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Discussione: Strumenti di calcolo sui motori esotermici

  1. #61
    Appassionato/a

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    ciao Stranamore,
    finalmente su questa sezione si cominciano a dire cose interessanti, grazie a te.
    Sul tuo simulatore c'è però una cosa che non mi è chiara: è chiarissimo quello che dici relativo al processo solutivo del simulatore, ma da qualche parte gli devi pur dire se, effettuando una compressione ad esempio, la temperatura del gas varia con esponente 1 al volume o più grande, a meno che molto realisticamente il tuo simulatore, assegnatogli il k dal gas, non faccia sempre delle adiabatiche mitigandole con le condizioni al contorno.
    Si, penso che sia così.
    Guarda che non sto mettendo in dubbio quello che dici, o quel che il simulatore spara fuori (per inciso, se fai quel click e mi mandi le curve di temperatura lo apprezzerò moltissimo!), sto solo cercando di capire, e per questo scavo.
    Potrebbe essere interessante fare un ciclo non con 700 °C, ma con non di più di 250.
    Nei miei alfa non ricordo esattamente il rapporto di compressione ma mi ero ben guardato di salire troppo, proprio per non avere il limite di funzionamento inferiore troppo alto, e per questo avevo tenuto, nel caso di un hot cap, un bel volume morto a entrambi i cilindri, cosa che mi aveva dato molto fastidio fare.
    Quando parliamo dell'Ericsson (o Brayton), che mi sto accingendo a fare?
    Ciao tutti,
    Fort41

  2. #62
    Seguace

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    Posterò i grafici. Appena avrò il tempo.
    Due parole ancora sul simulatore per chiarire alcuni principi.
    Soddisferà le curiosità di fort41 ma penso anche di altri. Forse anche di Yuz.
    Una cosa in particolare voglio provare a spiegare.
    Ripeto: non esistono ipotesi a priori sulla trasformazione seguita dal fluido di lavoro.
    Ma cosa significa questo? Dei sistemi di equazioni differenziali si è già detto.
    Ma in cosa si traduce in pratica? Proverò a spiegarlo con la descrizione di una implementazione matematica classica del modo di funzionamento del simulatore. Cioè spiegherò un modo di procedere, da me in passato implementato per un mio simulatore, che è basato sulla matematica classica ma che dovrebbe dare risultati non troppo dissimili dall'approccio ad equazioni differenziali.
    Iniziamo subito con il dire che il foglio elettronico classico di per se non basta, io l'ho implementato mediante programmazione Visual Basic di Excel (quasi 2 Mb di codice) e il foglio elettronico alla fine, dopo che il programma ne aveva popolato le celle, serviva solo a fare i grafici di volume, pressione e temperatura.
    1) Definisco un asse temporale, per esempio gli angoli di manovella
    2) Parto dai valori inziali di aspirazione (condizioni al contorno) che saranno diciamo i valori al grado X.
    3) Avanzo di un grado di manovella andando al grado X+1
    4) calcolo di conseguenza le variazioni di volume e superficie esterne (di cui avrò imposto le temperature come condizioni al contorno)
    5) Calcolo con opportuni modelli di calcolo "di letteratura" gli scambi termici alle pareti in funzione dei deltaT.
    6) calcolo le quantità di calore entrate nel sistema (in caso di combustione) e il lavoro di pressione estratto per variazione di volumi (delta volumi tra X+1 e X e pressioni del punto X).
    7) Con i valori precedenti calcolo a ritroso l'esponente n della politropica seguita dal fluido.
    8) Con questo esponente e le formule classiche della politropica (simili all'adiabatica ma di esponente a piacere) calcolo la variazione di pressione e temperatura al punto X+1.
    9) Ricomincio utilizzando questi valori come condizioni iniziali per il punto X+2.

