motore stirling a bassa temperatura

[cicciomio77]

ok, allora facciamo l'esempio pratico:
da fine ottobre a fine marzo (se va' bene) il circuito automaticamente esclude il chiller utilizzando il drycooler per raffreddare tutto l'impianto dato che il drycooler mi restituisce +4°c dalla temperatura ambiente.
quindi con il drycooler riesco a far funzionare tutto l'impianto con circa 6kw totali (POMPE+VENTILATORI), il chiller è spento.
quindi il generatore è in mezzo a 70°C (IN drycooler), 5-25°C (out dipende dalla stagione).
la potenza frigorifera è sempre la stessa...250.000kcal/h.
con questi dati...cosa produce ill generatore? dato che il "freddo" è gratis?

Da fine marzo a ottobre, il chiller funziona e il drycooler condensa il chiller, Drycooler (IN 60-65°C, OUT 35-40°); l' impianto (out 70°, in 15°).
il salto termico qui è basso, è evidente, ma anche qui è possible ricavare qualcosa senza incider + di tanto sul tutto.

mi scuso per le informazioni frammentarie e magari confuse, ma non sono un dottore nel settore (calcolo del motore), ho buona esperienza nella realizzazione pratica & calcolo dei chiller...

ma ora la domanda + importante, quanto sarebbe grosso un motore del genere?, a parte la GIF...esistono dei disegni, oppure si deve realizzare tutto da 0? non è un problema enorme, ma ovviamente i tempi si allungano: disegna...prova...ridisegna..riprova....

io sono disponibile a fare tutto...progetti (3d e 2d) nonchè la realizzazione del prototipo ma ho bisogno di supporto tecnico x i calcoli, collaudi e tutto sono ok...ho spazio e macchine per realizzarli.

ciao

 

[livingreen]

Allora facciamo l'esempio "invernale"...
Hai acqua a 70°, e la temperatura ambiente è bassa. Bassa quanto non si sa, perchè ora sembra che il drycooler ti abbassi la temperatura a 4°, mentre prima parlavi di 8°... comunque, visto che è variabile per cause ambientali, mettiamo pure 4°, il minimo per i chiller.)
Il generatore si trova con un salto termico di 66°, e quindi può avere un massimo rendimento termodinamico del 19,2 %. Questo significa che se abbiamo una potenza termica di 282kW, un generatore teorico potrebbe produrne al massimo 54kW. Però un generatore arriva all'80% se va bene, e quindi diciamo 45kW...
Perciò, nel generatore entrano 282kWt, vengono prodotti 45kWe e quindi la rimanenza di 282-45= 237kWt va in scarico e deve essere dissipata dai drycooler (che devono mantenere la parte fredda della macchina termodinamica a 4°).
Risultato: produci 45 kW di energia elettrica e fai arrivare meno calore ai drycooler che quindi lavorano meno (e consumano meno).

In generale, impianti del genere sono venduti a 3500 euro al kw, quindi siamo indicativamente su di una spesa di 150.000 euro, con dimensioni come quelle di un container da 20".

 

[livingreen]

Esempio "estivo"...
Hai acqua a 70°, e la temperatura ambiente è alta. In estate siamo a 35° in ambiente, ma con le perdite di scambio termico la parte fredda del generatore si trova a 45°.
Il generatore si trova con un salto termico di 25°, e quindi può avere un massimo rendimento termodinamico del 7,3 %. Questo significa che se abbiamo una potenza termica di 282kW, un generatore teorico potrebbe produrne al massimo 20,5kW. Però un generatore arriva all'80% se va bene, e quindi diciamo 16,5kW...
Perciò, nel generatore entrano 282kWt, vengono prodotti 16,5kWe e quindi la rimanenza di 282-16,5= 265,5kWt va in scarico e deve essere dissipata dai drycooler (che devono mantenere la parte fredda della macchina termodinamica a 45°).
Risultato: produci 16,5 kW di energia elettrica, i drycooler NON possono essere esclusi e fai arrivare al chiller la stessa potenza termica che ci arriva ora.

 

[cicciomio77]

ok, dove si trovano questi "container" da 3500€/kw?
esiste un sito?


ciao

 

[livingreen]

Ci sono molti produttori, posso indicartene uno per fare un esempio... la Turboden. Oppure cerca in generale "sistemi ORC" e ne trovi a decine.
Gli stirling non esistono, quindi abbandonali pure.
Però, col salto termico che ti ritrovi, dubito che riuscirai mai ad ammortizzare l'impianto...

