Discussione: Costruito motore a ciclo Brayton

Si, l'ho visto da qualche parte, in quel filmato non vedo lo scarico, che dovrebbe essere una luce tipo motore due tempi. Non credo vada bene per il brayton, la fase di immissione è troppo anticipata e il suo rendimento mi pare scarso. Il motore che ho costruito è in effetti un normale compressore in parallelo a un normale motore ad aria compresssa, come ho gia' scritto se immetto aria da un compressore esterno il motore gira bene anche con pressione bassa, 0,7 bar. E' chiaro che più aumento la temperatura dell'aria (in questo caso il vero "compressore" del sistema) più aumenta la quantita' di aria disponibile per il motore, mi sembra che se la differenza è di 273 C, il volume o la pressione raddoppia.
Non mi resta che continuare a provare per capira cosa non va.
Ciao.

Si lo scarico è una luce tipo 2 tempi. Ma ti sbagli per il resto. Va benissimo anche pe il brayton purchè accoppiato ad una seconda valvola di scarico in testa questa volta comandata che apre al punto morto inferiore e chiude mentre il pin apre la valvola. Ci vogliono ovviamente delle finezze di progetto per minimizzarne le perdite.
Il pistone deve essere superquadro, cioè corsa corta e alessaggio grande. In più si deve ricavare il volume necessario direttamente nella testata. Cioè immaginati un motore con un volume come fosse la camera di combustione di un motore a combustione interna. A questo punto il pin sarà molto corto e aprirà la valvola per un ristretto arco angolare, che essendo simmetrico rispetto al punto morto superiore, significa ridurne anche l'anticipo che tanto ti preoccupa. Ovvio che la valvola, essendo aperta poco tempo dovrà avere un diametro molto grande per garantire il necessario flusso.
Meglio ancora fare un multivalvole, cioè con più pin sul pistone e più valvole di immissione.
Comuque è abbastanza corretto che la valvola comandata renda un po di più se il tutto è ben progettato.
In ogni caso il concetto che volevo fati passare era questo: la valvola di immissione deve aprire al contrario di quella di un motore a combustione. Deve fare tenuta sull'esterno del cilindro e non sull'interno. Le sue due facce devono essere ambedue esposte alla pressione per bilanciarne le forze e la molla deve essere debole. Perchè deve compensare solo la differenza di forza dovuta al fatto che su una faccia c'è lo stelo che ne diminuisce la superficie esposta alla pressione e dare quel poco in più che serve a rportarla in posizione.
Se non inverti la valvola non funzionerà mai.

Il brayton riscalda a pressione costante. E' corretto che tenendo costante la pressione se alzo la temperatura aumenta il volume. Però devi ragionare in termini di rapporti di temperatura (in Kelvin) a cui corrispondono rapporti di volumi. Se parto da aria a temperatura ambiente di 20°C (293 K) per raddoppiarne il volume dovrò portarla a 293 x 2 = 586 K (313 °C).
Nel caso di un motore tale calcolo va fatto a partire dalla temperatura (in Kelvin) di uscita dal compressore. Quindi sarà tutto corrispondentemente a temperature più alte.

Originariamente inviata da ivodf

Il motore che ho costruito è in effetti un normale compressore in parallelo a un normale motore ad aria compressa, come ho gia' scritto se immetto aria da un compressore esterno il motore gira bene anche con pressione bassa, 0,7 bar.

Ciao, forse mi è sfuggito, ho letto di corsa, quando hai fatto la prova immettendo aria compressa nel cilindro espansore a 0.7bar il cilindro compressore era libero o comprimeva? perché se era libero e quindi non assorbiva energia la prova è perfettamente inutile, se al contrario assorbiva energia il problema da risolvere è sulla temperatura che è troppo bassa.
Hai delle foto da mostrare?

Originariamente inviata da Stranamore

Si lo scarico è una luce tipo 2 tempi. Ma ti sbagli per il resto.........

