lo scambiatore a piastre con i due fluidi in controcorrente, che non fosse compreso ne deducibile dal brevetto di stirling.
    Ma la presenza di due flussi in contemporanea in porzioni diverse dello stesso circuito motore (evolventi nello stesso scambiatore di calore uno in fase di raffreddamento ed uno in fase di riscaldamento a spese del primo) impone la presenza di valvole di isolamento dei volumi attivi.
    Il bisogno aguzza l'ingegno.
    Per ottenere un brevetto che fosse originale Ericsson ha dato vita ad una generazione e tipologia di macchina completamente nuova. Tipologia che ancora oggi, sotto il mentito nome di ciclo Joule o Brayton, manda avanti il mondo del trasporto aereo e buona parte delle nuove centrali elettriche. Il fatto che il ciclo sia realizzato con macchine rotanti poco cambia.
    E per i puristi che obiettano che le turbine sono a combustione interna, rispondo che dal punto di vista termodinamico teorico nulla cambia. Ammetto che sul piano pratico cambia molto, ma questo cercherò di spiegarlo nel dettaglio in futuro. Però non c'è progetto di reattore nucleare ad alta temperatura che non preveda il suo ciclo Ericsson ad Elio fortemente pressurizato riscaldato dall'esterno.
    Però la tecnica non è una religione.
    Egli stesso ha realizzato quindi motori sia secondo il suo ciclo che secondo quello di stirling.
    Per applicazioni diverse però.
    E quello che proverò a dimostrare, ammesso di averne le capacità espositive, è che i due motori non sono antagonisti ma complementari. Per qualche cosa va meglio l'uno. Per qualche cosa l'altro. Con ovviamente una fascia di sovrapposizione.
    Nella tecnica applicata i dogmi non esistono. Esistono le esigenze dei clienti ed infiniti modi di accontentarle. Ed esiste una combinazione di soluzioni che dovrebbe soddisfarle meglio di tutte le altre. Ma siccome le variabili indipendenti del problema sono sempre molte, non esiste una soluzione matematica univoca ad un problema per sua natura multimensionale.
    E con questa considerazione vi rimando alla prossima puntata.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  7. #7
    Seguace

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    Predefinito Ed il motore di Zpavanel di che tipo è?

    Questo motore: http://digilander.libero.it/digitalrino/page_7.htm

    che tanto ha fatto discutere ed iniziare topic anche su questo forum, dove si colloca?

    Ha le valvole. Quindi è una macchina di Ericsson.
    Secondo quale ciclo opera?
    Ha una compressione monostadio non raffreddata (quindi adiabatica) ed una espansione pure monostadio senza riscaldamento (quindi adiabatica).
    Ha le valvole che isolano i volumi variabili attivi (i cilindri) dal resto del circuito, e questo obbliga ad avere nel resto del circuito una pressione costante (isobare).
    Quindi questa macchina opera secondo il primo ciclo di Ericsson (impropriamente conosciuto e passato alla storia come Brayton) composto da due adiabatiche e due isobare.

    Quest ciclo ha un rendimento teorico pari a : n=1-1/B^(K/(K-1))

    Con B= rapporto tra le pressioni massime e minime del ciclo
    e K = rapporto tra i calori specifici a pressione costante e volume costante del gas utilizzato. Il K dipende dal tipo di gas e vale 1,33 per i triatomici (tipo CO2), 1,4 per i biatomici (tipo l'aria), 1,6 per i monoatomici (tipo l'elio)

    Quindi il rendimento teorico dipende solo dal rapporto di compressione e dal fluido impiegato.
    L'esercizio di ripetere il calcolino per diversi fluidi è banale e ve lo lascio fare. Non è difficile trovare già fatto il relativo grafico del rendimento teorico al variare del K in funzione dei vari rapporti di compressione. C'è nel file allegato.
    Vi anticipo che al salire del valore del K il rendimento del ciclo sale. La differenza diventa man mano maggiore per rapporti di pressione più alti. Per fissare in mente un valore diremo che per rapporti di pressioni usuali la differenza di rendimento può valere il 20% a favore dei gas monoatomici.
    E questo spiega la tendenza ad utilizzare l'elio negli impianti avanzati.
    E questo vale non solo per il ciclo Brayton, ma anche per lo Stirling e l'Otto.
    Ecco perchè anche negli Stirling si usa l'elio.
    E ci aggiungo che la diffusività enorme e la sua conducibilità termica di un ordine di grandezza superiore all'aria aiutano a diminuire le dimensioni degli scambiatori di calore. Dimensioni che se sono ininfluenti per un Brayton ai fini del rendimento (non certo per il costo, che invece pesa per una percentuale importante), sono invece importantissime per uno stirling, in cui gli scambiatori fanno parte dei volumi morti.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  8. #8
    Seguace

