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L'espansore volumetrico adiabatico: dalla teoria alla pratica

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  • L'espansore volumetrico adiabatico: dalla teoria alla pratica

    Un motore semplice, forse troppo semplice per destare interesse, è stato oggetto di diverse pubblicazioni nel blog Scienza Laterale.
    E' stato chiamato Colibrì perchè può essere piccolo e molto veloce.
    Si tratta di un espansore volumetrico adiabatico e può funzionare sia con biellismo che in configurazioni free piston.
    11
    Molto interessante
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    Interessante
    27.27%
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    Poco interessante
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    Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

  • #2
    Non è molto diverso come principio di funzionamento da questo:

    Animated Engines - CO2 Motor

    Si tratta di un motore uniflow con valvola bash.

    La novità è essenzialmente costruttiva:
    la trasformazione di una valvola ad impatto in una valvola a cassetto.

    Bisogna capire se e come conviene.

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    • #3
      ho visto l 'animazione.. interessante.. praticamente le valvole sono luci di aspirazione e scarico.. mi ricorda un motore a 2 tempi!

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      • #4
        @Rampa
        La valvola bash del motore a CO2 e quella a cassetto del Colibrì sono entrambe costruttivamente accessibili.

        Spesso si immagina il funzionamento di un motore a regime di rotazione lento, per esempio 1 ciclo si completa ogni 2-3 secondi.
        A queste condizioni entrambe le valvole sono probabilmente "eterne".
        Ma quando si sale di frequenza, il panorama cambia.
        A 10 giri al secondo (f=10Hz), la valvola viene attivata 10 volte in un secondo, 600 volte in un minuto, 36 000 volte in un'ora. A 20 giri al secondo, i numeri raddoppiano.
        Quale delle due soluzioni valvolari dura di più nel tempo?

        Un'ulteriore considerazione.
        A differenza del sistema a cassetto, l'apertura della valvola bash richiede lavoro e quindi consuma un po' di energia.
        Questa caratteristica ne ostacola l'impiego in configurazioni free piston.

        @Mac-Giver
        Bello il paragone di questi motori con il due tempi a combustione interna.
        Ultima modifica di Yuz; 11-02-2013, 09:24.
        Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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        • #5
          @Yuz
          La sostituzione di una valvola ad impatto con una valvola a cassetto comporta la presenza di una "tenuta di appoggio" che alla lunga potrebbe cedere, sopratutto se questa valvola fosse soggetta a forze laterali che aumentano l'usura da strisciamento.

          In pratica l'usura da impatto, devastante, viene scambiata con l'usura da strisciamento: altrettanto devastante...?

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          • #6
            Originariamente inviato da rampa Visualizza il messaggio
            @Yuz


            In pratica l'usura da impatto, devastante, viene scambiata con l'usura da strisciamento: altrettanto devastante...?
            no, se si usano i materiali con le geometrie e le tolleranze giuste

            Ceramics - Industrial Ceramics and Glass - Goodfellow-Ceramics

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            • #7
              La spinta laterale è uno degli aspetti critici delle movimentazioni con biella e manovella.

              Il Colibrì nelle versioni free piston non presenta questo problema.
              Nelle configurazioni con funzionamento orizzontale è però presente la forza di gravità che agisce in modo analogo alla spinta laterale.
              Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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              • #8
                Se si decide per il freepiston, allora si sceglie per la dinamo lineare, che però va gestita in modo oculato, isolando le parti elettriche da eventuali perdite di vapore stesso.
                Sarebbe interessante poter costruire una macchina completamente sigillata, in cui il liquido di lavoro non vada mai disperso.

                Uno dei problemi da risolvere per la dinamo lineare, ad esempio, è la necessità di usare materiali amagnetici.
                La ceramica, come propone mac-giver (che ringrazio per l'ottimo link) sarebbe un materiale ottimo, ma mi chiedo... quanto costa ad acquistarla e quanto è facile lavorarla?

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                • #9
                  Il free piston è una sfida più intrigante rispetto alla soluzione con biella e manovella di cui non ci sono dubbi sul funzionamento effettivo, ma obbliga all'adozione dell'alternatore lineari per la conversione da energia meccanica a energia elettrica.
                  L'alternatore lineare fa certamente parte della sfida ed è tutt'altro che di secondaria importanza e difficoltà.