Infatti la comando appunto con una camme che possso modificare per poter trovare l'alzata migliore, ora apre prossima al PMS, chiude dopo circa un 1/3-1/2 della corsa pistone
Per il tipo di valvola la conosco, la sua tenuta in questo caso è fatta praticamente dalla pressione stessa, il suo azionamento contrario, va "tirata" e non spinta. Purtroppo per semplicità costruttiva e di azionamento ho costruito l'altro tipo, però se non funziona dovrò modificare la testa.

Originariamente inviata da DinoDF

Ciao, forse mi è sfuggito, ho letto di corsa, quando hai fatto la prova immettendo aria compressa nel cilindro espansore a 0.7bar il cilindro compressore era libero o comprimeva? perché se era libero e quindi non assorbiva energia la prova è perfettamente inutile, se al contrario assorbiva energia il problema da risolvere è sulla temperatura che è troppo bassa.
Hai delle foto da mostrare?

Ma certo che il compressore comprimeva, altrimenti sarebbe una prova, appunto inutile,
l'aria veniva immesa tramite la valvola con la leva rossa che si vede nella foto all'inizio dalla discussione. Anche io credo che la temperatura sia tropo bassa.
Ciao.

Ti posto un esempio di motore con valvole a biglia ma multivalvole:

The White Cliffs Solar Steam Engine

Questo è a vapore ed adotta gli accorgimenti che ti dicevo. Ci sono i dati sia di rendimento che di potenza. Non è male vero?

Per modificare la tua valvola senza dover stravolgere tutto ti consiglio di modificare semplicemente il bilancere. Invece di fulcrarlo al centro fulcralo ad una estremità. L'altra estremità amplicherà il movimento della camma ma nel verso opposto di adesso "tirando" la valvola verso l'esterno.
Fresa una sede appena più larga del piattello, farà tenuta a labirinto.

Hai fatto delle prove misurando la pressione del compressore così da poter calcolare, almeno approssimativamente, la temperatura necessaria?
Credo che per avere dei risultati dovrai più che modificare le valvole (che credo abbiano già una buona tenuta) regolare bene la fasatura in base alla temperatura, per fare questo dovrai sdoppiare le camme così da poter regolare sia l'apertura che la chiusura di ogni valvola, se non ti è chiaro come fare dimmi che ti posto uno schemetto.

Originariamente inviata da Stranamore

Ti posto un esempio di motore con valvole a biglia ma multivalvole:

The White Cliffs Solar Steam Engine

Questo è a vapore ed adotta gli accorgimenti che ti dicevo. Ci sono i dati sia di rendimento che di potenza. Non è male vero?

Lo schema mi ricorda i motori Detroit diesel che avevo per le mani diversi anni fa, 2 tempi, valvole di scarico in testa, iniettore pompa, compressore volumetrico, salivano di giri come un benzina. Comunque interessante, ma per ora proseguo con le camme.

Originariamente inviata da DinoDF

Hai fatto delle prove misurando la pressione del compressore così da poter calcolare, almeno approssimativamente, la temperatura necessaria?
Credo che per avere dei risultati dovrai più che modificare le valvole (che credo abbiano già una buona tenuta) regolare bene la fasatura in base alla temperatura, per fare questo dovrai sdoppiare le camme così da poter regolare sia l'apertura che la chiusura di ogni valvola, se non ti è chiaro come fare dimmi che ti posto uno schemetto.

Il manomero lato compressore c'è, le camme sono una per valvola,le fasature mi sembrano adeguate, quello che manca cedo sia la temperatura dal'aria.
Non mi resta che costruire uno scambiatore nuovo (il barattolo della foto, che è un tubo con fondelli in aisi 304 con labirinto interno).

