Discussione: Stirling a soffietto: ho messo da parte cilindri e pistoni

Una settimana fa per curiosità ho cominciato a approfondire su questo forum la tecnica dei motori stirling. Una prima sensazione, la tecnologia attuale con macchine a pistoni ha raggiunto un vicolo cieco perchè qualunque miglioria per aumentare il rendimento è molto complessa e appesantisce il sistema con risultati modesti. Secondo me il problema è che nel ciclo stirling le parti attive devono essere anche degli ottimi scambiatori di calore e il cilindro è la seconda figura geometrica con il più basso rapporto superficie/volume (dopo la sfera!). Messo da parte cilindri e pistoni ho cominciato a pensare e dopo un'oretta ho trovato una soluzione ( sono felice ho battuto ogni mio record inventivo!) vi allego un disegno schematico.
Praticamente ho sostituito i pistoni con una struttura ermetica in metallo a soffietto costruita con più dischi a membrana metallica messi in serie. come si vede nel disegno.
Motore Stirling.JPG
Ogni disco quando è messo in pressione non può dilatarsi (gonfiarsi) troppo perchè altrimenti il metallo si deformerebbe, ma deve lavorare entro il limite di elasticità del metallo, quindi con un movimento molto piccolo. Ma mettendo in serie molti dischi la corsa aumenta in proporzione, eee..... se notate la struttura simile a un soffietto diventa un ottimo scambiatore di calore. Cosa ho ottenuto?

1. Sia la parte calda che la parte fredda sono ottimi scambiatori di calore, costruiti in metallo quindi adatti a lavorare ad alte temperature e discrete pressioni (ma qui la cosa è un pò più complicata).
2. Il sistema è completamente ermetico, non ci sono guarnizioni di tenuta in movimento, puoi usare un gas come l'idrogeno o l'elio senza problemi di perdite e necessità di ricariche.
3. I volumi morti sono ridotti al minimo, i due soffietti quello caldo e quello freddo sono affacciati e in mezzo si pùò mettere un rigeneratore delle dimensioni più opportune.
4. Agendo sul fulcro dei rinvii a leva che trasmettono il moto dei soffietti all'albero a gomito si può variare la volumetria del motore.

Difetti: costruire un disco che sopporti pressioni anche medie non è così semplice, la cornice deve essere molto robusta per non collassare a causa degli sforzi trasmessi dalla membrana metallica. Tutta il perimetro della membrana deve essere saldato alla cornice per avere una tenuta perfetta, quindi la membrana deve essere fatta con una lamiera metallica abbastanza grossa (più di 3 millimetri?). Comunque anche con una lamiera grossa più di 3 mm, una pressione di alcune atmosfere esercita una forza che farà gonfiare il disco in misura apprezzabile. Dimenticavo sto parlando di un disco largo almeno 50 cm! per avere un movimento apprezzabile.

Visto che quando comincio a pensare non la smetto più, vi allego un'altra idea che ho avuto il giorno dopo (molto più teorica).
Un ciclo tipo stirling con un movimento del gas a pulsazioni (pulso-stirling). Adesso vi spiego: il ciclo stirling ha già un andamento pulsante con il riscaldamento (aumento di pressione) e raffreddamento (diminuzione di pressione), mettendo un motore a palette tra il punto caldo e il punto freddo, l'andamento pulsante della portata di un motore a palette (soprattutto se a due sole palette) si può sommare all'effetto precedente, arrivando ad un punto in cui la pressione nella camera fredda per alcuni istanti supera la pressione nella camera calda, e i gas freddi entrano nella camera calda attraverso una valvola a diaframma (tipo pulsoreattore), che si richiude quando la pressione aumenta per il riscaldamento dei gas.
Non sono sicuro che possa funzionare ed inoltre dubito che possa raggiungere un rendimento decente.
Motore Pulso-Stirling.JPG

