Discussione: Test e modifica di un LTD Stirling di commercio

Ciao !
Dopo aver letto un pò di testi sullo Stirling, ho deciso di fare qualche prova per verificare di persona alcuni particolari.
Qualche mese fà ho comprato, via web, da un ottimo costruttore inglese un LTD commerciale, precisamente un Kontax da 92 mm nella versione inox.
E' un bellissimo e classico Stirling di Senft a bassa temperatura realizzato da CNC.
Questa la foto:



L'obiettivo dei test che descrivo è quella di :
1_ Valutare l'influenza, in termini di prestazioni, del movimento discontinuo del displacer rispetto a quello classico.
2_ Valutare le prestazioni dello Stirling con il displacer mosso per angoli diversi da quello solito di 90° angolari.
Ah, dovrete pazientare un pò per avere i dati del trial completo di prove. Ho poco tempo ma, appena ho una mezzora
di continuativa libertà, posto la puntata successiva.

PREMESSA:
Quasi tutti gli stirling che ho visto hanno il diplacer anticipato di 90°ang. rispetto al movimento del pistone di potenza.
In una situazione simile a quella descritta dal grafico:


La modifica allo stirling dovrebbe rendere il movimento del displacer il più rapido possibile facendogli assumere un
andamento relativo a quello del pistone di potenza più o meno così:



La valutazione, in prestazioni, delle modifiche non è possibile farla utilizzando un banco motore; la potenza all'albero è
troppo bassa per qualsiasi banco professionale che conosca.
Azzardandomi in una, molto personale, estrapolazione del numero di Beale per un salto termico di appena 50°C, mi risulta
una potenza di qualche decina di microWatt @ 100 rpm.
I dettagli della modifica del motore alla prossima puntata.
Mi raccomando .... rimanete sintonizzati !!

Quindi la modifica al cinematismo del motore dovrebbe avvicinare il ciclo reale a quello ideale, giusto? (non riesco a visualizzare le immagini)

Ehilà Hot.
Si, l'intenzione è quella di aumentare la superficie del ciclo reale descritta nel diagramma P vs.V ed aumentare così il lavoro prodotto.
...... Ma davvero non si vedono le immmagini ??


Così si vedono ??

FOTO:
&
Graph_1:
&
Graph_2:

nemmeno o le vedo

nemmeno io le vedo.

nemmeno io vedo le foto...........................

nemmeno io vedo le foto..................

scusate. ho avuto dei problemi con il PC.

Mi confermate che non vedete le immagini ??

Neppure da ImageShack ??

Questa ??

Ciao Hike,
solo il primo post presenta problemi con le immagini, gli altri non danno problemi.

Originariamente inviata da zintolo

Ciao Hike,
solo il primo post presenta problemi con le immagini, gli altri non danno problemi.

Whè, ciao Zintolaccio !!!
Grazie e ben rivisto !!
OK, visto che le immagini ora sono in chiaro, continuo.
FORNELLO e CONTROLLO TERMICO:
Per fornire calore ho usato il vecchio caro Joule.
Ho collegato sei resistenze da 3 W ciascuna in serie-parallelo per una complessiva potenza massima dissipata di circa 2 Watt.
VEDI FOTO
Non è molto bello perchè non sono particolarmente abile nel bricolage ed anche perchè la progettazione ha risentito del .. 'disponibile' !
E' rivestito con film d'alluminio, ma penso che sia veramente un plus, non necessario.
Per alimentarlo ho utilizzato un variac a stato solido (avanzatomi da un vecchio lavoro) con uscita (0-230 Vac) retroazionata all'occorrenza dalla
differenza di temperatura raggiunta sui due piatti, superiore ed inferiore.
Il controllo è un pò più sofosticato della meccanica. E' un PID con la parte proporzionale non particolarmente alta.
Il salto termico è tenuto entro il target con 'distrazioni' di 2-3 decimi di °C. Diciamo che per quello che si vuole ottenere è soddisfacente.
La temperatura è misurata con due termocoppie, quella inferiore, piazzata come nel disegno, e quella superiore, in una 'sacca' porta-sonda
ricavata nella struttura superiore (forse si vedrà nelle foto successive).
Il valore delle resistenza è stato successivamente modificato per raggiungere potenze dissipate più alte, fino a 3.5W, perchè, nelle prove con differenziale
maggiore, i 2W non sono sufficienti ad integrare quelli sottratti, per perdite, dal sistema e dal motore, in funzionamento.
L'ultima immagine è solo per fare comprendere meglio l'accoppiamento del motore al fornello. In basso il foro passante per il cavo termocoppia (assente nella foto).
Ciao !!