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    Predefinito Parentesi - I volumi morti

    Avendo citato i volumi morti volevo spendere due parole sull'argomento.
    Tutte le macchine volumetriche, per forza di cose, hanno un rapporto di compressione detto geometrico.
    In senso del tutto generale potremmo definirlo così:
    "Il rapporto tra il volume massimo assunto dalla macchina ed il suo volume minimo".

    Espresso così esso è di validità universale. Altra storia è calcolarlo.
    Infatti per una macchina monocilindrica e monofasica la cosa non è difficile. Altra storia quando i cilindri afferenti ad una fase del ciclo sono due o più.
    In questo caso bisogna calcolare la legge con cui varia il volume di ogni cilindro in funzione dell'angolo di manovella. Mettere le due leggi su un grafico o crearne una espressione matematica che rappresenta la somma algebrica delle due funzioni ed andare a ricercare il valore massimo e minimo.
    Da questo si ricaverà poi il rapporto ricercato mediante la solita e ben conosciuta formuletta:

    Rc= (Volume massimo spazzato dai pistoni + volume non spazzato) /(Volume minimo spazzato + volume non spazzato)

    Il volume non spazzato equivale per capirci al volume della camera di combustione di un motore MCI (motore combustione interna).
    In un motore senza valvole in questo volume sono compresi tutti gli scambiatori caldo e freddo e tutti i tubi di collegamento. Infatti l'assenza di valvole fa sì che il circuito sia sempre tutto uno ed alla stessa pressione.
    Ma come influisce sul ciclo questo volume morto?
    Influisce in due modi.
    1) Primo riducendo il rapporto di compressione volumetrico del ciclo.
    E questo può essere un bene od un male. Dipende da molte cose. Il ciclo Stirling teorico non viene influenzato dal rapporto di compressione, ma solo dal rapporto delle temperature. MA quello pratico si. Soprattutto la sua potenza specifica ne viene influenzata. Ma quando si parla di motori volumetrici tra potenza specifica e rendimento c'è una correlazione abbastanza diretta. Non viene dai cicli termodinamici, ma da semplici correlazioni pratiche.
    Un motore volumetrico, se ben fatto, può avere un rendimento meccanico che si aggira tra lo 0,6 e lo 0,9. Mentre una turbina si aggira tra lo 0,97 e lo 0,98.
    Cosa vuol dire? Che il rendimento di una turbina è una questione di ciclo termodinamico e rendimento fluidodinamico delle turbomacchine. Fine
    Mentre un motore volumetrico, qualunque ciclo segua, ha sempre delle perdite meccaniche cospique.
    Ma queste viaggiano con l'estensione delle superfici a contatto, le pressioni interne, ma preponderante è l'effetto della velocità di rotazione, che influisce direttamente sulle velocità di strisciamento ed indirettamente sulle forze scambiate dal manovellismo per le forze alterne di inerzia, che viaggiano addirittura con il quadrato della velocità di rotazione.
    Quindi perdite per attrito grandi in assoluto.
    Viene da se che se queste perdite sono spalmate su una potenza generata piccola esse percentualmente peseranno tanto. E viceversa. Aumentare la potenza specifica di un motore volumetrico vuol dire quasi sempre diminuirne anche il consumo specifico, che è l'inverso del rendimento.
    L'eccezione che conferma la regola sono i motori ultraveloci, tipo F1. Quelli per cui si conta sulla velocità di rotazione per aumentare la potenza. Non è il nostro caso.
    Noi non saliamo di velocità, noi pressurizziamo. Cioè aumentiamo la potenza erogata a pari velocità e quindi pari perdite per attrito.
    2) Riducendo il rapporto tra Pmax e Pmin a pari rapporto tra le temperature. Questa è una perdita veramente grossa.
    E giustifica tutti gli sforzi fatti dai costruttori di Stirling per ridurre il volume morto.
    Solo che c'è un trade-off. Se diminuisco il volume morto riduco le superfici di scambio e la potenza del motore. Ma con la potenza cala il suo rendimento, per quanto detto prima. Un classico problema di minima. Una buona progettazione di un motore Stirling è tesa a trovare il miglior compremesso. Cosa non facile.

