Motore a pannello solare termico .

[mgc]

Vacuum Vapor Power Plant (1932)

[Stranamore]

@Yuz Mi sono alambiccato (ogni riferimento al post precedente è assolutamente voluto) il cervello molte volte per effettuare questo calcolo. E facile calcolare la prevalenza, ma non la velocità del fluido circolante. Per questa servirebbero i dati della perdita di carico di tutto il circuito, compreso la resistenza della turbina di estrazione di potenza. Ma con i calcoli vai forte, lo hai dimostrato spesso. Aspetto con fiducia il proseguio.

[Mr.Hyde]

Se a qualcuno interessa posso tentare di azzardarne il dimensionamento.

se lo dimensioni io potrei costruirne un modellino dimostrativo al massimo di 1,30 m. tutto in vetro ( giusto per vedere se funziona ). chiaramente non ho la turbina ma ho dei rilevatori di flusso a turbinetta .

di scambiatori ne ho un centinaio ecco alcuni modelli



il collegamento tra uno scambiatore e l'altro potrei farlo con questi tubi in vetro



come polmoncino di espansione potrei usare o quella storta , oppure dei palloni in vetro ..

il vapore per riscaldare lo scambiatore basso non è un problema !

fattibile

Francy

[Yuz]

Ora si passa al calcolo del delta pressorio.
Nel precedente commento è stato stabilito il valore medio per il fluido presente nelle due colonne.

Densità colonna “fredda” = 1kg/dm³ = 1000kg/m³
Densità colonna “calda” = 0,5kg/dm³ = 500kg/m³

Ipotizzando di interrompere il passaggio del fluido nell’angolo in basso a destra del circuito mostrato in precedenza, la differenza di pressione a monte e a valle dell’interruzione è data dalla formula che segue

DeltaPressorio = (Densità colonna “fredda” - Densità colonna “calda”) · Accelerazione di gravità · Altezza delle colonne

Esprimendo la densità in kg/m³, l’accelerazione di gravità in m/s² (il suo valore è pari a 9,81 m/s²) e l’altezza in metri il valore della pressione risulta espresso in N/m² = Pascal (e per avere un bar servono 100000Pascal).
Nell’ipotesi che l’impianto abbia delle colonne alte 10 metri, si ottiene

DeltaPressorio = (1000kg/m³-500kg/m³) · 9,81m/s² · 10m = 49050Pa = 0,49bar

Questo tipo di valutazione è come l’analogo elettrico della misura del potenziale a circuito aperto. Quando può avvenire la circolazione del fluido (come della corrente) la differenza pressoria (il potenziale elettrico) diminuisce per la presenza delle perdite di carico (idem per il caso elettrico).

[Yuz]

La relazione che lega la portata di un liquido alla potenza meccanica e al DeltaPressorio è la seguente:

Portata = Potenza meccanica / DeltaPressorio

Esprimendo la potenza in Watt e il DeltaPressorio in Pascal, la portata risulta espressa in m³/secondo.
In base al valore di DeltaPressorio già stimato (49050Pa = 0,49bar con colonne alte 10 metri), per avere 100W di potenza meccanica teorica serve una portata pari a

Portata = Potenza meccanica / Differenza di pressione = 100W/49050Pa = 0,002m³/s = 2dm³/s

Poiché il convertitore (turbina) ha un’efficienza che sarà sempre minore di 1 (cioè minore del 100%) la portata necessaria sarà maggiore e può essere calcolata con la seguente relazione

Portata corretta = Portata / Efficienza del convertitore

Nell’ipotesi che l’efficienza del convertitore sia pari a 0,5 (50%), la portata richiesta raddoppierà

Portata corretta = Portata / Efficienza del convertitore = ( 2dm³/s ) / 0,5 = 4dm³/s

I calcoli proposti in questo commento hanno portato a stabilire che con un delta pressorio di 0,49bar per sviluppare 100W elettrici in presenza di un convertitore con il 50% di efficienza è necessaria una portata di circa 4 litri al secondo.

[Al Mizar]

Bel lavoro Yuz,
chiaro e passo-passo.

Fin qui sembra un sistema promettente ... adesso c'è da stabilire la temperatura delle sorgenti calda e fredda, la quantità di calore scambiato, e da farsi un' idea degli scambiatori di calore; mi sa che saranno belli grandi.


AM

[Yuz]

Di seguito viene proposta una stima grossolana dell’efficienza termica del sistema.