Inoltre, per fare un conto serio devi avere i dati esatti: le temperature dell'acqua, dell'ambiente (e visto che variano con la stagione, una serie storica delle temperature medie mese per mese è meglio), la potenzialità etc

 

[IlioM]

Dato che livingreen a confermato "al minuto" quello che avevo già detto io "all'ingrosso", che ne diresti di fare una sperimentazione low cost con lo stirling low DT che ho proposto io?
livingreen omette di dire che lo stirling è teoricamente il motore che si avvicina di più al rendimento di Carnot (10%)

... Gli stirling non esistono, quindi abbandonali pure...

ovvero SPERIMENTA!
e comunque l'obiettivo da raggiungere è qualcosa del genere!

 

[livingreen]

l

ivingreen omette di dire che lo stirling è teoricamente il motore che si avvicina di più al rendimento di Carnot (10%)

Certo che lo ometto! Prova a dimostrarmelo, almeno in teoria.

Ripeto: gli stirling non esistono, quindi abbandonali pure...
Lasciamo stare per favore quelli fatti con la scatoletta del tonno, e quelli con potenza di 0,000001 kW che vendono come "dimostrativi", quelli sono solo giocattoli.

Ilio, prova ad indicarmi uno stirling COMMERCIALE da 50 kW, coi rendimenti certificati, se ci riesci....

 

[IlioM]

Alzo le mani... mi ero basato su questo e dalla sensazione che si avvicinasse molto al ciclo di Carnot teorico.
Poi, che nessuno abbia commercializzato stirling per queste applicazioni... è sotto gli occhi di tutti, anche se credo che il problema principe siano le alte temperature.
Ciò non toglie che.. finché c'è margine (teorico).. si può migliorare.
Io, infatti, ho detto di sperimentare... non di andare dal concessionario sotto casa .
Livingreen ti posso fare qualche domanda? Hai visto lo stirling che propongo? Pensi che funzioni? è più o meno efficiente di uno stirling "normale"? ciao :bye1:

 

[livingreen]

Certo che il rendimento "dovrebbe" essere alto. solo che il rendimento termico si basa sul salto termico del ciclo. Per fare uno stirling strepitoso bisogna dargli da mangiare la stessa roba degli altri motori: combustibile che sviluppi alte temperature, i turbo, gli intercooler e gli altri mille trucchi usati nei motori endotermici...
Se invece pretendiamo di ottenere con un salto termico di 35° un rendimento migliore di un motore a benzina con la camera a 1000°, siamo nel mondo dei sogni.
Inoltre, il ns. amico non ha nessuna intenzione di sperimentare: lui vuole un motore da montare, e che funzioni.
E non esiste.

 

[livingreen]

la sensazione che si avvicinasse molto al ciclo di Carnot teorico

Il teorico Stirling ci si avvicina di certo, è il reale che non ci arriva... a causa dei volumi morti e delle perdite termiche, e dalle perdite del displacer.

 

[cicciomio77]

"Inoltre, il ns. amico non ha nessuna intenzione di sperimentare: lui vuole un motore da montare, e che funzioni."

sperimentare non è un problema...altrimenti lo avrei già acquistato...no?
come dicevo ho macchine utensili, ho chiller, ho "acqua calda", ho disegnatori ed elettricisti...fare un generatore che sfrutti il BASSO salto di temperatura con un buon prezzo/qualità/rendimento è un obbiettivo concreto.
la mia azienda costruisce & vende circa 250 impianti di raffreddamento con drycooler all'anno, dai 3 ai 1600 kw frigoriferi di potenza, già con il drycooler (lo costruiamo da circa 18 anni) i clienti risparmiano il 55% di energia elettrica e quando 18 anni fa' lo presentammo tutti dissero che era un investimento esorbitante...(si aveva il payback dopo 6 anni, oggi si paga in 18 mesi).
Costruiamo inoltre impianti di essiccazione da 1,5 a 190kw elettrici... possibilità di sfruttare i salti termici (purtroppo bassi) è molto semplice nelle nostre macchine.
Credo in questo tipo di "energie pulite" perchè c'è un risparmio concreto, non parlo di emissioni nocive...francamente tante persone si riempiono la bocca e basta, ma se si realizza un impianto/macchina che produca un risparmio 5-6% annuo sulla bolletta, quindi misurabile, è relativamente facile "venderlo".

Ovvio se poi i costi sono esorbitanti, nonchè la costruzione/manutenzione è da fare in camera bianca tipo NASA...allora andiamo avanti con i modellini giocattolo e tante belle parole.

ripeto, l'interesse mio c'è (molta curiosità anche), ma dalla "carta" deve saltare fuori un dato che copra l'investimento per un futuro utilizzatore.
la realizzazione non è un problema...

 

[rampa]

...come dicevo ho macchine utensili, ho chiller, ho "acqua calda", ho disegnatori ed elettricisti...fare un generatore che sfrutti il BASSO salto di temperatura con un buon prezzo/qualità/rendimento è un obbiettivo concreto.
la mia azienda costruisce & vende ...