                  I requisiti che i materiali di costruzione di un'espansore adiabatico volumetrico dovrebbero avere sono:

                  1) economicità
                  2) lavorabilità
                  3) resistenza all'usura
                  4) resistenza alla corrosione
                  5) bassa conducibilità termica

                  La dinamo lineare integrata nel corpo dell'espansore aggiunge, almeno per quanto riguarda il cilindro, anche la necessità di:

                  6) bassa conducibilità elettrica
                  7) amagnetismo

                  La ceramica è sicuramente un materiale interessante e da valutare, ma anche il più comune acciao inox AISI 316 potrebbe avere qualcosa da dire.
                  Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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                  • #10
                    Le configurazioni free piston hanno movimentazioni poco regolari sopratutto con certe pressioni. Questo si verifica anche nei motori di Stirling free piston.
                    In pratica, per regimi pressori diversi da quelli per cui un Colibrì è stato progettato, si rischia da un lato di non vederlo funzionare e dall'altro di rovinare addirittura le parti mobili, sotto l'effetto di pressioni troppo elevate.

                    Infatti col biellismo, la variazione delle pressioni si traduce solamente in un cambiamento di giri del motore senza influire sull'escursione del pistone, mentre col free piston oltre all'aumento della frequenza, si ha anche variazione dell'escursione del pistone, rischiando così che possa andare a sbattere violentemente sul corpo macchina, con danni irreparabili...
                    Ultima modifica di rampa; 16-02-2013, 18:33.

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                    • #11
                      Lo Stirling free piston viene spesso invocato come esempio di riferimento dei motori senza biellismo.
                      Ma la dinamica svincolata di dislocatore e pistone di potenza fa intuire che in realtà il funzionamento si fonda su un complesso e delicato bilanciamento di forze ed inerzie delle masse in gioco.
                      In altre parole è come se si trattasse di un sistema risonante, cioè funzionante solo a determinate frequenze.
                      Appena si esce dalla frequenza ottimale per una variazione delle temperature operative o per una variazione di carico, si osservano importanti perdite di rendimento fino al completo annullamento.
                      Progettazione e costruzione di uno Stirling free piston sono fuori dalla portata di un hobbista.
                      Il biellismo "doma" lo Striling e ne rende possibile il funzionamento con rendimenti stabili in condizioni operative molto meno limitate.


                      Come nello Stirling, il biellismo e il volano "tranquillizzano" il pistone del Colibrì.
                      Nel free piston, l'assenza dei vincoli meccanici rende il motore tendenzialmente "nervoso".
                      Ma il Colibrì free piston non è un sistema risonante come lo Stirling free piston.
                      Per questo motivo è credibile che il Colibrì free piston abbia limiti operativi molto meno ristretti e rendimenti più stabili rispetto allo Stirling free piston.

                      Per farlo funzionare correttamente bastano in effetti due accorgimenti:
                      1) evitare carichi eccessivi per non rallentare eccessivamente il pistone e provocare il blocco del motore;
                      2) evitare carichi troppo blandi per impedire la collisione del pistone con le parti interne del motore.

                      Che sfida sarebbe se non ci fosse neanche questo da fare?
                      Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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                      • #12
                        Possiamo affermare che la scelta della movimentazione Free Piston è una scorciatoia forse un po' ripida e tortuosa, ma giustificata dall'intenzione di rendere più semplice ed economico (se ancora fosse possibile) il Colibrì, sopratutto nella parte elettrica.
                        Rimane comunque sempre aperta la via maestra della biella-manovella, sopratutto per le configurazioni multiple, con l'alternatore rotante.

                        Il Colibrì Free Piston, pur avendo un range di frequenze ottimali più ampio rispetto allo Stirling, dovrebbe essere progettato ad hoc secondo:
                        1 - il mezzo di lavoro (gas mono-bi-multi-atomico o tipo di vapore)
                        2 - le pressioni in gioco

                        Una macchina progettata per pressioni medio-basse avrebbe rendimenti fortemente penalizzanti con pressioni medio-elevate.
                        Viceversa una macchina spinta non funzionerebbe con pressioni basse.