    Spero che quanto scritto sia comprensibile. Ammetto che non è semplice e che forse io non ho saputo neanche spiegarmi.
    Evidente che il calcolo è una approssimazione non esatta, perché uso i volumi al tempo X+1 e le pressioni al tempo X. Ma se la discretizzazione dell'asse x è sufficientemente piccola l'errore è piccolo anch'esso. Un ulteriore passo potrebbe essere, invece di sommare bovinamente gli intervalli discreti ricavare la funzione polinomiale che passa per i punti così trovati e integrarla nell'intervallo.

    Ripeto che questo non è quello che il simulatore fa veramente, ma descrive in termini di matematica classica l'approccio di calcolo fenomenologico in cui si descrive il sistema fisico e si calcola l'evoluzione termodinamica come conseguenza delle variazioni del sistema fisico e non in seguito a ipotesi più o meno idealizzate di trasformazioni. Di fatto l'evoluzione del sistema in una delle sue fasi, per esempio l'espansione, non segue una legge termodinamica unica, ma una politropica diversa per ogni intervallo di calcolo discreto.

    Un'ultima cosa: dove interviene la sperimentazione? Dappertutto. Infatti già i sottomodelli (tipo scambio termico) vanno calibrati con misure reali. Però un enorme vantaggio è che la letteratura sui motori è immensa e a patto di pagare abbonamenti vari alle varie pubblicazioni di settore molti dati sono noti a priori. D'altronde sono 200 anni che ci fanno ricerca sopra.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  3. #63
    Seguace

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    @fort41 in particolare
    Se vuoi parlare di Brayton io sono disponibile, ma su un altro topic. Non è giusto portare fuori topic qualcosa iniziato da Yuz e che si intitola "strumenti di calcolo". Fino ad adesso siamo stati in-topic parlando di strumenti anche se border line rispetto al fatto che Yuz parlava degli strumenti che ha realizzato lui. Spero infatti che il post precedente possa essere di interesse anche per lui e mi piacerebbe sapere cosa ne pensa.
    C'è un topic iniziato da me che si intitola "i motori a combustione esterna dotati di valvole".
    puoi utilizzare quello o crearne uno nuovo tu specifico per il tuo progetto.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  4. #64
    Appassionato/a

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    Ciao Stranamore,
    ti ringrazio per la spiegazione, chiarissima.
    Io invece, più semplicemente e meno precisamente, parto ovviamente dalla evoluzione del volume (per passi di qualche grado di manovella), poi scrivo le variazioni di pressione e temperatura con una politropica di grado k , che è il mio parametro (una volta definiti tutti i restanti, geometrie, temperature, pressioni iniziali); infine, per vari valori di k ottengo
    le curve p,t(v).
    Con k=1 ho il caso isotermo (Schmidt per capirci), con k uguale a quello del gas ipotizzato ho il caso adiabatico.
    Questo è il discorso di base; per motori free-piston la cosa si complica un po', si deve introdurre la legge del moto del pistone libero in funzione della pressione, e si ha così dei diagr. p,t(v;giri/min).
    Senz'altro il tuo è meglio, dovrebbe consentire anche di avere con buona approssimazione il calore assorbito, e quindi (finalmente) il rendimento del motore reale, e non del ciclo di riferimento.
    Ho confrontasto i miei risultati con quelli che puoi ottenere andando sul sito "zigherzog.net" del prof.Z.Herzog e utilizzando il programma open che ci trovi, e le differenze sono abbastanza ridotte.
    Il programma di Z.Herzog è alle differenze finite, con soluzione delle equazioni differenziali alla Kutta.
    Per il Brayton hai ragione, ci sentiremo sul topic che mi hai indicato.
    Ciao e grazie, Fort41