Ciao DinoDF. Se non ho preso un abbaglio il problema che ha ivodf è che la sua valvola tiene si, ma al contrario. Fa tenuta dall'interno del pistone verso il condotto di immissione. Siccome in un brayton la pressione più alta è proprio quella del condotto di immissione (il pistone espande e non comprime) per tenere chiusa la valvola è costretto ad utilizzare una molla che tenga la pressione del condotto. Ma questo significa che appena la prssione scende sotto il massimo la valvola chiude ed il motore non gira. Senza contare che all'avviamento, causa i volumi morti dei condotti, la pressione è inferiore al suo massimo e quindi il motore non partirà mai.
Questo spiega anche il perchè con compressore esterno il motore giri. La pressione in più immessa nel compressore del motore da quei decimi di atmosfera necessari ad aprire la valvola di immissione abbastanza a lungo.
Se inverte la valvola, come gli ho suggerito, sarà la stessa pressione dell'aria a riportarla in posizione e a garantire la tenuta.
Per la temperatura il problema non esiste, a parte che ovviamente più alta è e meglio è. Il discorso sarebbe in realtà lungo e complicato da calcolare nel dettaglio, ma prova a sintetizzare.
Il ciclo brayton ideale ha un rendimento dipendente solo da rapporto di compressione. Ma la temperatura dove interviene? Interviene nel fatto che siccome per raggiungere il rapporto di compressione voluto riscaldo l'aria per poter poi dargli calore devo disporre di una sorgente almeno a temperatura maggiore di quella di fine compressione. Aggiungo maggiore di varie decine di gradi per i necessari scambi termici e per poter dare al ciclo una area interna sufficiente (che è proporzionale al lavoro generato come noto) a superare gli attriti e le altre perdite di vario tipo.
Ecco perchè i parametri sono interconnessi.
Per una serie di motivi il rapporto di compressione non deve essere troppo basso (a meno che non si voglia realizzare un brayton LTD, cosa possibile ma non negli obiettivi di ivodf). Una pressione finale intorno a 3 bar secondo me è il modo migliore per cominciare. Abbastanza alto da dare potenza ma non troppo da richiedere eccessive temperature alla testa calda per quanto detto prima. Ma come ottenerla? Innazitutto riducendo al minimo indispensabile lo spazio morto del compressore. Poi regolando la fasatura de lpistoen di espansione in modo che il volume immesso prima della chiusura della valvola sia un terzo del compressore. Questo renderà il motore teoricamente neutro. Quello che spendo nel compressore lo recupero dall'espansore (perdite a parte ovvio).
Il riscaldamento dell'aria compressa a questo punto ridurrà il consumo di aria. Equivale ad un aumento del rapporto di compressione per altra via.
La teorica perdita per il fatto che il fluido verrà scaricato a pressione più alta della atmosferica è in realtà piccola. Perchè a fine espansione il pistone lavora con un braccio di leva piccolo e quindi raccoglie poco. Lo stesso viene fatto nei motori a combustione interna dove si rinuncia ad una parte notevole. La valvola di scarico apre mediamente 60° prima del punto morto inferiore.

Piacere mi chiamo Gabriele e mi diletto, vista la mia grande passione, nella costruzione di modelli di motori a vapore, stirling e tutto quello che di particolare possa esistere nel mondo e soprattutto nell'immaginazione! ora inserirò anche qualce foto mi sono appena iscritto.

Dopo essere stato incuriosito dal principio di funzionamento del motore a ciclo Bryton la mia domanda è la seguente:
ma anzichè utilizzare un cilindro come compressore per "pompare" aria nel riscaldatore chi iniettasse acqua vista la maggior resa al momento dell'evaporazione (che risulterebbe istantanea con riscaldatore rovente) sarebbe un ibrido con un motore a vapore con il vantaggio di non avere una caldaia piena murata d'acqua ma solo la quantità che serve per ogni ciclo.... Tipo iniettore nel diesel insomma penso abbiate capito! potrebbe funzionare?
ho detto una stronzata?!?

Originariamente inviata da ivodf

La tempertura raggiunta del fondo del "pentolino" è di 250-300 C
La pressione è di 1-1,3 bar

Originariamente inviata da ivodf

come ho gia' scritto se immetto aria da un compressore esterno il motore gira bene anche con pressione bassa, 0,7 bar.