                        Si rischia pertanto di doverne costruire e testare molte versioni, anche solo per la sperimentazione di un prototipo.
                        Ma non credo che sia un grosso problema, visti i costi relativamente bassi dell'aggeggio...

                        L'importante è esserne consapevoli.

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                        • #13
                          Il Colibrì non può funzionare se il rapporto pressorio (definito come Pmax/Pmin) è inferiore ad un certo valore limite.
                          Tale valore limite dipende sia dal rapporto di compressione che dal tipo di gas.
                          La dipendenza dal tipo di gas deriva dall'adiabaticità dell'espansore.
                          Maggiore è il coefficiente gamma dell'espansione adiabatica del fluido di lavoro, maggiore sarà il rapporto pressorio minimo.
                          Per i gas ideali (monoatomico, biatomico e poliatomico) è possibile fare il calcolo esatto del rapporto pressorio a partire dal rapporto di compressione.
                          Naturalmente è possibile anche il contrario, cioè determinare il rapporto di compressione dal rapporto pressorio.
                          Tali valori possono essere adottati come punto di partenza per la progettazione.
                          Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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                          • #14
                            Forse è meglio rendere i concetti con le figure piuttosto che con le parole.

                            Disegno due Colibrì con rapporti di compressione diversi.
                            Nelle due immagini, si rappresenta il momento in cui il pistone sta muovendosi da sinistra a destra e si è appena aperto lo scarico del gas espanso nella camera di destra (azzurra) e il carico del gas in pressione nella camera di sinistra (gialla).

                            Uno ha il Rapporto di Compressione (RC) a 1:5,4 circa.
                            L'altro ce l'ha a 1:1,57.

                            Il primo è adatto ad espandere adiabaticamente dei gas o vapori a pressioni di 10-15 Atm.

                            Se lo usassi per pressioni più basse, succederebbe che nella camera di destra il gas va in depressione: in pratica, non funzionerebbe, mi rientrerebbe gas dallo scarico...

                            Il secondo è idoneo per circa 2-3 Atm.

                            Se lo adoperassi per pressioni elevate, la camera di destra non sarebbe completamente espansa a fine corsa e si scaricherebbe inutilmente gas a pressione elevata: funzionerebbe in teoria, ma renderebbe pochissimo...

                            La pressione della camera destra a fine espansione deve essere abbastanza elevata da garantire uno scarico sufficiente del gas, senza compromettere troppo il rendimento complessivo, ma non può essere negativa.

                            Quello che voglio dire è:
                            Volume di riempimento e volume di espansione sono fissi, e tali restano per tutta la durata della macchina, perchè non sono modificabili dall'esterno, durante il suo funzionamento.

                            Così come è concepito il colibrì è una macchina rigida.
                            Bisogna progettarne e fabbricarne una diversa dall'altra secondo le pressioni e quindi le temperature che si hanno a disposizione.

                            Poco male, perchè costa veramente poco...

                            .
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                            Ultima modifica di rampa; 19-02-2013, 20:16.

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                            • #15
                              Tabelle di riepilogo per orientarsi in fase di progettazione.

                              Rapporto di Compressione da Rapporto Pressorio


                              Rapporto Pressorio da Rapporto di Compressione


                              Si puntualizza che le tabelle riportate sono relative a gas ideali.

                              Con il vapore l'analisi teorica è più complessa.

                              Mentre il vapore fortemente surriscaldato tende a comportarsi come un gas poliatomico ideale e quindi possono essere adottati gli stessi risultati, quando ci si avvicina allo stato di saturazione il comportamento si differenzia in modo eccessivo e non è più descrivibile in modo esatto con equazioni matematiche semplici (in range ristretti è comunque possibile definire delle relazioni approssimate).
                              Diventa perciò necessario consultare direttamente le misure sperimentali sotto forma di tabelle o di grafici come il diagramma di Mollier (diagramma Entalpia-Entropia).
                              Utilizzando questo approccio si riscontra che la perdita di pressione in un'espansione adiabatica del vapore saturo è sensibilmente minore di quella che si osserva nel caso del gas poliatomico ideale.
                              Pertanto il limite del rapporto pressorio di funzionamento con il vapore saturo è più basso rispetto a quello individuato per il gas poliatomico ideale.
                              Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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                              • #16
                                Originariamente inviato da rampa Visualizza il messaggio
                                Uno dei problemi da risolvere per la dinamo lineare, ad esempio, è la necessità di usare materiali amagnetici.
                                La ceramica, come propone mac-giver (che ringrazio per l'ottimo link) sarebbe un materiale ottimo, ma mi chiedo... quanto costa ad acquistarla e quanto è facile lavorarla?
                                come tutti i materiali comprati da "comune mortale" prototipatore, i costi sono di gran lunga superiori a quelli industriali..

