Motore tipo Brayton a ciclo chiuso

[gordini-motori]

che rimane sempre quello che è un bel esercizio fina ad ora

[Stranamore]

No, non solo. A parte tutte le turbine del mondo anche nella sua forma volumetrica ci sono state e ci sono anche oggi interessanti applicazioni. Se ti leggi i vecchi post ne troverai parecchi esempi che ho postato.
Comunque il suo stadio di sviluppo non è inferiore a quello dello stirling. Se pure è stato meno applicato ha comunque dalla sua la maggiore semplicità che ne recupera lo svantaggio. Non devi paragonarti ai motori a combustione interna che conosci. Con quelli non la spunta nessun altro tipo di motore. Ma considera che un solo motore, se pure in una sola applicazione specifica, in tutta la storia li ha battuti (anzi sbattuti fuori da quella applicazione): Il motore a ciclo Brayton per applicazioni aereonautiche (in forma di turbina). E non solo come potenza, anche come rendimento.
A onor del vero bisogna citare il fatto che il recupero del termine cinetico della velocità di volo altera sensibilmente il bilancio energetico tra compressore e turbina, ma tantè che anche come consumo un turboreattore è meglio di un motoelica a pari velocità di volo.

[gordini-motori]

ho è vero, e anche a terra le ultime turbine arrivano ha buon rendimenti, saluti

[DinoDF]

Buongiorno, è un po' che studio il motore Brayton (il brevetto originale), stavo ragionando sulla possibilità di utilizzare una serpentina, od uno scambiatore, per innalzare la temperatura del gas al posto di riscaldare la testa del cilindro caldo, credo in questo modo si migliori lo scambio termico, ma il mio dubbio è se il maggior volume "morto" sia controproducente. Che ne pensate?
In qualche documento ho letto che il rapporto ottimale tra il volume del compressore e dell'espansore è 2/3, questo dato è corretto? non vorrei progettare tutto e poi ritrovarmi con una macchina progettata male e quindi inutile

[Stranamore]

Ciao DinoDF. Che piacere sentire qualcuno che ha voglia di lavorare sopra un Brayton.
Tutto OK per la serpentina. Il Brayton, avendo le valvole di isolamento, non soffre dei volumi morti come lo stirling. Quindi scambiatori grandi quanto serve senza controindicazioni.
Per quanto riguarda il rapporto tra i volumi di compressore e turbina il valore termodinamicamente corretto dipende in maniera molto stretta dalla temperatura massima raggiungibile. Gli studi su questo ciclo si sprecano e le formule pure. Innanzitutto il ciclo Brayton, per una data Tmax, ammette due valori del rapporto di compressione particolari. Uno è quello di rendimento massimo, l'altro, piu basso, è quello che da la potenza massima. Diciamo che uno dovrebbe stare li in mezzo e andare su o giù a seconda dell'applicazione.
Però se ragioniamo di combustione esterna e per giunta di motore volumetrico si impongono alcune considerazioni pratiche un po diverse.
Non ti faccio tutta la tiritera per non dilungarmi, ma il mio consiglio è di partire con compressore ed espansore di pari volume. Con la fasatura della valvola di aspirazione del cilindro caldo poi puoi regolare a piacere il rapporto di compressione e quindi trovarti quello che rende meglio. Infatti la temperatura max non è nota a priori. Quello che è noto sono le caratteristiche dei materiali con cui si costruisce il motore. Ma le reali temperature massime del fluido puoi saperle solo se le misuri con una termocoppia immersa nel cuore della vena fluida per il tempo sufficiente a stabilizzarsi.
Più semplice regolare la fasatura per tentativi partendo da un rapporto di compressione di 2 e salendo un po alla volta fino a 6. Per casi e temperature normali in questo intervallo ci dovrebbero essere tutti e due i valori del rapporto di compressione (manometrico e non volumetrico non dimentichiamolo) che danno la potenza massima ed il rendimento massimo.
A rigore il ciclo dovrebbe chiamarsi non più brayton ma diesel, ma non stiamo qui a fare i puristi.