    Ed una macchina dotata di valvole?
    Queste non soffrono dei volumi morti. Semplicemente, dato che le valvole isolano i volumi attivi durante le fasi di compressione/espansion, i volumi che contano sono solo quelli interni ai cilindri. Tutto il resto può avere un volume grande a piacere. E questo significa non dover lesinare sugli scambiatori per non abbassare il rendimento.
    Esistono certo anche qui dei limiti. MA sono più che altro relativi alla rapidità di risposta.
    Importante per un motore da autotrazione, ma non per noi che parliamo di motori stazionari da generazione elettrica.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  9. #9
    Seguace

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    Predefinito PArentesi - Il Trade-Off

    Voglio aprire un'altra parentesi.
    Una delle differenze significative tra le due categorie di macchine è l'interazione tra i componenti.
    Le valvole, isolano i volumi attivi da quelli morti. Ma questo lo abbiamo già spiegato. Però lo abbiamo spiegato solo per quanto riguarda le influenze dirette.
    Una influenza indiretta, ma importantissima, è che isolano i componenti anche dalle reciproche influenze negative.

    Un esempio vale più di mille parole.
    Tutti sappiamo dell'importanza del rigeneratore, sia nello stirling che nell'ericsson.
    Se aumento la grandezza del rigeneratore cosa succede nei due cicli?
    Nei due cicli teorici nulla. tutti e due aumentano di rendimento.
    Nei motori pratici il discorso è diverso.
    Stirling. Non ci sono valvole, tutto il percorso del fluido fa parte del volume attivo. Aumentare la dimensione del rigeneratore aumenta anche il volume morto che abbiamo visto essere dannoso. Quindi si dovrà fare una scelta di compremesso tra diverse esigenze. Disegnata l'ipotetica curva di trade-off tra l'aumento di efficienza dovuto al rigeneratore più grande e la diminuzione dovuta al volume morto più grande, dovrò sceglie un punto di questa curva che mi dia il miglio copromesso. Ed il risulato non è scontato a favore dell'aumento di rendimento. Molti piccoli modellini in realtà funzionano solo perchè il rigeneratore non c'è. Olte al volume morto infatti esso introduce anche perdite per caduta di pressione (resistenza) nei condotti. Se il motore gira a bassa pressione queste perdite possono essere percentualmente importanti. Un decimo di bar su un motore che gira a pressione media atmosferica e quindi un delta di pressione tra Max e Min di 0,4 bar fa il 25% di energia mangiata dal rigeneratore. Aggiungo che quando si alimenta il motore con una fiamma l'energia termica è comunque in eccesso, quindi meglio toglierlo e lasciare il motore più libero.
    Ericsson. Ci sono le valvole. Nessuna influenza reciproca tra i componenti. Aumento anche qui la dimensione del rigeneratore. Il risultato sarà di sicuro un aumento dell'efficienza. Anche qui ci sarà un aumento di perdite fluidodinamiche. Ma molto più basso. Infatti il passaggio di fluido non è ciclico (non è che tutta la quantità deve attraversare il rigeneratore avanti ed indietro ad ogni giro motore) e quindi ad un aumento delle dimensioni può corrispondere una certa diminuzione delle velocità di attraversamento che in parte possono compensare la maggiore superfice di interfaccia.

    Conclusione: un motore dotato di valvole, pur se non migliore in assoluto in termini termodinamici, è di sicuro più semplice da progettare e più facile da mettere a punto.
    Le linee guida per fortuna sono state scolpite nella pietra da 70 anni di pratica turbinistica. Almeno per il ciclo termodinamico. Saranno da adeguare alla particolarità delle macchine volumetriche.
    Non è semplice, ma neanche difficilissimo.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  10. #10
    Seguace

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    Predefinito

    Quote Originariamente inviata da Stranamore Visualizza il messaggio
    Questo motore: http://digilander.libero.it/digitalrino/page_7.htm
    ....
    Quest ciclo ha un rendimento teorico pari a : n=1-1/B^(K/(K-1))
    ....
    Ringrazio Stranamore per gli spunti di riflessione e di approfondimento che ci offre.

