Dopo un complesso studio, ho elaborato a livello teorico, i calcoli termodinamici per poter dimostrare la possibilità di funzionamento del motore che ho ideato tempo fa, vedi la discussione
http://www.energeticambiente.it/moto...tipo-alfa.html
Allego l'immagine del diagramma P-V che ho sviluppato dalla tabella di calcolo con volumi, temperature e pressioni e che ho costruito per capire il funzionamento di questo motore esotermico.
allego anche la tabella excel: Calcoli Motore doppio.xls
Premetto che i valori di temperatura che ho messo sono inventati, secondo una mia valutazione assolutamente personale. Ritengo però che nella cuspide della temperatura massima i valori si avvicinano abbastanza ad una condizione reale, idem nel tratto appiattito in prossimità della temperatura minima.
Io stesso quando ho costruito il diagramma delle temperature non sono rimasto soddifatto.
Adesso vi vorrei spiegare come sono arrivato a questa creazione.
Il motore Stirling soprattutto il tipo alfa, secondo me ha due grossi problemi costruttivi: la necessità di un efficiente sistema di scambio del calore che non crei volumi morti (spazio morto) ed il pistone caldo che deve sempre lavorare alla massima temperatura di funzionamento del motore. Il problema del pistone caldo nell'alfa è anche un forte limite per la massima temperatura di lavoro del ciclo termodinamico.
Un pistone deve garantire un'ottima tenuta (con guarnizioni oppure con gioco tra pistone e cilindro ridottissimo), quindi necessita di lubrificazione (autolubrificante o con olio lubrificante) e l'alta temperatura è il maggiore nemico di quasi tutti i materiali lubrificanti.
Io mi sono chiesto come si può fare un pistone che faccia tenuta, che non abbia guarnizioni e che non abbia nessuna necessità di lubrificazione?
Il pistone che ho ideato funziona così: non è collegato a nessun meccanismo (tipo free piston) ha due posizioni estreme di fermo, dove garantisce un'ottima tenuta e quando si muove, spinto dai gas tra le due posizioni estreme, la differenza di pressione che deve contenere è ridottissima (si muoverebbe come una biglia nella canna di una cerbottana).
Il pistone in pratica sarebbe una sfera in acciaio inox (leghe in inox possono lavorare fino a 1100°C) e come dicevo non è necessario avere un ridottissimo gioco tra la sfera e la canna calda (anche la canna sarebbe in lega inox) così si eviterebbe il rischio che la sfera si incastri nella canna, come si vede nelle immagini seguenti
Soprattutto potrebbero lavorare molte canne calde in parallelo così ogni canna sarebbe di diametro ridotto (es. 8 mm), le sfere peserebbero molto meno di un'unica sfera più grande in una canna di sezione equivalente, e molte canne garantiscono un'ottima trasmissione del calore a parità di volume.
Seguono altre spiegazioni ..............
Avendo stravolto il funzionamento del pistone caldo, il ciclo termodinamico che risulta è molto inferiore, penso che forse arriverà al 50% del rendimento del ciclo di Carnot, infatti la forma del diagramma P-V è a farfalla (potremmo chiamarlo ciclo termodinamico a farfalla) questo perchè il ciclo dipende completamente dal progetto costruttivo.
Le seguenti immagini rappresentano lo schema generale del motore doppio nelle posizioni di:
1) motore 1 (tratteggio rosso) con pistone freddo al punto massimo superiore e motore 2 (tratteggio verde) con pistone freddo al punto massimo inferiore (inseriti nei cilindri raffreddati colorati in azzurro).
2) motore con pistone caldo (sfere Blu) al punto di distacco in basso quando la pressione del motore 1 eguaglia la pressione del motore 2.
3) motore con pistone caldo (sfere Blu) a metà strada spinto dalla leggera differenza di pressione tra i gas del motore 1 e del motore 2.
4) motore con pistone caldo (sfere Blu) al punto di fermo in alto quando la pressione del motore 1 inizia a superare la pressione del motore 2.