  5. #65
    Seguace

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    Quote Originariamente inviata da Stranamore Visualizza il messaggio
    Non è giusto portare fuori topic qualcosa iniziato da Yuz e che si intitola "strumenti di calcolo". Fino ad adesso siamo stati in-topic parlando di strumenti anche se border line rispetto al fatto che Yuz parlava degli strumenti che ha realizzato lui.
    Ciao Stranamore,
    la discussione si intitola “Strumenti di calcolo sui motori esotermici” e quindi qualunque segnalazione di ausili per i calcoli e le simulazioni dei motori esotermici è in topic.
    Ho presentato quelli da me creati sul mio sito perché sono gli unici che conosco e in rete non sono riuscito a trovarne di simili. Ben vengano ovviamente altre proposte.
    Creare il laboratorio virtuale del sito è stato più che altro un esercizio per imparare a programmare un po’ meglio in C#. Essendo venuta meno questa necessità, è un po’ che lo trascuro e non ho più aggiunto contenuti. Credo che alla scadenza dell’abbonamento per l’hosting non lo rinnoverò e il sito cesserà di essere attivo.
    Uso anch’io il foglio elettronico per fare delle simulazioni più dettagliate che distinguerei in due livelli:

    1) simulazioni "statiche" in cui viene considerato il solo ciclo termodinamico trascurando la componente legata alla dinamica degli organi di movimento
    2) simulazioni "dinamiche" in cui dalle forze agenti si determinano spostamenti e accelerazioni degli organi di movimento

    La prima simulazione, nettamente più semplice da implementare rispetto alla seconda, permette di stabilire l’efficacia di una determinata geometria costruttiva ed eventualmente di scartarla per manifesta inferiorità.
    In anni di studi e approfondimenti sono pochi gli arrangiamenti che hanno superato il primo livello di simulazione. Uno di questi è stato il Colibrì sia nella versione biellata che in quella free piston.

    Un saluto.

    Yuz
    Alla scoperta dei motori a combustione esterna - www.scienzalaterale.blogspot.it

  6. #66
    Seguace

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    Predefinito Simulazione avanzata

    Ecco i grafici promessi.
    Rappresentano l'andamento delle pressioni in funzione del volume totale, cioè somma dei volumi dei due pistoni.
    Tutti e due sono stati ottenuti impostando una temperatura massima allo scambiatore caldo di 250° e di 10° a quello freddo.
    Il primo è relativo alla fasatura calssica 90°, il secondo a quella di 135°.
    Le rispettive efficienze simulate risultano essere 14.5% e circa 7%. Quindi la fasatura 90° E' sempre in vantaggio.
    interessante però l'andamento dei volumi poco univoco a 135° che sembra massimizzare l'effetto riscaldamento a volume costante.
    Anche se probabilmente dannoso per il rendimento probabilmente favorisce la potenza specifica (il ciclo risulta più "grasso").
    Va da se che a pari attriti questo potrebbe favorire, in eccesso di calore in entrata, il funzionamento del motore.
    E questo direi che tutto sommato supporta sia la teoria che i risultati sperimentali di fort41.
    Spesso nel mondo reale si è portati a valutare tutto in termini di efficienza, mentre a volte conta la potenza sviluppabile.
    Un po come dire che il motore mercedes di F1 sia più efficiente del corrispondente ferrari.
    Di sicuro è più potente. Stessa cosa potremmo dire che l'alfa con sfasamento a 135° è più potente rispetto a quello a 90°.
    In una condizione in cui gli attriti sono costanti per tutti e due e la quantità di calore in entrata è comunque in eccesso questo può fare la differenza tra un motore che gira ed uno che non gira.



