motore stirling a bassa temperatura

[rampa]

Quoto totalmente quanto scritto da Stranamore.

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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.
...

In pratica significa che posso sfruttare solo una minima parte di tutte le calorie dell'acqua calda, cioè solo quelle comprese ad esempio tra i 65° e i 70°, dato che solo a quella temperatura l'ORC darà la Pmax. Se estraggo troppo calore dall'acqua, mi si abbassa la Tmax e con questo anche il rendimento, già basso di per sé.
Le cose cambiano abbastanza ma non in modo sostanziale se il raffreddamento del processo a monte lo faccio col liquido ORC (che poi utilizzo per il ciclo ultimo) e non con l'acqua.
Nell'ipotesi del raffreddamento ad acqua abbiamo impostato un foglio di calcolo che nel caso prospettato da cicciomio77 indica l'energia meccanica teoricamente ricavabile (impostando i dati nelle caselle gialle).

https://www.energeticambiente.it/attachment.php?attachmentid=15333&stc=1&d=1298158478

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[livingreen]

Forse devi correggere il foglio di calcolo, perchè se riesci a tirar fuori 697kW elettrici quando ne hai solo 282 termici in entrata....
.....oppure, ti compro il brevetto.

 

[rampa]

Errore...orrore...

Errore...orrore...

Un errore di battuta, mi scuso.
Per rendere più leggibile il foglio, ho cancellato la % in B10 e l'ho portata in C10. In tal modo però il calcolo non mi divide più per 100...

https://www.energeticambiente.it/attachment.php?attachmentid=15334&stc=1&d=1298190320


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[IlioM]

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...

SE-POL hai fatto qualche errore di valutazione...
il tuo stirling non è un gamma ma un beta.
un basso delta T da un basso aumento di volume che, a volume constante, da una bassa variazione di pressione... ma se tu utilizzi un pistone iperquadro con un suo piccolo spostamento hai un'enorme variazione di volume, quindi, al massimo, si muoverà pochissimo.
Hai troppi volumi morti (il toro del copertone) e troppi attriti radenti per quel che riguarda il manovellismo.
La superficie fredda mobile rende difficile lo smaltimento del calore (es no radiatore, alette a discapito della leggerezza, no scambio con liquidi in ciclo forzato).
c'è di buono che sei arrivato quasi alla mia stessa conclusione , che il movimento del dislocatore può essere migliorato se si muove in onda quadra (trapeziodale come dici tu). Io ho estremizzato il concetto sfasando di circa 180° rispetto al pistone di potenza.
Comunque continua cosi, le idee possono essere anche sbagliate, ma di buono possono generarne delle nuove.
ciao :bye1:

 

[Stranamore]

Vorrei aggiungere una cosa sul pistone iperquadro. Dal punto di vista ideale ci sono molti punti di interesse. Ad esempio le grandi superfici di cambio teoriche in un motore privo di scambiatori che scambia attraverso la testaa ed il fondello. Le forze di inerzia che possono essere favorevoli se il peso viene mantenuto basso a causa delle basse velocità medie di spostamento a parità di giri ecc.. ecc...
Però non bisogna neanche dimenticare che passando al mondo reale si presentano altri ordini di problemi non analizzabili teoricamente.
Ad esempio il problema del gap di tolleranza che è necessario lasciare tra displacer e testata per motivi tecnologici. A causa infatti della deformabilità dei materiali è necessario lasciare una certa distanza minima tra il PMS ( o anche PMI) nella corsa a vuoto statica per evitare che in velocità ci siano urti. Tale GAP è più grande di quanto si possa immaginare. Motori automobilistici di serie difficilmente scendono sotto i 2 mm. Ma una altezza di 2 mm moltiplicata una area di base grandissima dovuta al rapporto iperquadro mi da un grande volume morto. Storicamente il rapporto corsa alesaggio degli stirling seri si è assestato tra lo 0,4 e lo 0,6. Non ho a disposizione gli strumenti matematici per simulare l'effetto di questo parametro, ma se quasi tutti sono cascati li in mezzo un motivo ci deve essere.
Questo non toglie nulla al concetto, ma gli impone dei limiti. PEr esempio limiti di velocita di rotazione massima. Ovvio che a bassimi giri/min l'effetto delle forse di inerzia si riduce e con esse il gap necessario.
Tutto sa sperimentare su prototipo ovviamente. Diversamente servirebbero calcoli agli elementi finiti piuttosto elaborati.

 

[SE-POL]

Ciao IlioM e grazie per la tua critica,

SE-POL hai fatto qualche errore di valutazione...
il tuo stirling non è un gamma ma un beta.

Hai perfettamente ragione sono caduto in confusione .

un basso delta T da un basso aumento di volume che, a volume constante, da una bassa variazione di pressione... .....al massimo, si muoverà pochissimo.