5) motore 1 (tratteggio rosso) con pistone freddo al punto massimo inferiore e motore 2 (tratteggio verde) con pistone freddo al punto massimo superiore.
Seguono altre spiegazioni ........
Per capire il funzionamento del motore doppio ho fatto un diagramma del moto per il tempo di due giri di motore che vedete di seguito:
La sinusoide rossa rappresenta il moto del pistone freddo del motore 1.
La sinusoide verde rappresenta il moto del pistone freddo del motore 2.
Le due curve non sono effettivamente delle sinusoidi ma sono il moto REALE dei due pistoni nel movimento biella manovella del motore.
La linea spezzata Blu rappresenta il movimento del pistone caldo (cioè le sfere), le parti orizzontali della linea rappresentano la posizione REALE, il movimento delle sfere tra i due punti fermi è APPROSSIMATO (valutato ad occhio per punto di partenza e tempo di movimento).
L'area tratteggiata in rosso rappresenta le variazioni di volume del motore 1.
L'area tratteggiata in verde rappresenta le variazioni di volume del motore 2.
Seguono altre spiegazioni ...............
Se avete visto lo schema del motore la prima cosa che vi domanderete è “ma come può muoversi?
Una cosa importante, la sezione e la corsa dei due pistoni freddi è uguale, e i due pistoni freddi sono rigidamente collegati.
Partiamo dalla posizione 1) a 0 gradi di rotazione.
Il motore è spento e pressurizzato a 5 Bar, blocchiamo con la mano l'albero motore e accendiamo la fiamma che riscalda le canne calde, quasi tutto il gas del motore 1 è nelle canne che si stanno riscaldando, quando aumenta la pressione le sfere nella posizione bassa sono premute dalla pressione contro la sede del fermo che è conica, e se la lavorazione è esatta, è a tenuta (in pratica è come una valvola di non ritorno e la sfera è il tappo). Nel motore 2 la pressione non varia perchè il gas è nel cilindro freddo.
Quando il gas nel motore 1 raggiunge la temperatura di 1265 K la pressione arriva a 21 Bar, mentre nel motore 2 la pressione è rimasta a 5 Bar (alla temperatura di 300 K). Il pistone freddo del motore 1 è spinto con una forza corrispondente a 21 Bar, mentre il pistone freddo del motore 2 è spinto con una forza corrispondente a 5 Bar.
I due pistoni sono rigidamente collegati, ma per la differenza di pressione tra il motore 1 e il motore 2, si ha una forza corrispondente a 16 Bar (21–5=16 Bar) sulla biella del motore; se liberate l'albero motore dandogli una leggera spinta, questa forza farà partire il motore.
La coppia di pistoni freddi si sposta verso l'alto, il gas nel motore 1 si espande e viene raffreddato una volta che entra nel cilindro freddo e così diminuisce la pressione. Il gas nel motore 2 viene compresso e quindi aumenta la pressione, finchè le due pressioni si equivalgono.
Io ho valutato APPROSSIMATIVAMENTE che le due pressioni raggiungono il punto di equilibrio nella posizione 2) a 85 gradi di rotazione e ho valutato che i gas in equilibrio ad una pressione costante spostano le sfere per un tempo corrispondente ad una rotazione di 60 gradi, nella posizione 4) (ho tenuto conto di una differenza di pressione di 0,3 Bar sufficiente a vincere la resistenza al moto delle sfere per attrito nei condotti). In realtà non è sicuro che la pressione rimarrebbe costante, ma sono sicuro che comunque le pressioni nei motori 1 e 2 si equivalgono. Durante questo periodo il motore gira per inerzia e deve solo vincere gli attriti interni.
In questo periodo i gas nel motore 1 si spostano verso il cilindro freddo venendo sempre più rapidamnete raffreddati e diminuendo di volume, mentre i gas nel motore 2 si spostano nelle canne calde riscaldandosi rapidamente e aumentando di volume.
Dopo la posizione 4) a 145 gradi di rotazione, le sfere si sono fermate in alto e la pressione che aumenta nel motore 2 le spinge contro la sede conica in alto, dove fanno da tappo.