    La formula sopracitata però è errata, e difatti i conti non mi tornavano...
    Va corretta invertendo il gamma, cioè da ^(K/(K-1)) a ^((K-1)/K)
    Questo viene confermato anche da Wiki...
    Ciclo di Brayton-Joule - Wikipedia

  11. #11
    Seguace

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    Predefinito Contributo

    Ringrazio rampa per il validissimo contributo.

    In effetti l'ho scritta a memoria. Avevo allegato anche un file che citavo nel post ma il sistema non l'aveva preso. Nel file c'era il rendimento ed anche il grafico. Lo riallego adesso. Ci aggiungo un altro file allegato in passato in altro topic molto completo.
    Tutti questi documenti sono di validità generale, ma incentrati sulla realizzazione del ciclo mediante turbomacchine.
    Sarà mia cura, andando avanti, segnalare le differenze che comporta la realizzazione mediante macchine volumetriche.
    File Allegati File Allegati
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  12. #12
    Novizio/a

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    Predefinito

    salve sono nuovo nel forum, vorrei dire complimenti a stranamore per la spiegazione..cmq io sarei intenzionato a costruire uno stirling, o magari meglio qualche turbina ad ciclo stirling o a vapore, solo che non ne capisco molto di fisica e quant'altro, o tutta l'attrezzatura necessaria per costruire qualsiasi cosa.. dai cuscinetti, alle boccole, a pistoni di vario diametro e forme,alle fasce elastiche, valvole e tutto quello che serve.. fino a poco tempo fa avevo un'azienda che si occupava di costruzione parti di motori, turbine, e tante altre cose, poi purtroppo a causa della crisi e dell'elevato numero di ordini annullati da parte dei clienti, per non parlare della banca che a prosciugato il nostro conto aziendale , abbiamo dovuto chiudere.
    comuque ritornando a noi, chi mi aiuta?...

  13. #13
    Seguace

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    Predefinito

    Spero che la pausa di Stranamore sia solo tale, perchè l'argomento è troppo interessante per essere interrotto qui.
    Da parte mia desidero solo fare alcune precisazioni che possano agire da stimolo ad ulteriore discussione e alla partecipazione anche di altri utenti interessati alla teoria.

    La sotto-classificazione dei "motori a combustione esterna dotati di valvole" si potrebbe applicare a rigor di logica solo ai motori volumetrici tipo cilindro/pistone (tanto per capirci), che hanno valvole, e non per esempio alle turbine che pur avendo lo stesso ciclo termodinamico, non hanno nessuna valvola.

    Una classificazione corretta dei motori termici, piuttosto che sulla presenza o meno di valvole, dovrebbe basarsi a mio parere sul ciclo termodinamico, ma sappiamo tutti che le classificazioni possono essere fatte in tanti modi, secondo l'utilizzazione pratica che se ne vuole fare.

    Da parte mia ripropongo una classificazione generale dei motori, già postata da me tempo fa, che si basa piuttosto sulla movimentazione del mezzo di lavoro.
    Dentro questa classificazione per me ci stanno tutti i tipi motori termici conosciuti.

    1 - MOTORI A FLUSSO LINEARE

    Sono i motori in cui il mezzo di lavoro, dopo aver esercitato la sua funzione meccanica, esce dal motore in modo diverso da come vi era entrato, cambiando pertanto la sua struttura chimica. Quindi nella forma con cui esce, dentro nel motore, come tale, non ci rientra più.
    Sono tipicamente i motori a combustione interna (a scoppio secondo i vari cicli, e a turbina).
    In questi motori non ha senso parlare di cambiamento di fase liquida/gassosa.

    2 - MOTORI A FLUSSO CIRCOLARE

    In questo caso il mezzo di lavoro non cambia le proprie caratteristiche chimiche durante il processo termodinamico, come nel caso precedente, ma fluisce dentro il motore seguendo una direzione ben precisa:
    - compressione - riscaldamento - espansione - raffreddamento.
    Le varie fasi vengono di norma eseguite in contenitori distinti, separati dalle valvole che regolano il flusso in modo circolare.
    Può mancare il radiatore freddo, nel caso dello scarico atmosferico del gas espanso, ma l'impostazione resta valida, dato che concettualmente si può presumere che il radiatore freddo sia infinito e rappresentato da tutta l'atmosfera terrestre.
    E anche in questo caso il gas che esce è uguale a quello che entra...
    In questi motori si distinguono i motori a vapore (cambiamento di fase) da quelli a gas (senza cambiamento di fase).