Ok, io continuo.
AZIONAMENTO & SUPPORTO
Per muovere il displacer ho preferito usare una bobina 12 Vcc.
Il movimento del dislocatore è assicurato sia in trazione che in spinta da un ponte H intero.
Questa soluzione per non affidarmi alla gravità per il ritorno verso il basso delle masse in movimento.
Il peso complessivo da muovere è veramente piccolo, parliamo di circa 0.7 gr. e, proprio per la delicatezza dell'oggetto, la bobina viene alimentata con un PWM modulante a 1.000 hz, 25% duty (anche per evitare di vedere partire in rampa tutto il castello ).
Per una tensione continua equivalente di circa 3 Volt.
La struttura di supporto (anche questa non è venuta una bellezza) della bobina è realizzata con quanto mi ritrovavo disponibile:
laminato ramato FR4, barre filettate ed un pò di vernice.
Per intenderci meglio, qualche trasparenza.

Mhmm... devo spezzare in due il post perchè non è possibile caricare più di 6 tra immagini e .... faccine !!
La struttura supporta anche il lettore ottico. E' un fotointerruttore a riflessione con uscita detta OPIC. Non è un fulmine di guerra, ma ha il vantaggio di avere il 'time rise' e di 'falling' uguali.
La struttura permette di cambiare il set-up di prova in pochi istanti e senza dover modificare (o peggio forare) il corpo dello stirling.
Per nucleo mobile ho usato un magnete in ferrite cilindrico unito ad un tirante di materiale ferromagnetico e di buona sezione (1 mm), questo per avere l'ancoraggio tra i due pezzi assicurato per semplice attrazione magnetica.
Il sistema, così arrangiato, è stato provato fino a 250 hz senza inconvenienti.
Il settore di marcatura (banale carta) distingue i 180° di compressione da quelli di espansione del cilindro .
Le foto seguenti:
qualche vista d'assieme e alcuni dettagli prima dell'inizio della prova in lab.
Ciao ! (no faccine)

Complimenti per gli strumenti, sembra un banco prova con i controfiocchi.
Sarebbe interessante verificare il modello allegato (postato da Hot coil qualche giorno fa) per verificarne la validità.
naturalmente è solo un suggerimento.
ciao

Ciao Biker
Grazie per il suggerimento.
Shmidt, in effetti mi ero divertito ad usarlo per avere una idea delle energie e delle potenze in gioco.
Applicando quell'analisi il motore sviluppa all'albero circa 80mW a 100 rpm @ 30°C di delta T), ma mi fido più di Beale il quale, quella potenza la riduce a qualche decina di microWatt.
Non perchè mi fidi di più delle analisi sperimatali, ma perchè Shmidt stabilisce i limiti prestazionali massimi raggiungibili dalle varie tipologie di stirling.
Infatti Shmidt considera che il motore non abbia perdite, che il gas sia perfetto, che la rigenerazione sia completa al 100%, che i volumi varino sinusoidalmente, eccetera!!!
Allego, per tua curiosità, il diagramma PV che mi risultava per il Kontax.
Rigenerazione assente, ovviamente.
Ciao

PS: per rendere leggibile il grafico in ascisse trovi frazioni centesimali (se non ricordo male) dei reali volumi.

Originariamente inviata da Hike

Ciao Biker
Grazie per il suggerimento.
Shmidt, in effetti mi ero divertito ad usarlo per avere una idea delle energie e delle potenze in gioco.
Applicando quell'analisi il motore sviluppa all'albero circa 80mW a 100 rpm @ 30°C di delta T), ma mi fido più di Beale il quale, quella potenza la riduce a qualche decina di microWatt.
Non perchè mi fidi di più delle analisi sperimatali, ma perchè Shmidt stabilisce i limiti prestazionali massimi raggiungibili dalle varie tipologie di stirling.
Infatti Shmidt considera che il motore non abbia perdite, che il gas sia perfetto, che la rigenerazione sia completa al 100%, che i volumi varino sinusoidalmente, eccetera!!!
Allego, per tua curiosità, il diagramma PV che mi risultava per il Kontax.
Rigenerazione assente, ovviamente.
Ciao

PS: per rendere leggibile il grafico in ascisse trovi frazioni centesimali (se non ricordo male) dei reali volumi.