                                ma già ci si può fare un'idea calcolando che quello che si trova commercialmente lo paghi almeno il doppio

                                Barre in ceramica Materiale ceramico Macor asta 100x40mm MACOR MROD 40/100 consegna in 24 ore

                                una barra da 40mm lunga i 1 mt non costa un'esagerazione già da non industriale...quindi se questo materiale può essere utile per fare dei particolari del colibrì può essere preso in considerazione..

                                la temp di lavoro si aggira sugli 800° ed è esente da ossidazione e corrosione.. cosa che avendo a che fare con il vapore è molto importante..

                                dalle descrizioni sembra anche facilmente lavorabile, quindi la vedo un ottimo alleato per un futuro prototipo da costruire..

                                appena me ne capita un pezzo tra le mani ti faccio sapere anche il grado di finitura raggiungibile.. ma penso che si possa arrivare a "lapparla" come un vetro..

                                per quanto riguarda il generatore lineare, ho qualche idea in proposito..se poi serve un supporto per la configurazione sono disponibile

                                interessante sto "cosetto"

                                Commenta


                                • #17
                                  Originariamente inviato da mac-giver Visualizza il messaggio
                                  ...
                                  interessante sto "cosetto"
                                  Il vero interesse è l'estrema semplicità e quindi l'economicità del Colibrì. Termodinamicamente non ha niente di nuovo.
                                  E' stato studiato e sviscerato nel modo più completo possibile nel blog di Yuz: sorprese non dovrebbero essercene.

                                  La sfida ora è costruttiva, ma non nel senso di vedere se funziona, no, piuttosto nel senso di vedere e capire se riesce a ripagarsi prima che le parti mobili e soggette ad usura meccanica e termica diventino inutilizzabili.
                                  In pratica la macchina deve ripagarsi almeno 2-3 volte prima di essere buttata...

                                  Si parla sempre di cogenerazione domestica da 0,5-1kW e funzionante per molte ore al giorno.
                                  Il sistema non deve costare più di 500-1000€...

                                  Questa è la vera sfida, altrimenti resta un giocattolo...

                                  Commenta


                                  • #18
                                    Spesso i prototipi costano cifre da capogiro e si scarica la responsabilità della riduzione dei costi all'ingegnerizzazione e all'industrializzazione del prodotto finale.
                                    Ma quando i mezzi e le risorse per la fabbricazione del prototipo scarseggiano, gli sforzi si concentrano per estremizzarne la semplicità costruttiva.
                                    Il Colibrì è il risultato di questo processo.

                                    L'obiettivo economico è certamente ambizioso e forse impossibile da raggiungere: riuscire a realizzare un impianto che già a livello di prototipo possa avere qualche speranza di ripagarsi con la corrente che produce.
                                    Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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                                    • #19
                                      E' ormai chiaro che "il giocattolo" verrà costruito a breve termine.
                                      Motore adiabatico per cogenerazione domestica

                                      Intanto mi diverto a puntualizzare qualche aspetto teorico del Colibrì.

                                      Abbiamo voluto fare una simulazione matematica di questa macchina utilizzando il vapore.
                                      Il ciclo viene rappresentato dal seguente grafico:

                                      Clicca sull'immagine per ingrandirla. 

Nome:   Colibrì Simulazione .PNG 
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                                      La simulazione prevede una Tmax di 200°C e una Tmin di 50°C.
                                      I dati vengono tratti da tabulazioni ufficiali.

                                      In queste situazioni si prevede che lo scarico del vapore avvenga al 90,9%
                                      Il calore fornito per ciclo è di 130,5J, il lavoro sarebbe in teoria di 18,52J per ciclo.
                                      Il rendimento teorico sulla carta sarebbe del 14,2%.

                                      Non è possibile determinare se non in modo molto grossolano e quindi praticamente inutile, la frequenza di funzionamento.
                                      Quindi è impossibile per ora sapere la Potenza di questa macchina.