[DinoDF]

:-) Grazie mille delle preziose informazioni Stranamore, pensavo proprio di partire con due cilindri identici; per il prototipo, sperando di trovare il tempo nel nuovo anno, pensavo di usare un cilindro pneumatico (completo) per il compressore ed invece solo il cilindro esterno pneumatico e pistone da motori a combustione interna per l'espansore, dato che ormai tutti i cilindri pneumatici montano pistoni in teflon con guarnizioni in gomma che resistono solo fino a 10Bar e 70-80°C.
La serpentina sarà in acciaio inox e le valvole tutte motorizzate comandate con un software apposito, in maniera da poter variare in ogni istante la fasatura.

[Stranamore]

Mi ritrovo in pieno nella parte meccanica. Mi preoccupa un poco il discorso delle valvole motorizzate. Sono difficili da mettere a punto e ad onor del vero ci hanno provato anche molte case automobilistiche ma senza grossi successi.
Un esempio spesso citato ed osannato ma mai arrivato è questo su cui lavorava BMW e Valeo:

Green Car Congress: Valeo In Development Contracts for Camless Engine; Projections of Up To 20% Improvement in Fuel Efficiency

Invece quello nell'immagine, puramente meccanico, sempre di BMW in produzione ci è arrivato recentemente e funziona bene.

[sunny life]

una domanda stranamore...ma i succhiafiamma sono ericcson, brayton oppure..? e come rendimento come vanno ?
li conosci ?

[gordini-motori]

se vuoi altri esempi molti motori navali hanno lo stesso concetto del Bmw, e forse trovi quelo che più ti aiuta, dagli alberi a cammes variabili, a solo le valvole variabili, saluti

[DinoDF]

Invece quello nell'immagine, puramente meccanico, sempre di BMW in produzione ci è arrivato recentemente e funziona bene.

Ciao Stranamore, potresti allegare il file con una risoluzione maggiore? non si riescie a leggere, non penso che sia un segreto industriale.

[Stranamore]

Valvetronic

Assolutamente no. La BMW lo ha pubblicizzato in lungo ed in largo con il nome di Valvetronic.

[Stranamore]

I FLAME SUKER, o succhiafiamma

Si li conosco. Sono l'equivalente a combustione "interna" di un motore Brayton a ciclo sub-atmosferico.
L'unica differenza è che le trasformazioni sono eseguire in sequenza nello stesso cilindro invece che sulle facce opposte del pistone.
In pratica funziona in base al principio che se io faccio aspirare da un cilindro un gas ad alta temperatura e lo espando sotto la pressione atmosferica, poi lo raffreddo e lo ricomprimo avrò un delta positivo di lavoro dovuto al raffreddamento tra espansione e compressione. E' speculare al normale ciclo brayton in cui se comprimo, riscaldo e riespando ottengo un delta di lavoro dovuto al riscaldamento.
Però il fatto che le trasformazioni siano in sequenza nella stessa camera rende il tutto estremamente poco redditizio. Il raffreddamento deve avvenire attraverso le pareti del pistone e con un fluido sostanzialemnte fermo nello spazio e questo non aiuta a scambiare.
Roba da modellini dimostrativi perlopiù.

[Stranamore]

Comunque qualche privato che ci lavora c'è:
YouTube - Monocylinder Camless Engine

[Stranamore]

Un paio di documenti sull'uso del ciclo brayton

Vi posto un paio di documenti sull'utilizzazione dell'energia solare dove viene contemplato il ciclo brayton.
Ovviamente viene preso in esame come ottenuto con macchien rotanti e non volumetriche, ma il discorso rimane valido comunque.
I rendimenti delle sue soluzioni sono, a parità di materiali nobili utilizzati e bontà di progetto, non dissimili, con un leggero vantaggio a mio parere per la soluzione volumetrica sulle piccole taglie.
Laddove infatti una turbina ha un eccellente rendimento meccanico sempre (oramai prossimo a 0.97) ma perde molto in termini di rendimenti adiabatici di compressione ed espansione (prossimi a 0.9 solo nelle taglie veramente grandi), un volumetrico ha un peggior rendimento meccanico (0,5 - 0.9 a seconda del carico) ma un eccellente rendimento adiabatico (prossimo al 100%).
Il risultato finale alla fine dipende dalla taglia del progetto. PEr roba da 1 Kw una turbina è molto svantaggiata.