    3 - MOTORI A FLUSSO PENDOLARE

    Sono i motori in cui il mezzo di lavoro fluisce dentro la camera seguendo lo stesso percorso ma in modo inverso: si muove prima in un senso e poi nell'altro senso facendo sempre la stessa strada. In questi motori la camera è unica, e comprende la zona di riscaldamento, di raffreddamento, di espansione e di movimentazione del mezzo di lavoro, non separate da valvole.
    La pendolarità del movimento consente un'efficiente rigenerazione e il recupero termico.
    Sono i motori a ciclo Stirling.
    Finora per questi motori come mezzo di lavoro è sempre stato usato il gas e non si è mai utilizzato il vapore.
    In teoria il cambiamento di fase per questo motore non si può assolutamente escludere, anzi, con una corretta impostazione meccanica è possibile progettare e costruire uno Stirling a cambiamento di fase.
    Diventerebbe per natura uno Stirling a bassa differenza di temperatura, con basso rapporto peso/potenza e con rendimenti interessantissimi, se rapportati al rendimento di Carnot per quel DT.

    Voglio solo ribadire che teoricamente a sua costruzione è possibile...
    Ultima modifica di rampa; 26-09-2011 a 06:55

  14. #14
    Seguace

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    Tranquillo, è solo una pausa dovuta in parte ad impegni ed in parte alla ricerca di materiale da postare. Oltre a quello che scrivo io vorrei anche fornire materiale utile a tutti per approfondire.

    Per quanto riguarda la classificazione, è chiaro che qualunque si adotti è solo una convenzione per capirsi.
    Quella da te proposta non è male. Però mi sembra più che altro riferibile all'impianto nel suo complesso che non alla macchina trasformatrice.
    Per esempio: un motore a combustione interna in cui cortocircuito scarico e aspirazione attraverso uno scambiatore di raffreddamento, e poi fornisco dall'esterno combustibile e comburente. Come lo classifico?
    Sembra un caso estremo ma questo impianto che ho descritto è di normale produzione nel campo dei sottomarini convenzionali ad autonomia subacquea aumentata. Corrisponde al motore diesel a circuito chiuso, impianto che viene proposto in alternativa ad altri sistemi. E' una alternativa, peraltro migliore sotto molti punti di vista, allo Stirling della Kokumus (mi pare che si scriva così), o alle fuel cell tedesche.
    Lo stesso stirling cambierebbe categoria a seconda se prendo come perimetro la sola macchina volumetrica od anche il suo combustore.
    Bisognerebbe approfondirla meglio.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  15. #15
    Seguace

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    Comuque la classificazione del Walker è effettivamente riferita solamente ai motori volumetrici a combustione esterna.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  16. #16
    Seguace

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    Forse l'argomento è OT ma in un thread teorico di alto livello come questo ho pensato valesse comunque affrontarlo.
    L'argomento è l'efficienza della conversione del moto oscillante del pistone in moto rotatorio dell'albero.
    Ho sempre dato per scontato che al di là delle perdite per attrito l'efficienza fosse elevata (100%).
    Provando ad analizzare il sistema biella/manovella mi sono accorto che l'efficienza invece è inferiore.
    Se la cosa interessa posso approfondire l'analisi arrivando a qualche stima più precisa.