Vero ma in cambio ho in proporzione una forza di spinta molto più grande (il disegno che ho fatto non era per un delta T così basso ma non avevo la pazienza di cambiare tutti i rapporti).
Ma un vantaggio che ho visto in una volumetria così schiacciata è che il displacer può essere sottile come una lama, quindi si può pressurizzare il motore senza dover rinforzare il displacer.
Una cosa importante che ora ho visto: con un delta T così basso si può usare un pistone lubrificato ad olio, quindi il pistone iperquadro non servirebbe, ma la geometria a disco schiacciato è sempre valida.

Hai troppi volumi morti (il toro del copertone) e troppi attriti radenti per quel che riguarda il manovellismo.

Il volume del toro è di circa 2,8 litri quindi il 7% del volume totale, non mi pare troppo.
Sono arrivato all'idea del pistone iperquadro partendo dal copertone, per i seguenti motivi:
Tutti i progetti di stirling partono da progetti costruttivi di motori a combustione interna cioè il motore a pistoni, ma con una piccolo ma difficilmente superabile problema, non possono avere lubrificazione a olio (con temperature superiori a circa 200 gradi se l'olio entra nella camera del motore brucia e si carbonizza).
Per avere attriti paragonabili ad un motore lubrificato ad olio, gli unici motori stirling veramente validi che sono stati costruiti, sono pressurizzati per aumentare la potenza specifica e hanno dovuto usare complicati accorgimenti costruttivi o materiali speciali con un conseguente costo di produzione molto alto.
Il copertone lega elasticamente la testa con il fondello e garantisce una perfetta tenuta, con il limite di una corsa di pochi centimetri, ma ha il vantaggio di non avere attriti tra cilindro e pistone.
E in uno stirling non pressurizzato questi attriti sono le principali cause di un rendimento meccanico molto basso (immagina un motore a pistoni di 11 litri di cilindrata), al punto che anche riuscendo ad ottenere un ciclo stirling perfetto il rendimento finale sarà sempre basso.
A questo si contrappone la complessità dei manovellismi a causa della corsa molto piccola e quindi a maggiori attriti meccanici, questo non lo nego, ma credo che alla fine la somma degli attriti sia minore rispetto al motore a pistoni standard.
Ciao SE-POL.

 

[SE-POL]

Ciao Stranamore sono contento che hai visto anche tu alcuni vantaggi teorici di questa configurazione.

Storicamente il rapporto corsa alesaggio degli stirling seri si è assestato tra lo 0,4 e lo 0,6. Non ho a disposizione gli strumenti matematici per simulare l'effetto di questo parametro, ma se quasi tutti sono cascati li in mezzo un motivo ci deve essere.

Posso avanzare delle ipotesi, quel parametro è sempre caratterizzato dal rapporto benefici (camera allungata e quindi migliore rapporto superficie di scambio del calore/volume e minori attriti statici delle guarnizioni del pistone con diametro ridotto), rispetto agli inconvenienti (corsa del pistone più grande con conseguente maggiore velocità di spostamento del pistone e quindi maggiori attriti dinamici).
Aggiungo che il pistone iperquadro è valido solo se accoppiato elasticamente al cilindro senza usare guarnizioni. E per molto tempo mi sono spremuto il cervello per trovare un possibile accoppiamento elastico semplice e di basso costo (penso proprio che i copertoni di bicicletta siano l'optimum, ma questo però deve essere verificato in pratica).

 

[Stranamore]

Anche a me piace l'accoppiamento elastico, che assomiglia al rolling seal della philips. Una genialata poi abbandonata più che altro per mancanza di materiali veramente idonei che non perchè fosse sbagliato il concetto.
Una possibile variante del tuo motore, più semplice da mettere a punto potrebbe essere una versione con displacer iperquadro e pistone di potenza più tradizionale. Se pensi ad una applicazione solare, ad esempio, la grande superficie esposta è d'obbligo.

 

[Stranamore]

Ovvio che su un Low Dt il materiale assume importanza secondaria. A temperature al di sotto dei 100 ° le camere d'aria dei pneumatici, soprattutto quelle dei vecchi pneumatici automobilistici, dovrebbero essere assolutamente adeguate. In velocità infatti le gomme raggiungono temperature insospettabilmente alte per l'isteresi della gomma che dissipa in calore parte dell'energia.

 

[IlioM]

Vero ma in cambio ho in proporzione una forza di spinta molto più grande...

Ma il lavoro è lo stesso... quindi effetto martinetto = movimento molto piccolo. Che i giochi del manovellismo si mangiano facilmente. Quindi inutilizzabile per un low DT.