[Stranamore]

E rieccomi di nuovo

Era un pò che non postavo niente sul brayton Ericsson. Troppo.
Quindi beccatevi questo.

[Stranamore]

Il Brayton ad alta temperatura

Seguendo il filone vi posto un interessante documento sull'utilizzo del ciclo brayton in motori ad alta temperatura. Qui l'applicazione è automobilistica a combustione interna, ma la sostituzione del bruciatore con uno scambiatore o ricevitore solare è concettualmente banale.
Però lo schema è interessante e di indirizzo a chiunque voglia lanciarsi a costruire un motore ad aria calda dotato di valvole.
E volutamente ho escluso la condizione di circuito aperto, perchè, se pur vantaggiosa per l'eliminazione dello scambiatore freddo, non è essenziale al concetto. L'aggiunta di uno scambiatore freddo rende il circuito chiuso. Questo non da nessun vantaggio termodinamico se non la possibilità di pressurizzare il circuito. Quale sia la situazione migliore, fluido sempre freddo aspirato dall'atmosfera o circuito pressurizzato, sarà da decidersi caso per caso in base all'applicazione.
Un motore da generazione elettrica senza recupero del calore allo scarico preferirà la prima. Un cogeneratore la seconda.

[helios23]

prototipo motore a cigli Ericsson

Salve a tutti.
Non mi conoscete ma seguo da molto tempo questo pregevole forum.
Mi occupo di ricerca e sviluppo nel settore della propulsione aerospaziale ma in questo periodo sto affrontando anche il settore delle energie alternative.
Da circa un anno sto lavorando ad un progetto per un micro cogeneratore per impiego domestico, inizialmente con un motore Stirling di cui ho realizzato un prototipo, poi abbandonato per problemi di bassa affidabilità ed efficienza.
Al momento sto costruendo un nuovo motore a ciclo Ericsson al quale mancano ancora la testata con le relative valvole.
Ha una configurazione bicilidrica con il volume di compressione di 150cc e quello di espansione di 600cc (rapporto 1:4), lubrificazione a sbattimento d'olio e carter sigillato.
Per la costruzione delle valvole devo ancora stabilire il rapporto di fasatura e composizione della parte prettamente meccanica.
Le descrizioni e consigli pubblicati su questo forum mi sono stati molto utili.
Grazie a tutti.
Helios

[rampa]

Salve a tutti....

Ha una configurazione bicilidrica con il volume di compressione di 150cc e quello di espansione di 600cc (rapporto 1:4)...

Le descrizioni e consigli pubblicati su questo forum mi sono stati molto utili.
Grazie a tutti.
Helios

Ciao Helios, benvenuto nel forum !
A che DeltaP intendi far lavorare il tuo Ericsson ?

[Stranamore]

Ciao Helios23. Benvenuto nel club, ristretto in verità, di chi vuole sperimentare con motori a combustione esterna dotati di valvole.
La configurazione bicilindrica è la più semplice concettualmente per questo tipo di motori. Non necessariamente la migliore. MA comunque per iniziare a sperimentare va bene.
Il rapporto tra i volumi di compressione ed espansione è indicativo fino ad un certo punto. Il rendimento del ciclo Brayton ideale dipende in maniera univoca dal rapporto di compressione. E quello dipende in realtà dalla fasatura delle valvole comandate.
La dipendenza del rendimento dalla temperatura massima, nel caso ideale, è solo indiretta. Ovvio che più comprimo il gas nel compressore e più dovrò avere una sorgente a temperatura alta.
Nel caso reale invece la dipendenza diventa molto più pesante. Infatti il lavoro generato è direttamente proporzionale alla Tmax del ciclo, e siccome gli attriti sono sempre gli stessi, a Tmax maggiori corrispondono rendimenti maggiori, anche a pari rapporto di compressione.
In ogni caso l'Rc ottimo è un compromesso tra rendimento e potenza specifica richiesta. E dipende inoltre dalla situazione impiantistica. Se utilizzi un rigeneratore, tassativo per impieghi con energia solare, deve rimanere basso per forza. Se invece il ciclo è semplice andrà scelto come intermedio tra quello di rendimento max e quello di potenza max.