Se è una cosa rapida mi innoltri il modello di Beale ? altrimenti lo cerco in rete.
ciao

Ciao Hike! ..a volte ritornano! Bella l'idea del reportage dettagliato. Sarà volto a qualche applicazione più pratica del bricolage da scrivania?

biker, qui trovi la formula di Beale La macchina di Stirling free-piston: La formula di Beale (per macchine così piccole Bn può essere anche inferiore) e qui un file excel per calcolare la potenza http://www.sesusa.org/bealeeq.xls

Grazie.
Non ho capito una cosa, anzi due:
anzi tre:
1-la pressione della formula è la pressione media in funzionamento (vero?) non quella del gas in regime stazionario. se è quella media è quella calcolabile con il modello di Schmidt?
2-il volume è quello massimo, quello spaziato dal solo pistone di potenza o quello spaziato durante il ciclo dai due pistoni (ossia vol max-min)?
3-il rendimento rimane uguale o si riduce anchesso del numero di Beale (ossia si riduce solo la poenza meccanica o anche la potenza termica)?

Ciao Zintolo !!
Si, la sperimentazione (se così si può chiamare) ha due obiettivi, dimostrare (più che altro a me) che lo stirling non è una macchina a regime 'semi fisso', come di solito passa, ma che può diventare molto più flessibile nel suo impiego e poi perchè .. avevo voglia di divertirmi un pò !!

Il link del blog che hai postato mi sembra fatto molto bene e credo che sia proprio di un utente di Energeticambiente.

Si Biker, la P è la pressione media e il volume è riferito alla cilindrata di potenza. La terza domanda forse non l'ho capita, ma è il contrario di quanto scrivi, è il numero di beale che diminuisce se diminuisce il rendimento della macchina termica.
In effetti l'equazione di Beale, è un'espressione di 'esperienza' e non è utile nel dimensionamento del motore, serve a dare un'idea della potenza finale prodotta.
Il mio utilizzo di Beale è, come scrivevo, molto personale perchè il numero utile per il Kontax è calcolato per estrapolazione dal suo tratto noto.
Ciao.

Originariamente inviata da Hike

Ciao Zintolo !!
Si, la sperimentazione (se così si può chiamare) ha due obiettivi, dimostrare (più che altro a me) che lo stirling non è una macchina a regime 'semi fisso', come di solito passa, ma che può diventare molto più flessibile nel suo impiego e poi perchè .. avevo voglia di divertirmi un pò !!

Il link del blog che hai postato mi sembra fatto molto bene e credo che sia proprio di un utente di Energeticambiente.

Si Biker, la P è la pressione media e il volume è riferito alla cilindrata di potenza. La terza domanda forse non l'ho capita, ma è il contrario di quanto scrivi, è il numero di beale che diminuisce se diminuisce il rendimento della macchina termica.
In effetti l'equazione di Beale, è un'espressione di 'esperienza' e non è utile nel dimensionamento del motore, serve a dare un'idea della potenza finale prodotta.
Il mio utilizzo di Beale è, come scrivevo, molto personale perchè il numero utile per il Kontax è calcolato per estrapolazione dal suo tratto noto.
Ciao.

Grazie. Intendevo dire: se si dimensiona un motore secondo assunzioni di scambio perfetto ecc. ecc., il tendimento termodinamico è il complementare al rapporto fra le temperature, ma dall'esperienza di Beale, a date temperature, la potenza meccanica è di poco superiore ad un decimo di quella teorica. Ciò che significa che il rendimento P/W si riduce di un decimo o sia P (potenza meccanica) che W (potenza termica fornita) di riducono rispetto al teorico del fattore di Beale e quindi il rendimento rimane uguale.
In formule

1 r=nbxP/W
2 r=nbxP/(nbxW)=P/W


Altro punto. Ma se il volume è quello spaziato dal pistone di potenza la potenza finale è molto meno di un decimo rispetto alla potenza calcolata da Schmidt.
Grazie

Originariamente inviata da biker.twin

.....
Altro punto. Ma se il volume è quello spaziato dal pistone di potenza la potenza finale è molto meno di un decimo rispetto alla potenza calcolata da Schmidt.
Grazie

Ciao Biker,
stai parlando di un caso concreto da te misurato o calcolato ??
Riguardo le tue due espressioni sul rendimento, Beale non tratta minimamente il rendimento della macchina. Lui riferisce semplicemente, per osservazione di numerosi stirling (e credo anche si parli di sole varianti Beta) la potenza resa è funzione di un numero che varia in funzione del salto termico; penso che ti sarà facile trovare il grafico del Num.di B. in funzione della T°.
Il B_num. poi è chiaro che, a parità di temperature, Pressione e giri, si discosterà da quello indicato a secondo della qualità costruttiva della macchina.
Tieni inoltre presente che gli studi di Beale cominciano ad essere un pò datati; la tecnologia, in particolare quella dei materiali, non è rimasta ferma ed il suo famoso numero, nel frattempo, non può non essere aumentato.
Ciao

PS: Ah Biker, visto che sei interessato alla parte teorica, l'autore del blog nel link è la persona che qui nel forum ti può dare una mano. Lui ... Shmidt, Beal, Martini e molti altri li studia per mestiere. Mica come me che insegno semeiotica-estetica del linguaggio aborigeno antico nei corsi di recupero di classi per caratteriali !!