    Ciclo Pressioni Stirling tot.jpgCiclo Pressioni Stirling tot 135.jpg
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  7. #67
    Appassionato/a

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    ciao Stranamore,
    molto interessanti i grafici, interessante l'anomalia che vien fuori ai bassi volumi.
    Abbi pazienza, ti chiederei due cose:
    1) mi puoi dire, circa, quale era il volume attivo degli scambiatori rispetto quello dei cilindri?
    2) quale è la potenza specifica attesa (W/cm^3) a, se ben ricordo, 2000 giri?
    Vedo però che il ciclo ha una pressione media di circa 15 bar, quindi o non hai previsto le perdite inevitabili di fluido, o ci deve essere una pompetta di pressurizzazione da qualche parte: me lo confermi?
    Grazie, Fort41

  8. #68
    Seguace

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    Il motore è dotato di due scambiatori con queste misure interne:

    SCAMBIATORE CALDO
    lunghezza tubi = 200 mm
    diametro tubi = 3 mm
    numero tubi = 40
    temperatura tubi = 250 degC (come da tua richiesta)

    SCAMBIATORE FREDDO
    lunghezza tubi = 45 mm
    diametro tubi = 1 mm
    numero tubi = 300
    temperatura tubi = 10 degC

    Motore pressurizzato ed utilizzante idrogeno (ecco spiegato in parte le prestazioni).
    Non conteggiata la pompa di pressurizzazione... ma con idrogeno è corretto così, perchè il motore deve essere sigillato.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  9. #69
    Seguace

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    LA cilindrata totale, somma dei cilindri caldo e freddo, è 540 cc (alesaggio x corsa = 70 x 70 mm).
    La potenza attesa a 250° è nel migliore dei casi 0.3 W/cm3.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  10. #70
    Appassionato/a

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    Grazie Stranamore.
    Però la potenza specifica attesa, 0,3 W/cm3, mi sembra un poco bassa per un motore di quella cilindrata e per di più pressurizzato, o mi sbaglio? Per fare un motore "da '500" ci vuole un incrociatore!
    Fort41

  11. #71
    Seguace

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    La potenza specifica bassa riflette la bassa temperatura massima del ciclo. È quello che da a 250 gradi.E poi è un netto perchè sono gia sottratti gli attriti. Che non sono bassi. Sono stati assegnati in base a dati noti da strep-down di motori a pistoni. Quindi realistici.Inpratica è quello che veramente avresti al freno.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  12. #72
    Seguace

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    Per la cronaca a 700 °C di temperatura di scambiatore caldo il motore genera 3401 W.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  13. #73
    Appassionato/a

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    Ciao Stranamore,
    ho rimuginato un po’ sui i dati che mi hai inviato, e c’è qualcosa che non mi torna, e vorrei capire (a tue spese!) dove sbaglio.
    Sono partito dal fatto che non mi aspettavo una potenza attesa per cm3 così bassa (0,3 W/cm3 a 250°C ! ), seppur attriti compresi. Ho messo i tuoi dati nel mio programma, e per fare tornare il ciclo ho inserito 400 cm3 come volume di Rigeneratore; ho così ottenuto un ciclo uguale al tuo, sia come estremi di pressione che come “larghezza”; ovviamente i volumi assoluti non tornano con i tuoi, salvo il valore dinamico che ovviamente è lo stesso. Senza questa zavorra il mio ciclo era molto più ampio, in particolare come estremi di pressione (6-28 bar).
    Ora questo ciclo, mio e tuo, è un ciclo con area di circa 63 Joule, che fanno circa 1 Kw a 1000 giri, o giù di lì, e questo non è un problema di termodinamica ma di geometria (integrale grafico).
    A questa potenza equivale una potenza specifica di circa 2 W/cm3, cioè circa 10 volte la tua.
    Ma la mia è prima degli attriti, e la tua li comprende: ma se è così, vuol dire che abbiamo circa 900 watt che se ne vanno per gli attriti: è così ?
    Non ho dati, ma circa 1kW in attriti per un motore da 500 cc, mi sembrano a occhio molti.
    Che ne dici?
    Fort41
    Vedo però solo ora la tua seguente:
    Per la cronaca a 700 °C di temperatura di scambiatore caldo il motore genera 3401 W.
    Ora sono un poco più d’accordo, perché parliamo di 6,8 W/cm3 !
    Il mio programmino dice più o meno la stessa cosa, decisamente un po’ più che meno in quanto prescinde dagli attriti; se poi tolgo il rigeneratore, mi dà circa 5 kw, cioè il 40 % più del tuo, sempre senza attriti.
    Fort41
    Ultima modifica di fort41; 07-10-2015 a 21:49