Sai che a una cosa simile ci avevo pensato anche io, la mia idea però era quella di stostituire solo il pistone in un modello gamma con il tubo estensibile del gas(parlo sempre di modellini) il tuo modello sembra più un alfa,quindi da quanto ne so un pò più complicato
cmq si può sempre provare
saluti
reciclatore

se-pol sono daccordo con te ma una soluzione molto molto piu semplice la trovi nella strumentazione degli aerei. cioè la capsula aneroide... avevo gia pensato fare uno stirling con alcune capsule ma non sono mai riuscito a trovarne nemmeno una.

anche io sto sviluppando un sistema a menbrane (Progetto stirling sul forum) tuttavia mi sono fermato perchè lontano da casa.
Devo dire che le membrane hanno il problema della perdita di lavoro per resistenza elastica ed in un soffietto (metallico) è maggiore, inoltre il gas non si dilata solo lungo l'asse del pistone ma anche in altre direzioni ed il soffietto assumerà una forma a "Botte" perdendo così un'altra componente del lavoro utile di espansione.

la verita', quel disegno sopra non l'ho capito, ammetto....
ma quello sotto....non credo che funzioni...
quando hai la pressione nel lato superiore,
come fa l' aria raffreddata sottostante ad andare attraverso la valvola ??

credo che dovresti mettere un altro compressore a palette al posto della valvola.
ma cosi' sarebbe un Brayton, e a quel punto non servirebbe il dissipatore sottostante (nel disegno)

vorrei tanto sbagliarmi, ma...

Originariamente inviata da SE-POL

, vi allego un'altra idea che ho avuto il giorno dopo Allegato 3773

Bello! Anche elegante!.

Valuta la modifica che allego.

Forse andrebbero studiati i rapporti di volume dei due scambiatori e del cilindro (anche in base ai giri ed alla differenza di temperatura previsti), per accordarli come si fa con le marmitte a espansione dei motori a 2 tempi?
Come l' hai disegnato tu, nella fase in cui è rappresentato, credo che avresti problemi di tenuta tra il cilindro rotante e la sua cassa;
se sono le palette a fare tenuta, e non cilindro contro cassa, in quel momento avresti passaggio di gas dalla parte calda quella fredda.
Con almeno 4 palette a mio avviso potrebbe funzionare, dovresti fare in modo che tra lato caldo e lato freddo ce ne sia sempre interposta almeno una.
Un problema di tutte queste palette può essere l' attrito.


amir

davvero, non sono un bastian contrario.... ma questo NON funziona....
allora , ammettendo che all inizio l' espansione spinga le palette, o, il pistone;
poi quando scarichera' attraverso la valvola comandata, la pressione esercitata dovrebbe essere sufficente per spingere aria fredda attraverso la valvola a membrana che la separa dal combustore....impossibile, perche uno (prod) meno uno (spinta necessaria)= Zero !
vedete il brayton o l' EFGT, sono molto simili.... ma non a ciclo chiuso, per avere della scompensazione = ENG

Originariamente inviata da HAMMURABY

... ammettendo che all inizio l' espansione spinga le palette, o, il pistone;
poi quando scarichera' attraverso la valvola comandata, la pressione esercitata dovrebbe essere sufficente per spingere aria fredda attraverso la valvola a membrana che la separa dal combustore....impossibile, perche uno (prod) meno uno (spinta necessaria)= Zero !
vedete il brayton o l' EFGT, sono molto simili.... ma non a ciclo chiuso, per avere della scompensazione = ENG

Io la vedo differente;
nel disegno a due palette, il cui unico inconveniente secondo me è il problema di tenuta cassa-rotore nei momenti in cui non c'è una paletta interposta tra l'entrata del gas caldo e l' uscita del gas freddo, la "scompensazione", come a mio parere impropriamente dici tu, viene dal fatto che la superficie della paletta che riceve la spinta aumenta, mentre nello stesso tempo la superficie dell' altra paletta diminuisce.

Sinergicamente, e contemporaneamente, il fluido nello scambiatore freddo si contrae, da qui la necessità/utilità che prospettavo di calibrare i vari volumi, in accordo alle temperature, pressioni e rpm di esercizio prevalenti di progetto, in modo che l' ingresso del fluido freddo nello scambiatore caldo avvenga quando da quest' ultimo il fluido caldo si è appena trasferito nella camera di espansione, ovvero quando nello scambiatore caldo la pressione è al suo minimo.