Scusa... posso sapere di dove sei ? Grazie.

 

[cicciomio77]

Brescia, lago d'Iseo...basso sebino

 

[rampa]

Brescia, lago d'Iseo...basso sebino

Scomodo, ma non impossibile da Padova... grazie !

 

[IlioM]

Bene!
Appurato che il mercato, allo stato attuale, non offre nulla di conveniente per fruttare un cosi basso salto termico.
Appurato che "in teoria" lo stirling può essere migliorato.
Appurato che, nel caso specifico, far funzionare un qualsiasi motore avrebbe l'effetto di risparmiare energia elettrica.
Appurato che cicciomio77 potrebbe anche sperimentare...
non si è ancora appurato se la mia idea potrebbe fare al caso.
Ditemi (e dimostratemi) che non funziona così.. la smetto di rompere
Ciao a tutti :bye1:

 

[rampa]

Qualche idea

Qualche idea

Maggiore è il salto termico, migliore sarà la resa di un motore esotermico, qualsiasi esso sia, Stirling o ORC. E su questo tutti possiamo essere d'accordo.

Quindi se si si vuole ricavare energia elettrica o meccanica in modo meno inefficiente, nel caso proposto da cicciomio77, sarebbe opportuno che il raffreddamento dei suoi impianti avvenisse direttamente attraverso il motore esotermico, saltando il passaggio del raffreddamento ad acqua.

Probabilmente si otterrebbe un salto termico maggiore e a questo vantaggio si unirebbe il fatto che il motore esotermico sarebbe in questo caso non aggiunto ma integrato alla struttura, agirebbe cioè direttamente da raffreddamento, con un notevole risparmio costruttivo.

Mi spiego meglio.

Il suo impianto agisce attraverso un ciclo Rankine a freddo con un gas che condensa ed evapora ad una temperatura precisa. Ebbene a sua volta questo ciclo freddo che produce calore da disperdere, potrebbe essere raffreddato direttamente con un altro ciclo Rankine a caldo, usando però non l'acqua ma un liquido organico a temperatura di evaporazione più bassa di quello precedente.
Un radiatore così concepito ha un'efficienza di scambio molto elevata, migliore addirittura di quella dell'acqua, dato che sfrutta il cambiamento di fase del secondo liquido organico.

 

[rampa]

Le turbine a gas

Le turbine a gas

A basse differenze di pressione, anche le migliori turbine hanno un' efficienza di conversione meccanica estremamente bassa. Difficilmente raggiungono il 30%.
Solo un espansore adiabatico volumetrico (pistone cilindro, tanto per capirci) può sfruttare il 90% di un salto pressorio limitato, come nel caso in questione.

 

[SE-POL]

I vantaggi di un motore iperquadro.

I vantaggi di un motore iperquadro.

Io ho pensato a uno stirling gamma con pistone iperquadro, con un rapporto maggiore a 10:1.
I vantaggi sono che con una differenza di pressione piccola come nel caso del gamma a bassa temperatura, hai comunque una grande forza di spinta sul pistone e il rapporto tra la superficie di scambio del calore (concentrata sulla testa del pistone e del cilindro) ed il volume del gas, rispetto ad un cilindro quadro è di molto superiore, quindi abbiamo un migliore scambio di calore.
E sopratutto non ci sono guarnizioni di tenuta tra la testa del pistone e il cilindro: perchè facendo un esempio molto semplice il motore iperquadro è simile a una pentola con un coperchio (la pentola è il cilindro, il coperchio è il pistone), pentola e coperchio sono uniti da un copertone di bicicletta che crea una tenuta stagna.
Adesso mi spiego: prendi due ruote da bicicletta togli i raggi e le dividi a metà per la lunghezza della gola, ottieni 4 semicerchioni, prendi un copertone per bicicletta sottile (per bici da corsa), stringi e blocchi i due bordi del copertone ognuno tra due semicerchioni e li sigilli con silicone.
Così hai due anelli rigidi indipendenti ma tenuti assieme dal copertone, credo che questi due anelli si possono allontanare di 2 o 3 centimetri con poco sforzo grazie all’elasticità dei fianchi del copertone (forse anche di più, bisogna provare). Un anello sarà fissato sul bordo della pentola (cilindro), mentre l'alto anello sarà fissato sul bordo del coperchio (pistone).
Le misure di un copertone di bici da corsa sono 700x23 mm, quindi il rapporto alesaggio corsa sarebbe di 70/3 cm cioè di 23/1 e la cilindrata di lavoro sarebbe di 35 x 35 x 3,14 x 3 = 11545 cc.
Con un salto termico così basso il rapporto di compressione deve essere molto basso, io ho impostato un rapporto 1,38 (dal grafico 79 mm di camera + 30 mm di corsa del pistone) quindi la cilindrata totale sara di 10,9/3 x 11545 = 41947 cc, cioè quasi 42 litri. Ma molto probabilmente il rapporto dovrà essere ancora più basso.
Se le pareti del cilindro sono in materiale isolante hai un'ottima separazione termica tra la parte calda e la parte fredda del motore gamma, il copertone garantisce già una separazione termica.
Essendo le pareti del cilindro termicamente isolanti il displacer può essere il più sottile possibile perchè non deve più ricoprire con la sua lunghezza il tratto di parete del cilindro calda o fredda.
Questo motore dovrebbe avere un'ottima tenuta del gas perchè l'unico foro che deve avere delle guarnizioni è l'uscita dell'asta del displacer nella testa del pistone, quindi può essere pressurizzato fino al limite di resistenza del copertone di bicicletta, aumentando così la potenza specifica del motore. Allego le immagini di un progetto schematico che ho fatto.