Nel motore 1 i gas sono entrati nel cilindro freddo dove vengono completamente raffreddati fino a 350 K (la temperatura minima del motore a regime la ho valutata di 50° maggiore della temperatura ambiente di 300 K), mentre nel motore 2 i gas vengono spinti nelle canne calde e riscaldati fino alla temperatura di 1265 K.
Nella posizione 5) a 180 gradi di rotazione i gas del motore 1 sono quasi completamnete raffreddati, mentre i gas del motore 2 sono sono quasi completamente riscaldati.
Le fasi sucessive sono una ripetizione di quanto ho già descritto.
Per tenere conto dell'inerzia termica nell'impostare le temperature ho calcolato uno spostamento in avanti di circa 10 gradi di rotazione, così la temperatura massima nel motore 1 è raggiunta a 10 gradi e nel motore 2 a 190 gradi di rotazione.
Mentre la temperatura minima nel motore 1 è quasi raggiunta a 190 gradi e nel motore due a 10 gradi di rotazione.
Ho costruito un diagramma temperature per il tempo di due giri del motore che vedete di seguito:
Come si vede nell'immagine, la temperatura massima ha una curva a cupola, perchè i gas sono concentrati nelle canne calde solo in prossimità del punto massimo superiore del pistone, mentre la temperatura minima ha una curva molto larga e appiattita, perchè i gas sono concentrati nel cilindro freddo in tutto il tratto orizzontale dove le sfere sono bloccate nella posizione che chiude le canne calde.
Di seguito l'immagine del diagramma delle pressioni:
Per fare un esperimento nei tratti che ho evidenziato che corrispondono ai periodi di spostamento delle sfere, il primo periodo l'ho costruito con un tempo di 60 gradi di rotazione, mentre il periodo successivo l'ho costruito con un tempo di 50 gradi di rotazione.
Si nota che le curve di temperatura per il periodo più breve sono più prossime all'angolazione per avere un gradiente di temperatura costante che credo sia più vicino alla realtà.
La spiegazione è stata lunga ma ne è valsa la pena, un'idea così complicata e un ciclo termodinamico così pazzesco meritavano di essere esposti.
Ciao SE-POL.
http://www.energeticambiente.it/moto...tipo-alfa.html
Allego l'immagine del diagramma P-V che ho sviluppato dalla tabella di calcolo con volumi, temperature e pressioni e che ho costruito per capire il funzionamento di questo motore esotermico.
allego anche la tabella excel: Calcoli Motore doppio.xls
Premetto che i valori di temperatura che ho messo sono inventati, secondo una mia valutazione assolutamente personale. Ritengo però che nella cuspide della temperatura massima i valori si avvicinano abbastanza ad una condizione reale, idem nel tratto appiattito in prossimità della temperatura minima.
Io stesso quando ho costruito il diagramma delle temperature non sono rimasto soddifatto.
Adesso vi vorrei spiegare come sono arrivato a questa creazione.
Il motore Stirling soprattutto il tipo alfa, secondo me ha due grossi problemi costruttivi: la necessità di un efficiente sistema di scambio del calore che non crei volumi morti (spazio morto) ed il pistone caldo che deve sempre lavorare alla massima temperatura di funzionamento del motore. Il problema del pistone caldo nell'alfa è anche un forte limite per la massima temperatura di lavoro del ciclo termodinamico.
Un pistone deve garantire un'ottima tenuta (con guarnizioni oppure con gioco tra pistone e cilindro ridottissimo), quindi necessita di lubrificazione (autolubrificante o con olio lubrificante) e l'alta temperatura è il maggiore nemico di quasi tutti i materiali lubrificanti.
Io mi sono chiesto come si può fare un pistone che faccia tenuta, che non abbia guarnizioni e che non abbia nessuna necessità di lubrificazione?
Il pistone che ho ideato funziona così: non è collegato a nessun meccanismo (tipo free piston) ha due posizioni estreme di fermo, dove garantisce un'ottima tenuta e quando si muove, spinto dai gas tra le due posizioni estreme, la differenza di pressione che deve contenere è ridottissima (si muoverebbe come una biglia nella canna di una cerbottana).