  14. #74
    Seguace

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    Gli attriti non sono alti in assoluto. E sono basati su esperienze reali.
    Certo sono "trattabili". Nel senso che si può lavorare per ridurli.
    Sia a livello tecnologico che operativo.
    Per esempio salgono tanto con la velocità ma poco con le pressioni.
    Quindi renderebbe di più un motore pressurizzato al doppio ma che giri alla metà, a pari potenza totale.
    E poi il motore più lento ha più tempo per scambiare calorie e i suoi scambiatori sono più efficienti.
    Ha anche minori perdite fluidodinamiche perché le velocità dei gas all'interno sono più basse.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  15. #75
    Appassionato/a

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    Ciao Stranamore,
    la tua risposta mi ha fatto scattare un click nella testa: la tua simulazione è a 2000 giri/min, quindi con delle perdite per attrito decisamente elevate; ritenendole costanti con la temperatura, a 250 o a 700 gradi sono le stesse, e vanno in sottrazione alla potenza attesa prime delle perdite. Quindi alle temperature basse (250 °C) le perdite si "mangiano" quasi tutta la potenza attesa, cosa che non succede alle temperature alte (700 °C): ne conseguono potenze specifiche molto basse alle basse temperature, decenti alle alte.
    Ora i conti mi tornano meglio, l'unica cosa che ancora mi stona è che per avere lo stesso ciclo devo mettere molta più zavorra (il rigeneratore); però tu sei a 2000 giri/min, e questo potrebbe comportare elevate perdite fluido-dinamiche che il mio programma naturalmente non considera; se ne potrebbe avere conferma, o meno, facendo un ciclo a bassissima velocità, diciamo sui 20 giri/min. In caso di conferma, cioè il ciclo si estende come limiti inferiore e superiore di pressione, il profilo fluidodinamico andrebbe rivisto per migliorarlo.
    Nei modelli che ho fatto io, per esempio, il condotto fra i due cilindri, o fra cilindro e displacer, è molto critico: il condotto migliore è quello che "non c'è", come si riesce quasi a fare con i due volumi affacciati per le teste, e tutti aperti.
    Fort41

  16. #76
    Seguace

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    Il motore fatto girare a 1200 rpm fornisce:
    Aria a 20 bar: 1675 W
    Idrogeno a 20 bar: 3600 W
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  17. #77
    Seguace

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    Scusami, leggo adesso 20 giri al minuto, avevo letto al secondo, da cui i 1200 rpm
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  18. #78
    Seguace

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    Una ulteriore simulazione fatta imponendo soli 200 rpm in effetti da un aumento di efficienza notevole.
    Così notevole che non può essere solo effetto delle friction meccaniche.
    Il cilo in effetti risulta discretamente più "grasso".
    Quindi tra eff meccanica migliore, minori perdite fluidodinamiche e migliori performance di ciclo indicato si migliora notevolmente.

    Noi a questa roba abbiamo dato un nome suggestivo: DOWNSPEEDING.
    Se ne sentirà parlare in futuro in aggiunta al DOWNSIZING.
    Il calore è una gran cosa se non ti trovi nel deserto e sai come utilizzarlo.

  19. #79
    Seguace

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    Ciao Stranamore,
    a quanto ammonta la potenza erogata a 200rpm?
    Alla scoperta dei motori a combustione esterna - www.scienzalaterale.blogspot.it

  20. #80
    Paladino del Forum

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    Strano come certe discussioni muoiano sul più bello. Peccato.
    Je suis Charlie e amo mamma e papà.

  21. RAD
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