Per innalzare la temperatura dell’acqua liquida di 1°C servono circa 1Cal/g cioè circa 4J/g.
Per provocare l’innalzamento di 1°C su una portata di 4 litri/s ovvero 4000g/s il fabbisogno termico è dato dalla seguente equazione

Fabbisogno termico = 4J/g * 4000g/s = 16000J/s = 16000W

Nell’ottimistica e assolutamente infondata ipotesi che sia sufficiente un solo grado centigrado di salto termico l’efficienza risulta pari a

Efficienza = Potenza in uscita / Fabbisogno termico = 100W/16000W = 0,00625 (= 0,625%)

[Mr.Hyde]

Ciao Yuz ....

Per innalzare la temperatura dell’acqua liquida di 1°C servono circa 1Cal/g

Yuz è un'errore voluto? è per vedere se siamo attenti ? ...

Cal = 1000 cal ...

Cal = grande caloria o Kcal
cal = piccola caloria

Francy

[Yuz]

@Mr.Hyde
Grazie per la correzione. Non avevo mai notato che questa distinzione fra le unità di misura delle calorie. Farò più attenzione in futuro.
In ogni caso ho indicato anche l’unità di misura in J e quindi spero che non ci siano dubbi sul fatto che mi stavo riferendo alla piccola caloria.

[Mr.Hyde]

Figurati Yuz ...

In ogni caso ho indicato anche l’unità di misura in J e quindi spero che non ci siano dubbi sul fatto che mi stavo riferendo alla piccola caloria.

sisi era chiarissimo ,e non avevo dubbi sul fatto che fosse solo un'errore di battitura .

il simbolo Cal si usa spesso per cibi e bevande ... di fatti molti consumatori spesso la interpretano con cal
non so' se sia utilizzato proprio per confondere il consumatore e fargli credere che ci siano poche calorie nel prodotto ...non potrebbero scrivere Kcal ?anche se poi in etichetta c'è l' equivalenza con KJ .. il consumatore medio non ha molta dimestichezza con i Joule

insomma cercano sempre di fregarci ...grrr

scusate l'OT

Francy

[rampa]

In pratica per avere 100W è necessario produrre 4 litri di vapore al secondo con DeltaP di 0,5 Atm.

[Yuz]

In realtà non è così banale stabilire quanto vapore si forma perché il vapore continua a formarsi e espandersi per tutto il percorso di risalita lungo la colonna calda (perché la pressione è massima nella parte inferiore e minima in quella superiore).

Assumendo che la densità del vapore sia trascurabile rispetto a quella del liquido, per dimezzare la densità nella colonna calda (vedere ipotesi iniziale) significa che la metà del volume all’interno della colonna calda è occupato da vapore.

Dopo la risalita questo vapore poi verrà condensato nella parte fredda e la massa di liquido derivante dalla condensazione sarà verosimilmente trascurabile rispetto ai 4 litri al secondo di liquido che poi passano attraverso il convertitore.

Aggiungo che non è detto che sia necessario un apporto supplementare di calore per il processo di vaporizzazione e che per questo tipo di impianto il grosso del fabbisogno termico deriva dal riscaldamento del liquido.

[mgc]

Penso che il surriscaldamento del vapore sia necessaria, forse non solo uno.

[rampa]

L'ebollizione nel tubo caldo deve essere piuttosto "tumultuosa", tale da impedire che si separi per gravità il vapore dal liquido.
In pratica il liquido deve salire assieme al vapore a velocità di 4 L/s.
Quindi il diametro del tubo caldo deve essere dimensionato secondo il flusso previsto.
Se questo non si verifica la macchina praticamente si ferma, perché il flusso attraverso la turbina sarebbe dato solo dalla minima quantità di acqua che si evapora e che si ricondensa.

Il dimensionamento del tubo caldo va rapportato anche ad un' eventuale variazione della tensione superficiale, che favorirebbe la persistenza delle bolle di vapore, con un fenomeno paragonabile a quello che si verifica nell'ebollizione del latte.

Ricordo che variazioni significative del peso specifico dell'acqua per effetto del riscaldamento, avvengono solo in prossimità della temperatura critica.

Ovviamente il tubo freddo non ha di questi problemi.

La macchina risulta, se non ho preso un abbaglio, più interessante di quello che sembra a prima vista, perché lavora a DeltaT veramente bassi.

@mcg
Non esiste surriscaldamento del vapore in presenza di acqua.