Il pistone in pratica sarebbe una sfera in acciaio inox (leghe in inox possono lavorare fino a 1100°C) e come dicevo non è necessario avere un ridottissimo gioco tra la sfera e la canna calda (anche la canna sarebbe in lega inox) così si eviterebbe il rischio che la sfera si incastri nella canna, come si vede nelle immagini seguenti
Soprattutto potrebbero lavorare molte canne calde in parallelo così ogni canna sarebbe di diametro ridotto (es. 8 mm), le sfere peserebbero molto meno di un'unica sfera più grande in una canna di sezione equivalente, e molte canne garantiscono un'ottima trasmissione del calore a parità di volume.
Seguono altre spiegazioni ..............
Avendo stravolto il funzionamento del pistone caldo, il ciclo termodinamico che risulta è molto inferiore, penso che forse arriverà al 50% del rendimento del ciclo di Carnot, infatti la forma del diagramma P-V è a farfalla (potremmo chiamarlo ciclo termodinamico a farfalla) questo perchè il ciclo dipende completamente dal progetto costruttivo.
Le seguenti immagini rappresentano lo schema generale del motore doppio nelle posizioni di:
1) motore 1 (tratteggio rosso) con pistone freddo al punto massimo superiore e motore 2 (tratteggio verde) con pistone freddo al punto massimo inferiore (inseriti nei cilindri raffreddati colorati in azzurro).
2) motore con pistone caldo (sfere Blu) al punto di distacco in basso quando la pressione del motore 1 eguaglia la pressione del motore 2.
3) motore con pistone caldo (sfere Blu) a metà strada spinto dalla leggera differenza di pressione tra i gas del motore 1 e del motore 2.
4) motore con pistone caldo (sfere Blu) al punto di fermo in alto quando la pressione del motore 1 inizia a superare la pressione del motore 2.
5) motore 1 (tratteggio rosso) con pistone freddo al punto massimo inferiore e motore 2 (tratteggio verde) con pistone freddo al punto massimo superiore.
Seguono altre spiegazioni ........
Per capire il funzionamento del motore doppio ho fatto un diagramma del moto per il tempo di due giri di motore che vedete di seguito:
La sinusoide rossa rappresenta il moto del pistone freddo del motore 1.
La sinusoide verde rappresenta il moto del pistone freddo del motore 2.
Le due curve non sono effettivamente delle sinusoidi ma sono il moto REALE dei due pistoni nel movimento biella manovella del motore.
La linea spezzata Blu rappresenta il movimento del pistone caldo (cioè le sfere), le parti orizzontali della linea rappresentano la posizione REALE, il movimento delle sfere tra i due punti fermi è APPROSSIMATO (valutato ad occhio per punto di partenza e tempo di movimento).
L'area tratteggiata in rosso rappresenta le variazioni di volume del motore 1.
L'area tratteggiata in verde rappresenta le variazioni di volume del motore 2.
Seguono altre spiegazioni ...............
Se avete visto lo schema del motore la prima cosa che vi domanderete è “ma come può muoversi?
Una cosa importante, la sezione e la corsa dei due pistoni freddi è uguale, e i due pistoni freddi sono rigidamente collegati.
Partiamo dalla posizione 1) a 0 gradi di rotazione.
Il motore è spento e pressurizzato a 5 Bar, blocchiamo con la mano l'albero motore e accendiamo la fiamma che riscalda le canne calde, quasi tutto il gas del motore 1 è nelle canne che si stanno riscaldando, quando aumenta la pressione le sfere nella posizione bassa sono premute dalla pressione contro la sede del fermo che è conica, e se la lavorazione è esatta, è a tenuta (in pratica è come una valvola di non ritorno e la sfera è il tappo). Nel motore 2 la pressione non varia perchè il gas è nel cilindro freddo.
Quando il gas nel motore 1 raggiunge la temperatura di 1265 K la pressione arriva a 21 Bar, mentre nel motore 2 la pressione è rimasta a 5 Bar (alla temperatura di 300 K). Il pistone freddo del motore 1 è spinto con una forza corrispondente a 21 Bar, mentre il pistone freddo del motore 2 è spinto con una forza corrispondente a 5 Bar.