                                      Se lavorasse a frequenza di 10 Hz avrebbe una potenza teorica di 185W.
                                      In tal caso possiamo presumere che in realtà si riesca ad avere Potenze e Rendimenti poco più che dimezzati, ossia 100W con rendimento 8%.
                                      Il resto del calore serve a scaldare radiatori e acqua sanitaria.

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                                      • #20
                                        Mentre nelle configurazioni in biella/manovella si raggiungono senza grossi problemi anche rapporti di compressione molto elevati, nelle versioni free piston non è possibile.
                                        Il biellismo vincola la corsa del pistone a un valore fisso e quindi si può arrivare senza rischio molto vicini alla zona del cassetto di immissione, cioè il volume al PMS può essere ridotto quasi a piacere.
                                        Nel caso del free piston il punto di inversione del moto varia in funzione della velocità del pistone, quindi bisogna garantire spazio sufficiente per il suo arresto e successiva ripartenza nella direzione opposta.

                                        Il rapporto di compressione in questo tipo di motori è dato dal rapporto fra il volume nell'istante in cui si apre/chiude la luce di scarico e il volume nell'istante in cui si apre/chiude la luce di immissione.
                                        Tuttavia è possibile definire una relazione approssimata (che tende però a sovrastimare il valore del rapporto di compressione) in questi termini

                                        RC = ( A + B ) / B

                                        A = RC * B - B = B * ( RC -1 )

                                        dove
                                        RC è il rapporto di compressione;
                                        A è la corsa minima cioè la distanza che deve percorrere il pistone per passare dal punto di apertura/chiusura della luce di immissione (PMS), al punto di apertura/chiusura della luce di scarico (PMI);
                                        B è l'extracorsa disponibile per il pistone oltre il PMS.

                                        Nella simulazione di Rampa l'RC ha un valore di 8,5.
                                        Questo significa che se l'extracorsa è pari a 10mm, la corsa attiva del pistone dovrà essere di almeno 75mm (=10*(8,5-1), un valore di per sè già piuttosto importante.
                                        Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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                                        • #21
                                          Clicca sull'immagine per ingrandirla. 

Nome:   Colibrì Simulazione2.PNG 
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ID: 1934900


                                          Riposto il grafico PV della simulazione del Colibrì commentandone le varie trasformazioni:
                                          L'area lavoro è compresa tra due adiabatiche e due isocore.


                                          Le adiabatiche
                                          sono di facile comprensione, sono quelle del vapore in questo caso.
                                          Derivano da dati tabulati, sono molto precise perché hanno alle spalle non formule matematiche ma dati ricavati sperimentalmente.
                                          La definizione del Colibrì come motore adiabatico puro deriva dal fatto che l'area lavoro non presenta linee isobare e nemmeno isoterme, ma solo adiabatiche, cioè il tipo di trasformazione più vantaggiosa in assoluto.


                                          Molto più interessanti sono le due isocore.

                                          Quella di scarico è a tutti gli effetti una trasformazione termodinamica in perdita, dato che "tronca" un'area di lavoro: scarica pur sempre del vapore ancora in pressione.
                                          Ma a fronte di uno svantaggio termodinamico minimo, abbiamo un consistente risparmio:
                                          1 - economico (non si costruisce la valvola di scarico e relativa movimentazione che potrebbero far tranquillamente raddoppiare il prezzo della macchina)
                                          2 - meccanico (non c'è movimentazione e perdita di energia meccanica)
                                          3 - termico (il vapore espanso/freddo viene scaricato lontano dalla valvola calda).
                                          In questa simulazione grafica, si calcola che lo scarico del vapore avvenga al 91% quindi in modo molto efficace.

                                          L'isocora di carico (la linea verticale di sinistra) è termodinamicamente un riempimento volumetrico iso-entalpico di vapore e come tale comporta pochissima perdita.
                                          Anche in questo caso la rinuncia della isobara di spinta tipica del ciclo del motore a vapore classico, si traduce in un vantaggio costruttivo (e quindi economico) enorme, come per la valvola di scarico vista sopra.
                                          La valvola è tipica a cassetto, quindi non ha impatti che deformano il metallo.