Credo che il vantaggio principale di questo progetto, è che si può realizzare con materiali economici o nel caso del copertone e delle ruote di bicicletta, di facile reperibilità e basso costo.
Ciao SE-POL.

 

[SE-POL]

Aggiungo il particolare del displacer

Aggiungo il particolare del displacer

Il displacer deve essere il più possibile sottile e con molti fori (come si vede nell'immagine allegata) per far passare il gas creando un turbolenza diffusa, così si ottimizza la fase di riscaldamento e raffreddamento del gas.



Inoltre un altro vantaggio è che gli spazi morti sono ridotti al minimo, e come si vede dal grafico, il displacer spazza tutta la camera del motore con un movimento trapezioidale.
Ciao SE-POL.

 

[Stranamore]

Il piacere della discussione

Il piacere della discussione

Ciao a tutti. Mi sono letto la discussione tutta insieme.
Provo a dare un contributo.
Un motore vive di salti di temperatura. E questo è pacifico.
Anche il suo rendimento è funzione diretta di questo salto.
Se un motore funziona meglio o peggio dipende da tante cose.
Dal suo ciclo torico di funzionamento innanzitutto. Ma anche da come la macchina reale approssima il ciclo teorico.
Di solito si qualificano i cicli termici esprimendo il loro rendimento come percentuale del rendimento di carnot tra le stesse temperature massime e minime.
I vari cicli, Stirling, ERicsson, Brayton, Otto, Diesel, Sabatè, Rankine, Hirn e via dicendo hanno ognuno il loro "fattore di merito". Lo Stirling e L'Ericsson in questo battono tutti gli altri con un fattore di merito pari ad 1, cioè in teoria rendono come il carnot. MA qui siamo ancora nel ciclo ideale. E questo per definizione è irrealizzabile, perchè anche il fluido che evolve deve essere ideale.
Già passando al ciclo limite le cose cambiano e notevolmente. Il ciclo limite è per definizione quello realizzato dal fluido reale nella macchina ideale.
Il discorso potrebbe continuare con tutte le cause di irreversibilià, ma qui l'ho citato solo per giustificare una affermazione:
dato un qualunque motore, funzionante secondo un qualunque ciclo ogni imperfezione costruttiva, ogni errore concettuale, ogni irreversibilità si traduce nella necessità di innalzare la differenza di temperatura tra le sue due sorgenti affinchè dia la potenza voluta.
Ovvio obietterà qualcuno che si potrebbe sempre costruire un motore più grande per compensare il peggior rendimento, ma qui siamo nel campo del "ti piace vincere facile".
E per quelli che si stanno chiedendo il perchè di questo lungo discorso torno al tema del topic.
Se alimento il motore con l'acqua di processo, destinata ad essere raffreddata dal chiller, non potrò che scaricarla alla Tmax necessaria al motore per darmi la potenza richiesta.
In poche parole per far funzionare il motore in maniera decente potrei essere costretto a scaricare ad una temperatura superiore alla attuale, con danno energetico nel processo a monte.
Dovendo dividere i possibili motori in base alle temperature massime richieste direi che l'affermazione che lo Stirling, almeno commercialmente, non esiste corrisponde a verità.
Un impianto a vapore d'acqua è impraticabile (su piccola scala) perchè sarebbe tutto subatmosferico.
Rimane l'ORC. MA non aspettatevi molto. Con quel Delta T un rendimento finale tra l'1 ed il 3% è già cosa ottima.
Comunque bisogna rivolgersi ad un ciclo con cambiamento di fase. La particolarità di questi cicli infatti è quella di poter realizzare le isoterme, precluse ai cicli a gas, e di avvicinarsi molto al ciclo di carnot. Tale vantaggio scompare alle alte temperature, sovracompensato da altri tipi di irreversibilità.