[Yuz]

Altro spunto di riflessione.
Nel caso in cui il convertitore offra talmente tanta resistenza da impedire il passaggio del liquido, cosa impossibile nel caso di turbine e analoghi ma assolutamente normale per un dispositivo volumetrico, il sistema continua ad assorbire calore, ma il lavoro utile è nullo.
Il rendimento, già piuttosto scarso, scende ancora.

[Al Mizar]

Se per avere nella colonna calda densità media 0,5 la metà del volume deve essere occupata da vapore, bisogna produrre 2 litri al secondo di vapore a 1 bar, quanto peserà quel vapore, due grammi?
Anzi, meno di 2L/s, perché il vapore risalendo nella colonna si espande -e un po' condensa.

Una volta riscaldato il sistema vicino alla temp di evaporazione -diciamo a 99,5 °C- dovrebbe bastare poco per iniettare 2g/s di vapore a 100,5 °C e ricondensarli a 99,5 °C; credo che converrebbe separare il vapore e condensarlo piuttosto che scaldare e raffreddare tutto il fluido.




Yuz tu così definisci l' efficienza:
"... Efficienza = Potenza in uscita / Fabbisogno termico ..."; secondo Wikipedia però "... rendimento termodinamico o efficienza termodinamica è il rapporto tra il lavoro meccanico compiuto e l'energia fornita al sistema ...

... ", quindi forse sono cose diverse?


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[experimentator]

Secondo me l'efficienza di questo sistema potrebbe essere maggiore di quello che sembra.
Infatti non si deve basare solo sulla differenza di densità tra le due colonne di fluido, ma anche dal lavoro compiuto dalle bolle di gas che salgono dalla prima colonna . Infatti si potrebbe piazzare una turbina da questo lato della colonna e farla ruotare grazie al flusso di bolle di gas che si sviluppano. La spinta che si ottiene dovrebbe essere paragonabile alla spinta di Archimede cioè al peso del liquido spostato dal gas.
In questo caso quindi la turbina non girerebbe grazie alla differenza di densità dei due liquidi delle due colonne, ma grazie alla risalita delle bolle di liquido evaporato .
E' lo stesso meccanismo che ho descritto nel " cilindro termico rotante" di mia invenzione e che è stato criticato da qualcuno poiché non è stato capito.

[Yuz]

Yuz tu così definisci l' efficienza:
"... Efficienza = Potenza in uscita / Fabbisogno termico ..."; secondo Wikipedia però "... rendimento termodinamico o efficienza termodinamica è il rapporto tra il lavoro meccanico compiuto e l'energia fornita al sistema ...

... ", quindi forse sono cose diverse?

La definizione è diversa, ma i risultati sono coincidenti.
L’equivalenza fra le formule si dimostra dividendo entrambi i termini per il tempo (tempo in cui ha funzionato l’impianto per produrre quel lavoro assorbendo quell’energia termica) perché in questo modo si ottiene il rapporto fra le potenze che ho usato io.
L'equazione del rendimento che riporti è quella di Carnot, che stabilisce il massimo teorico per qualunque macchina termica.

[mgc]

Yuz, ciao. Pensavo parlassi del tipo Stanley oppure Ofeldt, dove avviene la separazione acqua/vapore in risalita e si può surriscaldare come fa Thornycroft.

[Yuz]

Di seguito una descrizione dei fenomeni fisici coinvolti.
Ipotizziamo che l’impianto lavori fra i 100°C e i 101°C.
Poiché a 100°C la tensione di vapore dell’acqua è pari a 1,01325bar (=1atm) nella parte alta dell’impianto la pressione dovrà essere almeno pari a questo valore altrimenti la fase liquida non potrà esistere.
All’avvio dell’impianto la colonna calda sarà piena di liquido perciò il valore della pressione alla base della colonna sarà a pari a

Pressione alla base = Pressione alla testa + Contributo idrostatico = 1,01325bar + 0,98bar = 1,99325bar

Il riscaldamento nella parte inferiore porta la temperatura da 100°C a 101°C e a 101°C la tensione di vapore dell’acqua è pari a 1,0509bar (<1,99325bar) e quindi non è sufficiente per innescare il processo di ebollizione.
Solo quando l’acqua liquida a 101°C giungerà nella parte alta della colonna dove la pressione è più bassa inizierà a vaporizzare.
La comparsa di vapore provoca un abbassamento della densità media all’interno della colonna calda e quindi l’inizio del processo di vaporizzazione si sposta verso il basso.
Difficile prevedere dove possa arrivare in condizioni di regime e non è detto che possa portarsi perfino alla base della colonna.