[amir]

.... Benvenuto nel club, ristretto in verità, di chi vuole sperimentare con motori a combustione esterna dotati di valvole...

C' è anche chi segue con attenzione, la competenza (e ...l' amore?) con cui viene trattata questa materia la rende ancor più interessante, e io imparo un sacco di cose. Quando/se riprenderò a lavorare al mio progetto sarà con molto maggiore cognizione di causa.

Un sentito rigraziamento.

amir

[helios23]

Ciao Helios, benvenuto nel forum !
A che DeltaP intendi far lavorare il tuo Ericsson ?

Dipende dal salto termico del fluido di lavoro.
Usando aria atmosferica e ipotizzando una temperatura del collettore solare di 600 gradi e quella dello scambiatore freddo di circa 80 gradi dovrebbe essere di circa 2 bar. Poco in effetti e ovviamente è tutto da verificare.

Saluti

Helios

[rampa]

Dipende dal salto termico del fluido di lavoro.
Usando aria atmosferica e ipotizzando una temperatura del collettore solare di 600 gradi e quella dello scambiatore freddo di circa 80 gradi dovrebbe essere di circa 2 bar. Poco in effetti e ovviamente è tutto da verificare.

Dai dati comunicati, il tuo Ericsson dovrebbe avere un RC di 1,236.
Cioè la camera di espansione calda dovrebbe essere 1l 23-24% più grande di quella di compressione fredda.

Con un RC di 1 (il più semplice da implementare, due camere uguali) con quel DeltaT (873°K e 353°K) si sviluppano 2,47 atm di DeltaP massimo.

Il RC di 4 è improponibile perchè esige un DeltaT di 2500°K.

Ciao.

[helios23]

motore Ericsson

Vero, grazie per il calcoli dettagliati.
Purtroppo il rapporto delle cilindrate non e' stato scelto, ma gia' disponibile su un monoblocco di recupero.
Penso dovro' trovare una soluzione diversa, impiegando solo il basamento, manovellismo e bielle.
Consigli di mantenere intatta la cilindrata maggiore o quella minore?
In altri termini che potenza meccanica potrebbe sviluppare partendo da queste premesse?

Saluti.
Helios

Dai dati comunicati, il tuo Ericsson dovrebbe avere un RC di 1,236. Cioè la camera di espansione calda dovrebbe essere 1l 23-24% più grande di quella di compressione fredda.
Con un RC di 1 (il più semplice da implementare, due camere uguali) con quel DeltaT (873°K e 353°K) si sviluppano 2,47 atm di DeltaP massimo.
Il RC di 4 è improponibile perchè esige un DeltaT di 2500°K.
Ciao.

[rampa]

Vero, grazie per il calcoli dettagliati.
Purtroppo il rapporto delle cilindrate non e' stato scelto, ma gia' disponibile su un monoblocco di recupero.
Penso dovro' trovare una soluzione diversa, impiegando solo il basamento, manovellismo e bielle.
Consigli di mantenere intatta la cilindrata maggiore o quella minore?
In altri termini che potenza meccanica potrebbe sviluppare partendo da queste premesse?

Saluti.
Helios

A volte è più difficile e costoso ristrutturare una casa vecchia che abbatterla e rifarne una nuova...
l'unico consiglio probabilmente utile se vuoi utilizzare le due camere, è quello di tenere le valvole del cilindro piccolo freddo (150cc) a clapet (semplici non ritorno) e di aprire la valvola di immissione comandata del cilindro caldo (600cc) e di chiudere quella di uscita con opportuno ritardo, in modo da diminuirne la cilindrata effettiva che non sarà più di 600cc ma molto meno.
Dovresti avvicinarti ad una cilindrata calda di 200cc circa.
Buon lavoro !