Ma un vantaggio che ho visto in una volumetria così schiacciata è che il displacer può essere sottile come una lama

Errore. il dislocatore (o displacer che dir si voglia) deve mantenere il delta T il più inalterato possibile ed essere il più isolante possibile in maniera che il fluido passi da un ambiente caldo ad un freddo e viceversa per espandersi e contrarsi.

Il volume del toro è di circa 2,8 litri quindi il 7% del volume totale, non mi pare troppo.

Non penso che sia indifferente, figurati che, secondo i miei grossolani calcoli, e la stessa variazione di volume di un gas perfetto a pressione costante tra 35° e 55° (20° 70° esterni)

Avere spazio di movimento del dislocatore iperquadro ha il vantaggio di mettere a contatto il volume con una superfice molto estesa il che aiuta lo scambio di calore tra cilindro e fluido, ma credo che per un low DT non si possa avere una configurazione diversa da un gamma. Con queste temperature ci si può permettere tenute di vario genere e di vario attrito. Credo che sia meglio tenere sotto controllo i volumi morti piuttosto che cercare di migliorare gli attriti a discapito di quest'ultimi.
Comunque esistono i soffietti (metallici).
Ma qualcuno sta valutando la mia proposta? (Gamma, iperquadro, autostart, ottimizzato) che a mio immodesto avviso potrebbe fare al caso del topic? :bye1:

 

[SE-POL]

Errore. il dislocatore (o displacer che dir si voglia) deve mantenere il delta T il più inalterato possibile ed essere il più isolante possibile

Ti rammento che negli stirling high DT il displacer è in metallo proprio perchè deve lavorare ad alte temperature e minimizza la conduzione di calore con una struttura cava.
Che differenza ci sarebbe con una lastra di vetroresina di 2 mm di spessore visto soprattutto che la differenza di temperatura è molto più piccola?
Per il resto no-comment, ciao SE-POL

 

[IlioM]

Ti rammento che negli stirling high DT il displacer è in metallo proprio perchè deve lavorare ad alte temperature e minimizza la conduzione di calore con una struttura cava.

siamo perfettamente d'accordo

Che differenza ci sarebbe con una lastra di vetroresina di 2 mm di spessore visto soprattutto che la differenza di temperatura è molto più piccola?

nessuna, tranne che hai 2 mm di materiale non particolarmente isolante e che 4 mm isolerebbero il doppio. Estremizzando il tuo concetto il dislocatore teorico ideale potrebbe essere anche inesistente basti che remescoli il fluido e copra gli estremi.
Per me questa tendenza non regge.
Ciao :bye1:

 

[SE-POL]

Una possibile variante del tuo motore, più semplice da mettere a punto potrebbe essere una versione con displacer iperquadro e pistone di potenza più tradizionale. Se pensi ad una applicazione solare, ad esempio, la grande superficie esposta è d'obbligo.

Quoto al 100%, infatti mi ero appena reso conto che in un low DT è possibile utilizzare un pistone tradizionale lubrificato ad olio in una configurazione gamma.
Accenno ad un'idea che mi è venuta per risolvere il problema di cicciomio77: tenuto conto che uno stirling low DT raggiungerà il punto di massimo rendimento solo ad un basso numero di giri, proprio per il problema di trasmettere il calore ad una grossa massa di gas con salti di temperatura ridotti.
Un'idea interessante sarebbe che, invece di produrre energia elettrica, si può azionare direttamente uno stirling che lavori come refrigeratore, raffreddando l'acqua calda appena uscita dal motore stirling. E lavorando allo stesso numero di cicli, non servirebbe nemmeno trasformare il moto alternativo del pistone, basterebbe accoppiare i due pistoni direttamente o tramite una leva con fulcro regolabile per variare la potenza trasmessa dal motore termico al motore frigorifero.
Che ne dici? Ciao SE-POL.

 

[IlioM]

Un'idea interessante sarebbe che, invece di produrre energia elettrica, si può azionare direttamente uno stirling....

perfettamente d'accordo, tant'è vero che l'avevo già proposta ai post #4 e #7.
Bisogna solo creare uno stirling low DT molto efficente...
SE-POL hai visto il mio?:closedeyes:
non ha quote in quanto imposta solo l'architettuta, le dimensioni sono libere e da sviluppare.
:bye1:

 

[Stranamore]