  17. #17
    Seguace

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    Predefinito Per Yuz

    Il sistema biella manovella ovviamente non è perfetto, ma tutto sommato uno dei migliori.
    Il motivo è presto detto. Qualunque sistema, dato per scontato che sia dimensionato correttamente, assorbe una potenza che è proporzionale al numero dei cuscinetti, volventi, idrodinamici o striscianti, di cui è composto.
    LA biella-manovella fondamentalmente ne ha solo due rotanti (banco ed occhio di biella), ed uno oscillante secondo un angolo ristretto (lo spinotto del pistone).
    L'attrito laterale del pistone, perlomeno quello delle fasce elastiche, in prima approssimazione lo possiamo considerare costante per tutti i tipi di manovellismi, in quanto dipende esenzialmente dalle pressioni in camera.
    Nella realtà ovviamente dovrebbe essere considerata anche la spinta laterale che la biella origina. Ma non sposta il valroe in maniera sostanziale. Perchè questa spinta viene "appoggiata" ad una zona del pistone, detta pattino, che lavora in sostentazione idrodinamica. Ovviamente va anche detto che un opportuno disegno della biella, in particolare il rapporto tra la sua lunghezza ed il raggio di manovella, rende piccola a piacere questa forza laterale. Non se ne approfitta troppo nel campo degli MCI perchè allungare la biella significa allungare corrispondentemente tutto il basamento (che costa e soprattutto pesa). MA la possibilità teorica rimane.
    Comunque credo che una analisi approfondita non possa che fare piacere a tutti.
    Apri magari un topic specifico. Stai pure tranquillo che io interverrò.
    Se poi dopo aver analizzato la biella compirai la stessa analisi anche per altri manovellismi, tipo Scotch Yoke, Ross, ecc.. ecc.. farai una favore a tutti.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  18. #18
    Seguace

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    Predefinito Seguendo il Topic - Alcune realizzazioni storiche moderne.

    Per non annoiare con la storia "vecchia" ho deciso di fare un po di salti nel tempo. Per adesso, Rispetto ad Ericsson e Stirling, ne faccio uno in avanti di un secolo e mezzo.

    In allegato trovate due schemi di due macchine a ciclo Brayton costruite e provate tra gli anni 70 e 90 del secolo scorso.
    Sono il sottoprodotto, come gli stirling automobilistici, della spasmodica ricerca di alternative alla benzina dopo la prima crisi petrolifera seguita alla guerra arabo-israeliana del Kippur.
    A tutti è infatti noto che per loro natura questi cicli a gas, avendo come trasformazione superiore una isobara, permettono la combustione continua. Indipendentemente che si tratti di combustione interna od esterna.

    L'analisi.
    La macchina con i cilindri a V di 90° è il motore WARREN.
    La sua concezione è abbastanza banale. Il cilindro di sinistra comprime l'aria, essa passa nel combustore dove si riscalda, e viene poi espansa dal cilindro sulla destra che è l'espansore.
    Semplice oserei dire. Ma purtroppo non eccelsa nel rendimento. Cerchiamo di capire il perchè.
    A favore:
    1) L'elevato rendimento adiabatico di compressione ed espansione. Circa 0,9. Che per capirci è da confrontarsi con lo 0,75 di un compressore radiale centrifugo di piccola taglia ben progettato e nel suo punto di progetto. Una turbinetta radiale può spingersi a 0,8, ma è dura, molto dura.
    2) La pratica costanza di questo rendimento al variare della portata. Un compressore dinamico scende a picco alle portate parziali o quando è "fuori progetto".
    3) La separazione assoluta tra le porzioni di macchina che comprimono da quelle che espandono permette delle ottimizzazioni. Ad esempio è possibile raffreddare energicamente le pareti del cilindro compressore e rendere invece adiabatiche quelle dell'espansore.
    4) E' sempre possible, anche se non previsto da WARREN, l'inserimento di un rigeneratore a piastre tra lo scarico e l'aria compressa valle compressore e monte combustore per aumentare l'efficienza.