[rampa]

Brayton a ciclo inverso...

...altrimenti potresti usare il tutto col sistema Brayton a ciclo inverso, ma qui dovrebbe spiegartelo meglio Stranamore...

[helios23]

vedo quattro possibili soluzioni:
1- lavorare sulla fasatura come tu hai suggerito
2- ridurre la cilindrata del pistone piu' grande, con un'opportuna camicia custom e sostituendo il pistone con uno di adeguato alesaggio.
3- conservare solo il basamento manovellismo e ricreare da zero i cilindri.
4- cercare un altro gruppo con rapporto di cilindrate adatto

[Stranamore]

Secndo me dovresti tenerti il monoblocco così comè e lavorare solo sulla fasatura. Cambiare il pistone significa rompere il delicato equilibrio della equilibratura del manovellismo. Il peso delle manchette dell'albero motore è calcolato per il peso del pistone secondo una equazione abbastanza complicata.
Ti ritroveresti con un motore che vibrerebbe così tanto da tirare giù il balcone di casa con un po di tempo a disposizione.
E qui apro una interessante questione. Uno dei maggiori ostacoli alla diffusione dei cogeneratori domestici sono proprio le vibrazioni ed il rumore.
Il cemento armato teme terribilmente le vibrazioni di bassa frequenza che staccano il cemento dai ferri indebolendo la struttura.
Il rumore è meno pericoloso, salvo per le orecchie del vicino di balcone.

[rampa]

Perchè no ?

vedo quattro possibili soluzioni:
1- lavorare sulla fasatura come tu hai suggerito
2- ridurre la cilindrata del pistone piu' grande, con un'opportuna camicia custom e sostituendo il pistone con uno di adeguato alesaggio.
3- conservare solo il basamento manovellismo e ricreare da zero i cilindri.
4- cercare un altro gruppo con rapporto di cilindrate adatto

Perchè scartare il Brayton a ciclo inverso... ?
Potrebbe essere molto interessante !

[Stranamore]

Il brayton a ciclo inverso idealmente funzionerebbe ma nella realtà pratica le cose sono diverse.
Infatti questo ciclo è nato per superare i problemi delle turbine quando si scende sotto certe dimensioni. Così si riesce a tenere potenze basse mantenendo le dimensioni delle ruote al di sopra di quella dimensione minima per cui le perdite di estremità diventano percentualmente così grandi da pregiudicare il rendimento dell'impianto stesso. Ma le turbine hanno un rendimento meccanico praticamente sempre maggiore del 97%.
Quando si parla di pistoni invece le perdite di estremità non ci sono mentre le perdite per attrito possono arrivare al 35-40% del totale. Quindi diventa essenziale la concentrazione di potenza. La sintetizzo dicendo che a parità di attriti genero più potenza e quindi percentualmente questi valgono meno ed il rendimento dell'impianto cresce.
Quindi niente depressione, anzi, pressurizzazione spinta.
Helios23 ha già il monoblocco e gli conviene tenerselo così comè.
Ma un processo di progettazione corretto dovrebbe partire all'inverso. Dal calore disponibile e dai parametri del ciclo si sceglie la massima pressione utilzzabile in funzione del motore dalla cilindrata la più piccola possibile.
Questo porta (è il concetto di "Downsizing" di cui si sente spesso parlare in automobilismo) al miglio rendimento ed inolte alle minori vibrazioni e rumore. Perchè il motore più piccolo è anche più leggero ed ha minori forse alterne.

[rampa]

concordo...

...sì, meglio la pressurizzazione spinta e cambio fasatura...

Comunque dai calcoli da me fatti (ma li ripeterò meglio), con quei parametri, se non si pressurizza in modo spinto, escono pochi Joule per ciclo, tanto da dubitare che possa girare.