L'accoppiamento proposto da Se-pol, noto in letteratura come stirling duplex, è stato più volte studiato ed in qualche caso realizzato a livello di prototipi. Dal punto di vista teorico sarebbe estrememente vantaggioso, permettendo di "moltiplicare" il calore in ingresso a spese del calore ambiente a bassa temperatura e riscaldando a temperatura più alta un fluido. Va da se che il fluido riscaldato serve a sua volta a scaldare un ambiente abitato.
In linea teorica, ma stiamo parlando di relizzazioni ad alta temperatura alimentate a gas, si può raddoppiare sul fluido secondario la quantità di calore immessa come combustibile.
Dal punto di vista pratico però si tratta di impianti complessi e costosi.
Non si sono mai affermati per il costo di investimento alto e per i costi di manutenzione. Un conto infatti è una caldaia statica, molto semplice, un conto è un impianto dove ci sono pistoni che si muovono. Una pompa di calore elettrica è a metà strada.
Negli stati uniti si sono molto diffuse delle applicazioni CHP, questo il nome del tipo di impianto proposto, in cui viene usato un motore MCI alimentato a gas naturale che tira una pompa di calore a ciclo Rankine normale.
Nonostante il rendimento molto superiore ad una caldaia tradizionale, e superiore anche ad una pompa di calore elettrica la complessità ed il costo dell'impianto ne scoraggia l'adozione in un mercato tradizionalista come il nostro.
Tenete presente, per dare una idea approssimativa, che in termini energetici una caldaia tradizionale a gas rende il 92-93 % dell'energia immessa (potere calorifico inferiore), una a condensazione il 105%, una pompa di calore elettrica dal 100 - al 120 %. Un MCI con pompa di calore Rankine dal 150 al 170 %. Una stirling duplex ha il potenziale per arrivare al 200%.na interessante applicazione della ROBUR che ha applicato il concetto ad una caldaia con un pompa di calore ad assorbimento con un risultato finale dichiarato attorno al 150 %, ma senza parti in movimento. Il che è notevole. La manutenzione è al livello di una pompa di calore ad assorbimento normale, ma i costi del sistema sono alti.
Segnalo a tale proposito u

 

[pino81]

il mio chiller sviluppa circa 250.000Kcal/h (282 kw di potenza frigorifera circa)
collegare il lato "freddo" dello sterling al chiller puoi capire che non influenzerà minimamanete il rendimento frigorifero dell'impianto,

quindi trattasi di uno stirling messo in serie ad un chiller,non sarà mica un serial chiller ?

Tenete presente, per dare una idea approssimativa, che in termini energetici una caldaia tradizionale a gas rende il 92-93 % dell'energia immessa (potere calorifico inferiore), una a condensazione il 105%, una pompa di calore elettrica dal 100 - al 120 %. Un MCI con pompa di calore Rankine dal 150 al 170 %. Una stirling duplex ha il potenziale per arrivare al 200%

quindi sono sistemi in overunity ! :spettacolo:

 

[Stranamore]

Niente di strano. Innanzitutto si fa riferimento al Potere Calorifico Inferiore del combustibile. E questo già da solo permette ai venditori di caldaie a condensazione di dichiarare rendimenti superiori a 100%. Gli altri sistemi poi sono applicazioni della pompa di calore, che come noto "ruba" calore ad una sorgente e ne innalza la temperatura per darlo ad un'altra sorgente. L'energia entrante serve ad innalzare la temperatura, e non è la fonte primaria del calore. Da qui il COP di questi cicli sempre superiore all'unità.
I rendimenti da me citati sono fuori tutto. Ossia sono già la somma di una perdita di rendimento dovuta alla conversione calore-meccanica moltiplicato poi il COP del ciclo.
In ogni caso sono valori presi dallo sato dell'arte della corrente produzione di questi oggetti, quindi niente di esoterico e nessuna "Over Unit". Basta capire come è definito il rendimento rispetto all'obiettivo. Il "Nulla si crea e nulla si ditrugge" rimane sempre valido.

 

[rafabbri]

Ragazzi sarei interessato a sfruttare il calore in esubero dell'impianto solare termico che ho per produrre energia elettrica.

Ho letto la discussione, io sono fuori dal settore per cui chiedo se ci sono novità.

Proposte interessanti? E' fattibile e funzionale? non ci voglio guadagnare, mi accontenterei di fare patta.

Grazie

 

[pino81]

@ rafabbri ,dipende il salto termico che hai a disposizione, se non è a concentrazione solare dubito che riuscirai a far andare uno stirling,in ogni caso potresti realizzarti un piccolo generatore a turbina se riesci a produrre del vapore(> 100°), altrimenti la soluzione più semplice allo stato dell'arte è la conversione fotoelettrica

 

[mariomaggi]

Alla fiera Renewable Energy Europe (Milano) che chiude domani, c'e' un forte interesse di pubblico verso un macchinario americano che utilizza calore a temperature piuttosto basse. Domani mattina ci tornero' e vedro' di approfondire.
E' una fiera di altissimo livello, un solo padiglione, ma non mi e' bastato un giorno intero per visitarla.
Ciao
Mario