    A sfavore:
    1) La limitazione della Tmax. Dovendo la testa del cilindro caldo restare per tutto il tempo alla massima temperatura del ciclo essa sarà limitata a quella massima ammissibile dal suo materiale. Problema comune anche agli Stirling, e da cui invece gli MCI sono immuni avendo alternanza di fluido caldo freddo al loro interno con le Tmax raggiunte per una frazione veramente piccola del ciclo totale. Quindi mentre un MCI può tollerare Tmax vicine ai 3000°C (benzina stechiometrico.) un motore a combustione continua difficilmente sale oltre gli 850°C. Perlomeno se si rimane del campo degli acciai austenitici inossidabili altolegati. Andare sopra significa iniziare a parlare di Nymonic o Inconel. Roba dal costo esagerato. Non tanto per il materiale in se, ma per la bassissima lavorabilità e saldabilità che impongono processi veramenti complicati.
    2) La mancanza di un rigeneratore già citata.
    3) La potenza specifica bassa essendo il motore ad alimentazione atmosferica.
    4) IL basso rendimento meccanico. E qui c'è da ragionare. Un MCI ha un lavoro di compressione basso rispetto al lavoro generato durante l'espansione. Questo dipende in larga misura dalla divergenza delle isobare nel piano TS, che a sua volta dipende dalla variabilità dei calori specifici dei gas reali con la teperatura ed in parte con la pressione.
    In buona sostanza e per semplificare: essendo l'entalpia data per un gas dall'espressione Cp*(T2-T1) ed essendo che il lavoro scambiato è pari alla variazione di entalpia stessa, il lavoro scambiato ad alta temepratura, a pari delta T, è maggiore di quello a bassa temperatura perchè il Cp alle alte temperature è più grande. Siccome l'espansione in un MCI avviene tra 3000 °C e 1500 °C circa mentre la compressione tra i 20 ed i 550 °C (parlo sempre di benzina) ecco che il lavoro di compressione è sempre piccolo rispetto a quello di espansione. Invece nel caso di un Brayton gli intervalli d iteperatura, per la limitazione sulla Tmax sono molto più vicini, ed il lavoro di compressione assume una porzione rilevante di quello generato dall'espansione. Per un Tmax di 850° tale rapporto può essere due terzi. Cioè i due terzi del lavoro di espansione deve essere mandato al compressore. Una percentuale rilevante quindi. E questa potenza nel motore WARREN deve obbligatoriamente passare tutta per il manovellismo. Immaginate che la pressione nel cilindro caldo deve passare per il suo spinotto, poi per l'occhio di biella del cilindro caldo, poi per l'occhio di biella del cilindro freddo e poi per quello spinotto. Questi sono rendimenti di trasmissione in serie. E poi c'è in parallelo l'attrito dei cuscinetti di banco.
    Se ogni accoppiamento perde il 3%, semplificando al massimo come se fossero tutti in serie 0,97*0,97*0,97*0,97*0,94= 0,83. Cioè perdiamo in attrito il 17% della potenza verso il compressore. Gliene servivano i due terzi, diciamo 0,66. Gliene dovrò mandare 0,66/0,83=0,79. Praticamente i 4 quinti della potenza generata viene riassorbita internamente dal motore.
    Spero d iaver chiarito un concetto che era si semplice, ma non intuitivo. Ho fatto delle semplificazioni e delle approssimazioni per essere conciso e far rimanere i cocetti. Non me ne vogliate.
    Immagini Allegate Immagini Allegate
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  19. #19
    Seguace

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    Predefinito Il motore Brayton dell'Istituto Motori del CNR

    Il secondo schema è relativo ad una macchina studiata, realizzata e sperimentata all'Istituto Motori del CNR di Napoli.
    Dietro c'è una precisa filosofia, un concetto teorico estrapolato dall'analisi delle equazione fondamentali del rendimento di questo ciclo.
    A livello meccanico essa è basata su un pistone doppio effetto, che da un lato comprime il gas freddo, dall'altro espande quello caldo. Essa è rigorosamente a circuito chiuso (combustione esterna) e rigenerativa. E spieghiamo perchè.

    Chi si è letto i documenti di termodinamica postati ad inizio topic saprà oramai che un ciclo brayton rigenerato sale di rendimento, contrariamente a quello non rigenerato, quando scende di rapporto di compressione. Questo perchè aumenta la quantità di calore rigenerabile. Purtroppo scende la potenza specifica del ciclo. Ed anche questo è noto dalle equazioni fondamentali. Ma qui viene in aiuto il ciclo chiuso e la sua capacità di pressurizzazione al di sopra della pressione atmosferica. Questa era la filosofia di questo motore. Un rapporto di compressione basso 2:1 - 3:1 manometrico accoppiato ad una forte pressurizzazione di base. Decine di Bar. A questo si aggiunge la scenta di un fluido di lavoro, l'Elio, che essendo monoatomico ha un K di 1,667 contro l'1,4 dell'aria, una conducibilità ed una diffusività termica di un fattore 10 più alte di quelle dell'aria. Il K entra direttamente nella formula del rendimento. Basta guardarsela per capire che a valori più alti corrispondono rendimenti maggiori. Queste due ultime caratteristiche invece, pur non comparendo direttamente nelal formula, aiutano in maniera drastica a migliorare l'efficienza del rigeneratore, fissata una superficie di scambio minima, ed a tenere basse le perdite fluidodinamiche.
    L'efficienza del rigeneratore compare direttamente nella formula del rendimento teorico. Le perdite fluidodinamiche compaiono di solito nel rendimento organico, ma pesando comunque molto, ogni piccolo miglioramento su di esse si traduce in cospicui miglioramenti di rendimento.