                                          Nel grafico si nota la presenza di due linee orizzontali tratteggiate, indicate come extra-corsa di carico ed extra-corsa di scarico. Rappresentano il movimento che il pistone fa oltre l'apertura della valvola di carico e di scarico.
                                          Anche in questo caso esse non provocano nè perdite nè guadagni, ma sono essenziali per la dinamiche di riempimento e di scarico.
                                          in un Colibrì free-piston queste due linee orizzontali sono di lunghezza variabile e quindi variabile sarà il carico e lo scarico da ciclo a ciclo.
                                          In un sistema biellato la lunghezza di quelle linee sarà fissa e i tempi di apertura saranno sempre regolari.



                                          Da conti economici fatti grossolanamente possiamo presumere che il colibrì così come presentato e ideato, possa avere un costo di costruzione addirittura inferiore di quello di una singola valvola del motore a vapore classico, e con rendimenti totali se non superiori, senz'altro in linea con lo stesso...

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                                          • #22
                                            Il ciclo scelto da Rampa opera fra una temperatura massima di 200°C (=473,15K) e una temperatura minima di 50°C (=323,15K) con un rendimento sulla carta pari al 14,2%.
                                            Questo numero, in mancanza di altri valori di riferimento con cui confrontarlo, è in sè poco significativo.
                                            Un primo termine di paragone si può individuare nel rendimento di Carnot che stabilisce il massimo teorico per qualunque macchina termica.

                                            Rendimento di Carnot = 1 - Tfredda/Tcalda = 1 - 323,15K/473,15K = 0,317 (31,7%)

                                            Nel caso dei motori a vapore è possibile individuare un secondo valore limite nel rendimento del ciclo Rankine. In questo caso non esiste una formula come quella di Carnot e bisogna utilizzare altri mezzi (per esempio la via grafica con il diagramma di Mollier).
                                            Alle condizioni operative indicate si trova

                                            Rendimento di Rankine = 28%

                                            Il rendimento del ciclo riportato da Rampa riesce a strappare solo il 44,7% del Carnot e poco più del 50% del Rankine. Visto in questi termini non eccelle certo in prestazioni.
                                            Tuttavia questo risultato non può e non deve essere generalizzato in quanto, a parità di altre condizioni, il rendimento del Colibrì è legato al rapporto di compressione.
                                            Sperimentazioni di fusione fredda e LENR - www.scienzalaterale.blogspot.com

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                                            • #23
                                              In effetti il ciclo l'ho scelto per esigenze grafiche, per fare in modo cioè che l'isocora di fine espansione non fosse troppo piccola.
                                              Infatti non conviene scaricare a 1,36atm avendo a disposizione una Pmin a 0,12atm.
                                              Con queste temperature a disposizione conviene usare configurazioni che espandono di più, oppure conviene immettere meno vapore da espandere al PMS, che poi è la stessa cosa.


                                              Ho provato allora a simulare tre configurazioni con carico diverso, lasciando immutate le T°max, le T°min e il volume di espansione.

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ID: 1935016

                                              e i dati vengono riportati in questa tabella nelle rispettive righe colorate:

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Nome:   Colibrì Tabula.PNG 
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                                              Come si può vedere dalla tabella, quanto più grande è l'espansione (RC o Rapporto di Compressione) rispetto al vapore immesso, tanto più il rendimento aumenta, fino a riuscire ad estrarre oltre il 70% del teorico di Carnot.
                                              Peccato però che il lavoro per ciclo si riduca in modo drastico, avendo scelto nelle simulazioni di lasciare inalterati i volumi della macchina...

                                              Da notare che per veder aumentare il rendimento si debba aumentare il rapporto RC/RP cioè la % di espansione rispetto la pressione a disposizione.

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                                              • #24
                                                L'espansore volumetrico adiabatico esposto in questo thread esprime un ciclo termodinamico nel quale rispetto al normale motore uniflow manca la trasformazione isobara, detta anche azione di spinta.
                                                Manca in pratica il lavoro che il vapore o il gas svolge dal momento dell'apertura della valvola calda al momento della sua chiusura, e viene invece lasciato il lavoro dell'espansione adiabatica, comunemente detto anche "taglio del vapore".