Originariamente inviata da Hike

Ciao Biker,
stai parlando di un caso concreto da te misurato o calcolato ??
Riguardo le tue due espressioni sul rendimento, Beale non tratta minimamente il rendimento della macchina. Lui riferisce semplicemente, per osservazione di numerosi stirling (e credo anche si parli di sole varianti Beta) la potenza resa è funzione di un numero che varia in funzione del salto termico; penso che ti sarà facile trovare il grafico del Num.di B. in funzione della T°.
Il B_num. poi è chiaro che, a parità di temperature, Pressione e giri, si discosterà da quello indicato a secondo della qualità costruttiva della macchina.
Tieni inoltre presente che gli studi di Beale cominciano ad essere un pò datati; la tecnologia, in particolare quella dei materiali, non è rimasta ferma ed il suo famoso numero, nel frattempo, non può non essere aumentato.
Ciao

PS: Ah Biker, visto che sei interessato alla parte teorica, l'autore del blog nel link è la persona che qui nel forum ti può dare una mano. Lui ... Shmidt, Beal, Martini e molti altri li studia per mestiere. Mica come me che insegno semeiotica-estetica del linguaggio aborigeno antico nei corsi di recupero di classi per caratteriali !!

Grazie.
Beh, nonostante le tua professione (che non riuscirò mai a ricordare o ripetere) mi sembri molto ferrato e molto attrezzato dal punto di vista pratico.

Ok, ho finalmente ordinato i dati dei tests impaginandoli in grafici di stesse dimensioni, per rendere immediati i confronti.

CARATTERIZZAZIONE DELLO STIRLING ORIGINALE:
Questo test, come gli altri che seguono, è organizzato per 4 differenti salti termici: 20, 30, 40 e 50°C.
Il 20°C, è stato scelto come primo salto perchè permette sempre partenze abbastanza decise, senza l'intervento di kicks esterni che sarebbe stato difficile dosare.E' sufficiente portare il volano nel punto di instabilità e lasciarlo andare.
Le velocità sono state campionate a circa 1 hertz utilizzando lo stesso fotointerruttore usato per il controllo del displacer.
Facendola breve, allego nel primo grafico le curve relative alle 4 differenti temperature.
Purtroppo gli i profili presentano delle inceretezze dovute a due motivi:
sono delle medie di almeno cinque ripetizioni e perchè ho dovuto lavorare un pò per rendere un offset decente alle ascisse per una mia dimenticanza nel procedere delle prove.

DISPLACER A SCATTO, ANTICIPATO DI 90° FISSI:
Ripetute le prove precedenti ma fatte con il displacer mosso dalla bobina A 90°e non più connesso meccanicamente all'albero motore.
Il secondo grafico permette il confronto tra la versione originale (traccia verde) e questa versione di 90° fissi (traccia blù).

DISPLACER A SCATTO, FASATURA VARIABILE:
Qui il displacer viene guidato dal Sw secondo due differenti logiche: nel primo tratto alla ricerca della massimna accelerazione, successivamente alla ricerca della massima veocità. La cosa è anche avvertibile osservando il terzo grafico, dove con la traccia rossa è indicato il risultato della fasatura variabile e, per confronto, con quella blù la versone a 90° fissi.

PROVA DI FRENATA:
Questa è una prova divertente, in arancio l'andamento della velocità dell'albero quando il displacer è volutamente lasciato fermo.
La traccia rossa, invece mostra la frenata (voluta) che da velocità massima porta il motore a 150 rpm.
Nota: Il Sw è appena abbozzato, l'algoritmo di controllo, non solo per la prova di frenata, deve essere affinato (molto) rispetto a questa versione di primo test. Occorre un pò di tempo che purtroppo non ho.
Le conclusioni al prossimo post.
Ciao

A questo punto, se non ho capito male, la massima efficienza, intesa come potenza ricavata su potenza fornita, la si ha con il displacer mosso a scatto anticipato di 90° rispetto al pistone di potenza, dato che per la formula di Beale all'aumentare della frequenza si ha un aumento della potenza.

Tienici informati, stai facendo un lavoro con i fiocchi! complimenti!
Dino