@mgc
Ho scelto di parlare del più semplice sistema che usa l’acqua come fluido di lavoro.
Le soluzione miste con separazione del vapore complicano il problema dal punto di vista teorico e il risultato finale non differisce in modo sostanziale.

[rampa]

@Zagami

Questa macchina termica ed altre come le varie ruote o cilindri rotanti, possono essere definite come macchine termiche non convenzionali.

La differenza sostanziale tra questa e le altre non convenzionali, è il fatto incontestabile che in questa la sorgente termica calda e quella fredda restano sempre fisse: il tubo caldo resta sempre caldo e il tubo freddo resta sempre freddo. Nella altre configurazioni questo non avviene, provocando uno spreco calorico enorme.

E' questo che rende l'aggeggio molto più interessante anche praticamente oltre che teoricamente.

[rampa]

...
Solo quando l’acqua liquida a 101°C giungerà nella parte alta della colonna dove la pressione è più bassa inizierà a vaporizzare.
La comparsa di vapore provoca un abbassamento della densità media all’interno della colonna calda e quindi l’inizio del processo di vaporizzazione si sposta verso il basso.
Difficile prevedere dove possa arrivare in condizioni di regime e non è detto che possa portarsi perfino alla base della colonna.
...

...Effetto geyser !

[Yuz]

Per farsi un’idea delle possibili perdite di carico lungo la tubazione propongo la tabella al link che segue

Tabella perdita di carico - Tubi Acciaio saldati

Nel nostro caso bisogna riferirsi alla riga in cui Q=4.

[rampa]

Il diametro va dimensionato solo nella parte calda, ma va tenuto conto che in questo tratto c'è miscela di acqua e vapore, con perdite di carico per lo meno ridotte ad 1/4 del teorico.

[mgc]

Yuz, ciao. Come sai di formule ne capisco poco e mi baso su concetti.
Se riscaldi e raffreddi nei punti indicati non si ottiene lavoro nel motore. Da una parte aumenti la pressione con il calore, dall'altra diminuisci la pressione con il raffreddamento e le due colonne tenderanno a compensare. Se qualche lavoro si ottiene con alcuni stratagemmi, la sua quantità è effimera.
Per stratagemma intendo anche la modifica del liquido, non parlo di trucchi.
Per me l'unica possibilità di lavoro utile è tra riscaldamento e raffreddamento e non nego che tale lavoro non possa migliorare l'efficienza dell'altra colonna.

[Yuz]

@rampa
Per quale ragione il diametro va dimensionato solo nella parte calda?

con perdite di carico per lo meno ridotte ad 1/4 del teorico.

Per fare passare 4 litri al secondo di acqua liquida attraverso il convertitore, la miscela acqua vapore che deve circolare nella parte calda è formata mediamente da 4 litri al secondo di acqua e 4 litri al secondo di vapore (queste proporzioni servono per fare dimezzare la densità nella colonna calda).
Alla luce di questa considerazione non farei troppo affidamento sulla previsione di una riduzione delle perdite di carico a ¼ del teorico.

@mgc
Questi dispositivi non sfruttano direttamente la differenza di pressione del vapore come altri dispositivi, ma la differenza di pressione generata dall'azione della forza di gravità sul fluido a diversa densità (differenti pressioni idrostatiche).
E’ per questo motivo che mi piace chiamarli mulini termici.

[mgc]

Yuz, ciao. Sono un poco lento a capire e a volte mi sfuggono i significati delle parole.
Abbiamo, quindi, un mulino idraulico-termico che sfrutta la forza g per il lavoro e dall'altra un ascensore gravitazionale. Per chi tendesse a capire antigravità, dovrebbe tenere in considerazione il principio di equivalenza di Einstein

[Yuz]

Questo video mostra lo stesso fenomeno ottenuto con delle bolle d'aria. Spero che aiuti a chiarire il fenomeno di cui si sta parlando.

[rampa]

@rampa
Per quale ragione il diametro va dimensionato solo nella parte calda?
...

Se il tubo caldo è troppo largo, il vapore gorgoglia salendo da solo senza portarsi dietro l'acqua calda.
E questo ovviamente non va bene...

[Yuz]

Non sono le bolle di vapore che si portano dietro l’acqua nella colonna calda, ma è la colonna di liquido dalla parte fredda che spinge l’acqua a risalire per la colonna calda per riequilibrare la pressione in una specie di sistema a vasi comunicanti.