                                                In un uniflow il ciclo termodinamico sarebbe rappresentato da questo grafico PV (mantenendo per semplicità di comprensione la Tmax e Tmin dei commenti precedenti).

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Nome:   Colibrì Sim 0.PNG 
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ID: 1935177

                                                Per realizzare questo ciclo è necessaria la presenza di una valvola calda o di immissione (l'unica mobile presente nell'uniflow) che si muove in modo non solo svincolato, ma anche sfasato rispetto al pistone.
                                                Nemmeno il famoso motore a CO2 presentato in animated engines avrebbe queste caratteristiche tecniche.

                                                Animated Engines - CO2 Motor

                                                Infatti il movimento della valvola di immissione (apertura bash), pur essendo svincolato meccanicamente dal pistone, non è sfasato rispetto allo stesso di nemmeno un grado, dato l'apertura avviene perfettamente a cavallo del PMS.
                                                Pertanto il ciclo del motore a CO2 è lo stesso del nostro Colibrì.

                                                Anticipo già che è stato ideato ed è possibile quindi costruire un motore simile al Colibrì (lievemente meno semplice) ma che ha lo stesso ciclo termodinamico sopra presentato, con il lavoro di spinta e quindi con valvole sfasate.
                                                Ne farò argomento in un altro thread, se qualcuno manifesterà interesse, anche solo speculativo...

                                                Ma la vera domanda importante è questa:

                                                -La mancanza del lavoro di spinta nel Colibrì è una perdita termodinamica o no?....

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                                                • #25
                                                  Il riempimento di vapore del volume al PMS che avviene al momento dell'apertura della valvola è una trasformazione isocora.
                                                  Energeticamente è qualificabile come "espansione isoentalpica" (significa "espansione a stessa energia").
                                                  Si tratta infatti di occupazione di volume senza induzione di movimento di nessuna massa estranea al vapore stesso, e quindi concettualmente è una perdita termodinamica quasi nulla.

                                                  Scienza Laterale: Conoscere, Capire, Approfondire: La trasformazione isoentalpica del vapore

                                                  Trattandosi poi di un free-piston, il movimento inerziale del pistone continua nella sua corsa respingendo in parte il vapore nella zona da dove era uscito. Questa compressione finale è un'adiabatica che trasforma l'energia cinetica residua del pistone in calore, calore che però viene prontamente restituito nella fase successiva quando il pistone torna indietro: si tratta energeticamente di due isoentropiche uguali e opposte, una specie di trasformazione "elastica", essendo esse due trasformazioni reversibili e contrarie.

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ID: 1935261

                                                  Da tutto questo ragionamento si evince che
                                                  nel Colibrì la mancanza dell'area gialla rappresentata dall'immagine, costituisce essenzialmente una perdita di potenza, ma non di rendimento.

                                                  In pratica il vapore viene sfruttato bene, ma è come se la macchina fosse più piccola... e questo contrariamente a quanto sembra, potrebbe costituire anche un vantaggio.

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                                                  • #26
                                                    Il ciclo termodinamico di questo "espansore volumetrico adiabatico alternato" è stato spiegato in lungo e in largo.

                                                    1 - Adiabatica di espansione (l'unica traformazione a lavoro utile)
                                                    2 - Isocora di scarico (trasformazione a perdita inevitabile ma vantaggiosa meccanicamente)
                                                    3 - Adiabatica di ritorno (trasformazione negativa ma reversibile)
                                                    4 - Isocora di carico (trasformazione a perdita minima e anche questa meccanicamente vantaggiosa)

                                                    E' un ciclo abbastanza efficiente da rendere possibile la creazione e lo sviluppo di interessanti motori a vapore estremamente economici.
                                                    Infatti sono motori costruiti con un unico corpo mobile e praticamente senza valvole da installare e da movimentare.

                                                    La versione mostrata da Yuz nel suo blog è una delle tante possibili.
                                                    Scienza Laterale: Conoscere, Capire, Approfondire: Motore Colibrì

                                                    Ogni versione ha pregi e difetti.


                                                    Solo a titolo di esempio, mando l'immagine movimentata di questa versione mono effetto:


                                                    Clicca sull'immagine per ingrandirla. 

Nome:   Colibrì ME Membrana2.gif 
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ID: 1935303

                                                    Come si vede, il pistone è stato sostituito da una membrana mobile.
                                                    Di questo è possibile anche la versione doppio effetto.