I due pistoni sono rigidamente collegati, ma per la differenza di pressione tra il motore 1 e il motore 2, si ha una forza corrispondente a 16 Bar (21–5=16 Bar) sulla biella del motore; se liberate l'albero motore dandogli una leggera spinta, questa forza farà partire il motore.
La coppia di pistoni freddi si sposta verso l'alto, il gas nel motore 1 si espande e viene raffreddato una volta che entra nel cilindro freddo e così diminuisce la pressione. Il gas nel motore 2 viene compresso e quindi aumenta la pressione, finchè le due pressioni si equivalgono.
Io ho valutato APPROSSIMATIVAMENTE che le due pressioni raggiungono il punto di equilibrio nella posizione 2) a 85 gradi di rotazione e ho valutato che i gas in equilibrio ad una pressione costante spostano le sfere per un tempo corrispondente ad una rotazione di 60 gradi, nella posizione 4) (ho tenuto conto di una differenza di pressione di 0,3 Bar sufficiente a vincere la resistenza al moto delle sfere per attrito nei condotti). In realtà non è sicuro che la pressione rimarrebbe costante, ma sono sicuro che comunque le pressioni nei motori 1 e 2 si equivalgono. Durante questo periodo il motore gira per inerzia e deve solo vincere gli attriti interni.
In questo periodo i gas nel motore 1 si spostano verso il cilindro freddo venendo sempre più rapidamnete raffreddati e diminuendo di volume, mentre i gas nel motore 2 si spostano nelle canne calde riscaldandosi rapidamente e aumentando di volume.
Dopo la posizione 4) a 145 gradi di rotazione, le sfere si sono fermate in alto e la pressione che aumenta nel motore 2 le spinge contro la sede conica in alto, dove fanno da tappo.
Nel motore 1 i gas sono entrati nel cilindro freddo dove vengono completamente raffreddati fino a 350 K (la temperatura minima del motore a regime la ho valutata di 50° maggiore della temperatura ambiente di 300 K), mentre nel motore 2 i gas vengono spinti nelle canne calde e riscaldati fino alla temperatura di 1265 K.
Nella posizione 5) a 180 gradi di rotazione i gas del motore 1 sono quasi completamnete raffreddati, mentre i gas del motore 2 sono sono quasi completamente riscaldati.
Le fasi sucessive sono una ripetizione di quanto ho già descritto.
Per tenere conto dell'inerzia termica nell'impostare le temperature ho calcolato uno spostamento in avanti di circa 10 gradi di rotazione, così la temperatura massima nel motore 1 è raggiunta a 10 gradi e nel motore 2 a 190 gradi di rotazione.
Mentre la temperatura minima nel motore 1 è quasi raggiunta a 190 gradi e nel motore due a 10 gradi di rotazione.
Ho costruito un diagramma temperature per il tempo di due giri del motore che vedete di seguito:
Come si vede nell'immagine, la temperatura massima ha una curva a cupola, perchè i gas sono concentrati nelle canne calde solo in prossimità del punto massimo superiore del pistone, mentre la temperatura minima ha una curva molto larga e appiattita, perchè i gas sono concentrati nel cilindro freddo in tutto il tratto orizzontale dove le sfere sono bloccate nella posizione che chiude le canne calde.
Di seguito l'immagine del diagramma delle pressioni:
Per fare un esperimento nei tratti che ho evidenziato che corrispondono ai periodi di spostamento delle sfere, il primo periodo l'ho costruito con un tempo di 60 gradi di rotazione, mentre il periodo successivo l'ho costruito con un tempo di 50 gradi di rotazione.
Si nota che le curve di temperatura per il periodo più breve sono più prossime all'angolazione per avere un gradiente di temperatura costante che credo sia più vicino alla realtà.
La spiegazione è stata lunga ma ne è valsa la pena, un'idea così complicata e un ciclo termodinamico così pazzesco meritavano di essere esposti.
Ciao SE-POL.
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