Non capisco
Hai fatto delle prove e dici che scaldando il "pentolino" raggiungi oltre 1bar e il motore non gira, in un altro post dici che gira bene con 0.7bar 1>0.7!
Dato che i conti non tornano o hai fatto prove con diverse configurazioni oppure non leggi i dati nel modo corretto, attento alle conversioni se usi manometri con diverse scale! ad esempio 1psi=~0.7bar

Originariamente inviata da DinoDF

Non capisco
Hai fatto delle prove e dici che scaldando il "pentolino" raggiungi oltre 1bar e il motore non gira, in un altro post dici che gira bene con 0.7bar 1>0.7!
Dato che i conti non tornano o hai fatto prove con diverse configurazioni oppure non leggi i dati nel modo corretto, attento alle conversioni se usi manometri con diverse scale! ad esempio 1psi=~0.7bar

I 0,7 bar si riferiscono alla pressione minima di funzionamento con compressore esterno. Stò tentando, come suggerito da Stranamore, di portarla il piu in alto che la meccanica mi consente (la valvola di immissione). Purtroppo (o per fortuna) il motore ha le due camere quasi uguali e contraddicendo la teoria di Stranamore, al suo funzionamento aiutato con le mani la pressione saliva, per questo ho costruito un sistema che controlla, per adesso manualmente, l'entrata dell'aria nel compressore, cosi la pressione rimane abbastanza costante a seconda di come è regolata. Come già detto, credo che il problema sia la temperatura ancora bassa.
Scusa la correzione, mi sembra che 1psi=0,07bar.
Ciao e grazie del sostegno.

Per 80gabriele: nel complesso non hai detto una stronzata, ma non sarebbe più un motore brayton ma un motore a vapore.
Il sistema dell'iniezione di acqua da vaporizzare purtroppo esiste già ed è pure brevettato. Io stesso ci avevo pensato ma purtroppo qualcuno ci ha pensato prina di noi due.
Peraltro è forse l'unico modo di fare un motore a vapore senza rischiare esplosioni. Però per temperature appena un po alte è tecnologicamente difficile costruire un oggetto simile, per non parlare poi del sistema di iniezione che dovrebbe essere del tipo colpo d'ariete.
Concettualmente molto elegante come motore.

Per ivodf: sinceramente non ho capito di che sistema di regolazione parli. Il compressore di un brayton non differisce da quello di un frigorifero. Un pistone e due valvole automatiche, meglio se a lamelle. Regolazioni all'entrata, a meno di non avere un sistema di variazione continua della fasatura della valvola di immissione, sarebbero intrinsecamente dissipativi.
Il brayton si regola sulla temperatura dell'aria.
Ma comunque, nella sincera intenzione di aiutarti a capire, perchè non posti uno schema completo del motore? Faccio fatica a raccapezzarmi nella descrizione delle prove che hai fatto. Matti nello schema i valori di pressione e temperatura li dove li hai rilevati. Forse potremo aiutarti di più.
Un'università francese ha costruito un brayton con sorgente calda a 80°C. Quindi anche se è ovvio che, come tutti i motori, più essa è alta e più il motore rende, direi che tu sei abbastanza in alto da poter escludere che il problema sia la Tmax.

Concordo pienamente con Stranamore, se riesci a riportare i dati e lo schema concettuale riusciremo ad aiutarti in maniera più concreta. Un'altra prova che potresti fare è collegare l'albero motore ad un trapano elettrico e farlo girare per capire se funziona oppure no, naturalmente senza riscaldare la serpentina

Originariamente inviata da Stranamore

Per ivodf: sinceramente non ho capito di che sistema di regolazione parli. Il compressore di un brayton non differisce da quello di un frigorifero. Un pistone e due valvole automatiche, meglio se a lamelle. Regolazioni all'entrata, a meno di non avere un sistema di variazione continua della fasatura della valvola di immissione, sarebbero intrinsecamente dissipativi.
Il brayton si regola sulla temperatura dell'aria.
Ma comunque, nella sincera intenzione di aiutarti a capire, perchè non posti uno schema completo del motore? Faccio fatica a raccapezzarmi nella descrizione delle prove che hai fatto. Matti nello schema i valori di pressione e temperatura li dove li hai rilevati. Forse potremo aiutarti di più.
Un'università francese ha costruito un brayton con sorgente calda a 80°C. Quindi anche se è ovvio che, come tutti i motori, più essa è alta e più il motore rende, direi che tu sei abbastanza in alto da poter escludere che il problema sia la Tmax.