                                                    Ripeto, tutte queste versioni hanno in comune il ciclo termodinamico sopra illustrato.

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                                                    • #27
                                                      "Di questo è possibile anche la versione doppio effetto."
                                                      E mando allora l'animazione della versione doppio effetto.

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Nome:   Colibrì DE Membrana.gif 
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ID: 1935330


                                                      Fa colpo, ma è una configurazione di realizzabilità perlomeno dubbia, sia per le grandi dimensioni rispetto alla potenza, sia per la necessità di trovare una membrana idonea che resista al calore e che si deformi con regolarità.
                                                      Di certo le tenute tra le due camere della membrana sono perfette, ma in un doppio effetto questa esigenza è molto meno sentita...

                                                      Il funzionamento deve essere orizzontale, per raccogliere ed eliminare le eventuali condense, croce di tutti i motori a cambiamento di fase...

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                                                      • #28
                                                        Il ciclo di questi motori volumetrici adiabatici potrebbe essere rappresentato utilmente dal movimento dell'estremità distale di una loro eventuale manovella.
                                                        Questo ne facilita la comprensione dinamica.

                                                        Clicca sull'immagine per ingrandirla. 

Nome:   CicloColibrì.PNG 
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ID: 1935386

                                                        Il motore va immaginato come posizionato sopra il grafico, che in questo caso mostra 48 posizioni della manovella.
                                                        Il punto morto superiore (PMS) è alla sommità del cerchio e ovviamente all'opposta estremità c'è il punto morto inferiore (PMI).
                                                        La fase dinamicamente utile, indicata con le palline rosse (espansione adiabatica), deve essere in grado di erogare lavoro utile anche per superare le altre fasi.

                                                        A titolo di confronto mando il grafico che rappresenta il ciclo classico del motore a vapore, con valvole indipendenti, sfasate e comandate.

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Nome:   Ciclo Vapore.PNG 
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ID: 1935387

                                                        Si intuisce subito che questo secondo ciclo è più "potente", dato che la fase attiva occupa tutta l'andata, mentre la fase negativa di ritorno avviene con scarico a costo quasi nullo.
                                                        Il rendimento invece è praticamente lo stesso, dato che dipende essenzialmente dall'efficienza dell'espansione adiabatica.
                                                        A fronte pero del vantaggio della maggiore potenza, dobbiamo metter in conto la complicazione della costruzione delle doppie valvole e della loro movimentazione meccanica distinta, con lievitazione dei costi che possono superare di 5-10 volte il costo dei molto più semplici espansori volumetrici solo adiabatici, tipo Colibrì. Ma è un discorso già fatto.

                                                        Sono comunque state ideate versioni di Colibrì che hanno un ciclo che si avvicina moltissimo a quello del motore classico a vapore, e saranno oggetto di post prossimi...

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                                                        • #29
                                                          E postiamo l'immagine animata di un'interessante innovazione applicata all'espansore volumetrico adiabatico.

                                                          Clicca sull'immagine per ingrandirla. 

Nome:   ColibrìMolle DE VM1.gif 
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ID: 1935407

                                                          Come si vede, si tratta di una valvola mobile a cassetto, che ritarda l'apertura e la chiusura sia dell'ingresso in pressione (vapore o aria compressa) sia di quello dello scarico.

                                                          La valvola lavora in modo consono alle pressioni della camera di espansione, quindi si movimenta da sola.
                                                          Le due molle dovrebbero essere uguali tra loro e dovrebbero sviluppare una forza intermedia a quelle che risultano dalla pressione minima e dalla pressione massima, cosa non difficile da calcolare e da fare anche a livello hobbystico.

                                                          In pratica il meccanismo non funziona se la Pmin è superiore ad un minimo e la Pmax è inferiore ad un massimo stabilito.

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                                                          • #30
                                                            In un doppio effetto non servono neanche le molle e le valvole si movimentano da sole.

                                                            Clicca sull'immagine per ingrandirla. 

Nome:   Colibrì DE NoUF VMSincr.gif 
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ID: 1935457

                                                            Ovvio che le due valvole a cassetto sono collegate tra loro da uno stelo passante e agiscono in modo sincronizzato...

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