    Spiegato questo si è spiegata in realtà la completa filosofia progettuale di questa macchina.
    Che fine ha fatto? A saperlo ve lo direi.
    Le memorie sull'argomento sono state poche e non pubbliche. Questo potrebbe essere giustificabile con il fatto che il CNR è un ente statale e forse il motore in questione poteva avere interesse militare per la sua intrinseca policombustibilità. Non saprei.
    Qualche notizia frammentaria riportata nei sacri testi ha citato questa macchina come non conveniente nei consumi, rispetto presumo agli MCI, soprattutto per le perdite di calore.
    La mia modestissima opinione è che ci avrebbero dovuto lavorare di più. Ovviamente la configurazione a doppio effetto si presta alle perdite termiche soprattutto per effetto "pendolare" dello stesso pistone, fenomeno molto conosciuto agli "Stirlingari" a carico del displacer, che passando dalla zona calda a quella fredda praticamente è lui stesso a trasportare il calore come ponte termico. Ma le configurazioni idonee a minimizzare il fenomeno esistono, ed oggi i rivestimenti ceramici hanno fatto progressi da gigante.
    Sarebbe da riprendere. Ma non sono mai riuscito a procurarmi i dati sulla ricerca e quindi resto nel dubbio come tutti voi.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  20. #20
    Seguace

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    Predefinito Un'altra realizzazione recente

    Quella che vi presento negli allegati è una recente applicazione che è stata anche valutata dalla NASA e dalla Marina Militare USA. Concettualmente assomiglia al motore WARREN. Cilindri a V di 90 ° con una bancata di compressione ed una bancata di espansione.
    In pratica non hanno inventato niente.
    Però hanno aggiunto un rigeneratore. Questo si che è un loro brevetto. MA non per il concetto, per la modalità di costruzione dello stesso.
    Anche il concetto dell'Afterburnig, che altro non è che mettere il bruciatore allo scarico dai cilindri caldi ed affidare al rigeneratore il compito di scambiare tutto il calore, è un concetto vecchio. Pensato all'origine per bruciare polverino di carbone, o altri combustibili poveri e corrosivi, nelle turbine a gas. Considerato che è impossbile fare un rigeneratore ad efficienza unitaria non la ritengo neanche una idea troppo furba.
    Certo mantiene la sua utilità originaria: bruciare combustibili poveri. Il carbone e la biomassa sono i primi candidati. Gli olii vegetali "tal quale" seguono a ruota. MA va comunque valutata bene la manutenzione degli scambiatori. Infatti tengo pulito il motore ma imbratto lo scambiatore primario. Che se non è pulibile in maniera semplice ed economica mi invalida il costo operativo dell'impianto.
    Segnalo come punti positivi del progetto:
    1) Il raffreddamento dei cilindri compressori.
    2) L'isolamento termico dei cilindri espansori.
    3) Il pistone "tuffante" molto lungo.
    E qui apro una prentesi. Contrariamente alle turbine, i motori volumetrici hanno bisogno del film di lubrificante sulle pareti della canna cilindro per lo scorrimento delle fasce di tenuta. Il lubrificante ha dei precisi limiti di temperatura. Se supera i 250 ° inizia ad alterarsi. Le sue frazioni più leggere vaporizzano e le pesanti crackizzano. E devo cambiarlo periodicamente. Quindi attenzione a dire: isoliamo il cilindro caldo. Perlomeno fin dove arrivano le fasce, e quindi l'olio, il raffreddamento è una necessità tecnologica irrinunciabile.
    Qui si è separata nettamente, mediante un pistone molto allungato, la parte di pistone con le fasce (basse e che strisciano su una porzione di parete raffreddata) dal cielo che invece si aggira nella parte con i gas ad alta temperatura.
    La cosa non è scevra da inconvenienti. Ovvio che il pistone così fatto è pesantissimo. E questo inciderà sulla velocità di rotazione massima raggiungibile. Ma anche nel rendimento meccanico (peggiorandolo) perchè una sua porzione dipende dalle forze alterne di inerzia ed in definitiva quindi dal peso degli organi in movimento.
    File Allegati File Allegati
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  21. RAD
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