Mi rendo conto che è difficile capire il problema con pochi dati, purtroppo le prove le faccio nei ritagli di tempo con i pochi mezzi che ho, anche per me è difficile capire ed eventuali modifiche richiedono tempo e lavoro (tra l'altro ho cambiato il volano ne ho messo uno un pò piu' pesante). Ringrazio te e gli atri che mi scrivono, anche il solo scrivere mi aiuta ad andare avanti.
Per la regolazione dell'entrata aria compressore ho usato una terza camma (vedi foto) con un meccanismo che, anche se ancora rudimentale, permette un controllo approssimativo della pressione, ritardando la chiusura della valvola aspirazione in funzione della temperatura, regolazione fatta a mano che simula, per quel che posso, una fasatura variabile.
Ora ho un pò di incertezza sul da farsi, penso di modificare la valvola di immissione come ai detto tu, per poi provare di nuovo.
ciao

Come ti capisco per gli impegni. Anche io sono messo male.
L'idea della regolazione dell'aria in aspirazione compressore non è completamente sballata, ma ha un senso solo in un sistema avanzato di regolazione. Infatti per una serie di effetti indiretti, non legati al ciclo ideale ma alle irreversibilità di quello reale, un ciclo brayton perde di rendimento a carico parziale quando per parzializzare si abbassa la temperatura del fluido ad inizio espansione. Infatti il lavoro di compressione rimane costante e abbasso quello di espansione fino ad arrivare al pareggio al minimo (rendimento 0%, brucio per tenere il motore acceso senza ricavarne nulla). Un sistema sicuramente meno penalizzante è quello di regolare l'aria in ingresso al compressore (tassativamente con fasatura variabile e non con strozzatura se no mi mangio nel pompaggio negativo quello che risparmio da altra parti) e mantenere costante la temperatura max del fluido. Mi diminuisce la massa volumica in gioco e quindi la potenza ma mantengo meglio il rapporto tra energia assorbita dalla compressione e quella ricavata dalla espansione. Purtroppo la regolazione del compressore comporta un abbassamento del rapporto di compressione manometrico reale che come sappiamo ha un effetto diretto sul rendimento. Ma questo è un po meglio di quello che succede nel caso precedente, al costo però di un costoso sistema di regolazione della Tmax in retroazione e di un sistema di fasatura variabile che è una roba veramente complicata.
Nella pratica, perlomeno nelle turbine, il metodo comporta la realizzazione a due assi rotanti di cui uno dedicato al trascinamento del solo compressore con distributori palettati a calettamento variabile per regolarne la velocità di rotazione in maniera indipendente dall'albero di potenza.
In ogni caso un motore a pistoni ha delle perdite fisse nei segmenti dei pistoni che dipendono molto dalla velocità e poco dalla pressione. Quindi lavorare a basse pressioni non aiuta a farlo funzionare bene. Perdo sempre uguale e ottengo poco perchè gira poco fluido.
Per la valvola, non è che non possa funzionare in alcun modo così come è. Solo che ti costringe a usare una molla molto forte per resistere alla pressione e questo lo paghi con uno sforzo grande sulla camma di azionamento. In poche parole il motore ha delle grosse perdite organiche e inizierà a funzionare solo sotto pressioni e temperature oltre certi valori. Ma siccome più alzi la pressione e più la molla deve essere forte alla fine puoi aiutarti solo con la temperatura, ma è ovvio che anche questa ha i suoi limiti.
L'inversione del verso di tenuta ti permette di spezzare questo legame perverso.
Comunque ti posto un paio di brevetti interessanti da leggere, tanto per rincuorarti e trovare ispirazione.