Non vedo ragione per non usare la nomenclatura proposta da chi ha aperto la discussione, per cui propongo di continuare a chiamare quella valvola "valvola a diaframma",e non "valvola a membrana", anche se a me sembrerebbe giusto chiamarla genericamente "valvola di non ritorno", finquando non sia stabilito che tipo di valvola esattamente ci andrà messa; anche perché così come è disegnata io la chiamerei "valvola a ciabatta", o "valvola a lamelle".

La discussione EFGT l' ho seguita poco, ma mi pare che siano a circuito chiuso, almeno il fluido di lavoro.

amir

P.S. : mi sembra che manchi qualche virgola, ne metto qui due o tre alle volte servissero,,,,

a

non voglio insistere, perche ognuno ha le sue idee, ma per il fatto che funzioni, o, no...
le idee contano poco...
una sola domanda:
come fai a fare in modo che la pressione sulla valvola a diaframma ,(essendo in continuo) nel lato caldo sia inferiore a quella sul lato freddo??
RISPOSTA consigliata: IMPOSSIBILE!

vedi che se scaldi nel "bruciatore", la pressione sara' uguale su tutte le pareti, con il punto di cedimento (ma, compensato) all' entrata del pistone.....
e dunque, non potra MAI essere inferiore a quella del lato freddo:
la valvola di non ritorno non funziona, o meglio funziona solo in un "motore pulsante",per direzionare il flusso....
ma qui serve un iniettore, che pero' consumera' piu energia di quanto produce il pistone, o, le palette.........

in verticale ad aria ?? come il generatore a termosifone? .....humm...hummm

Originariamente inviata da HAMMURABY

...come fai a fare in modo che la pressione sulla valvola a diaframma ,(essendo in continuo) nel lato caldo sia inferiore a quella sul lato freddo...

vedi che se scaldi nel "bruciatore", la pressione sara' uguale su tutte le pareti...

Si fa tanto per ragionare, per vedere se ne esce qualcosa, SE-POL ha avuto una idea originale e secondo me con degli aggiustamenti può funzionare.

La ragione per cui dovrebbe funzionare, è la stessa per cui funziona il motore Brayton, nel quale il pistone di potenza vince su quello compressore perché ha una superficie, e quindi una spinta, maggiore.

Intanto torniamo alla idea del motore a palette, ipotizzando risolto il problema della tenuta cassa-rotore, nel momento critico in cui non c'è una paletta interposta tra il condotto del fluido in entrata e quello del fluido in uscita;
in questo caso le valvole introdotte da me non servono.

La pressione nello scambiatore caldo spinge sulla paletta che si trova davanti, e mette in rotazione il rotore;
progredendo la rotazione, la superficie di questa paletta aumenta, e così la spinta che essa riceve, mentre la superficie dell' altra paletta, a causa dell' eccentricità del rotore rispetto alla cassa, diminuisce; per cui, anche se la pressione sulle due palette è uguale, la prima vince sulla seconda, che invia il fluido nello scambiatore freddo:
Così facendo, la pressione in questo scambiatore aumenta, mentre in quello caldo diminuisce perché il fluido...fluisce nella camera di espansione.

Ecco, ragionando ora direi che è necessario che le palette siano più di due, inoltre c'è da studiare la distanza in gradi di cerchio (radiale) fra i due condotti, e dove deve essere il punto di tangenza fra cassa e rotore rispetto ad essi.

Più ci penso e più questa idea mi piace.

Comunque, come classificazione anatomica, mi sembra più vicino ad un motore Brayton che ad uno Stirling.

SE-POL, dì qualcosa anche tu...

amir

Comunque, come classificazione anatomica, mi sembra più vicino ad un motore Brayton che ad uno Stirling.

SE-POL, dì qualcosa anche tu...

amir[/quote]
Finalmente è iniziata una bella discussione come ne ho viste tante su questo forum!
Bravo Amir hai capito la mia idea, però classificarlo un Brayton è difficile perchè la pressione sia nella camera di riscaldamento che nella camera di raffreddamento è pulsante, io mi sono ispirato al principio dello statoreattore (motore per aerei a reazione) per creare un movimento del gas secondo il principio che la pressione aumenta quando viene riscaldato e diminuisce quando viene raffreddato. Il rotore a palette sposta volumi di gas caldo che comprimono e spingono il gas freddo nella camera di raffreddamento, finchè per alcuni istanti la pressione supera quella nella camera di riscaldamento, ed il gas freddo più denso entra nell'altra camera dove si riscalda e fà aumentare la pressione, mentre nella camera di raffreddamento i gas caldi appena entrati si raffreddano e fanno abbassare la pressione. Come tu hai intuito, lavorando su un effetto pulsante bisogna studiare attentamente le proporzioni tra i volumi della camera di riscaldamento, del motore e della camera di raffreddamento, sopratutto per arrivare ad un effetto di risonanza che aumenterrebbe l'efficienza del ciclo. Ho scelto il rotore a palette perchè è più semplice e non servivano altre valvole e soprattutto perchè la differenza di pressione che si potrebbe raggiungere in questo ciclo non penso arriverebbe alle 3 - 5 atmosfere.
La tua idea potrebbe ugualmente funzionare perchè pur aggiungendo delle complicazioni (due valvole di cui una comandata) il pistone crea una forte variazione del volume complessivo del circuito aumentando l'ampiezza delle pulsazioni della pressione.
Ma tutto questo è molto teorico per cui io dico che potrebbe funzionare ma non ne sono certo.

Originariamente inviata da SE-POL

Comunque, come classificazione anatomica, mi sembra più vicino ad un motore Brayton che ad uno Stirling.

SE-POL, dì qualcosa anche tu...

amir

---classificarlo un Brayton è difficile ...
Ho scelto il rotore a palette ... soprattutto perchè la differenza di pressione che si potrebbe raggiungere in questo ciclo non penso arriverebbe alle 3 - 5 atmosfere.
La tua idea potrebbe ugualmente funzionare perchè pur aggiungendo delle complicazioni (due valvole di cui una comandata) il pistone crea una forte variazione del volume complessivo del circuito aumentando l'ampiezza delle pulsazioni della pressione....[/quote]

Lasciamo perdere a quale taxa o a quale phila appartiene questo motore, mi avevano insegnato che le Meduse erano Celenterati, e invece ora appartiengono agli Cnidari, l' importante è che funzioni.

Dopo postato la mi risposta, mentre mangiavo i baccelli nell' orto, mi è venuto in mente che un motore a palette deve girare moolto veloce per dare un pò di coppia, e forse un problema della tua configurazione è quello.

In effetti, con più palette (direi cinque, per garantire la tenuta cassa-rotore ecc...ma siccome tu dicevi due, non volevo esagerare) la pulsazione si riduce parecchio; aumentano gli attriti, però si elimina la necessità di valvole in più.

Ti prevengo che parlo da teorico, in pratica in questo campo non ho combinato niente, fin' ora almeno.

Mi sembra parecchio ottimistico da parte tua pensare a 3-5 atmosfere, perchè per raddoppiare la pressione di un gas (in realtà di un gas perfetto, ma in prima approssimazione va bene anche per l' aria), bisogna raddoppiare la temperatura, espressa in gradi Kelvin.

Per cui, dato che i gradi Kelvin sono i gradi centigradi + 275 circa, per avere 2 atm va scaldato a 600 °K, e per avere 4 atm va scaldato a 1200 °K, che corrispondono a più di 900 °C, che sono tanti.

Poi un sistema a palette ha il vantaggio che non c'è il movimento alternato del pistone, ma ha un problema nella tenuta laterale, diciamo sulle basi del cilindro che contiene il rotore.

Da ultimo dirò che lo statoreattore ( Statoreattore - Wikipedia ) per quanto ne so non ha valvole di nessun genere, forse dicevi del motore della V1 ( http://it.wikipedia.org/wiki/V1_(Fieseler_Fi_103) , che qui chiamano "pulsoreattore".

amir