Parliamo di Stirlng

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Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 14 giu 2015, 15:34

Questo filo fa seguito ad una discussione che ha avuto luogo altrove.
Il mio intento per ora è riassumere quello (poco) che so sul ciclo Stirling, sulle sue forme canoniche o meno canoniche, sui suoi possibili usi, sui modelli studiati e realizzati, sui prototipi amatoriali...
Stirling era un prete nato in Inghilterra nel 1790, morto nel 1878. nel 1816 ha ideato questo motore a combustione esterna.
Per i dettagli suggerisco di dare una veloce scorsa a Wikipedia: https://it.wikipedia.org/wiki/Motore_Stirling.

Io preferisco concentrarmi sugli elementi fondamentali e sulle implicazioni:
-Il motore Stirling è un motore a combustione esterna (come i motori a vapore) che usa un gas come fluido motore. A differenza dei motori a vapore (e delle macchine frigorifere tradizionali) non fa affidamento su cambiamento di stato del fluido (liquido->vapore->liquido), ma solo sulle variazioni di volume del gas. Questo significa che può funzionare in range di temperature molto estesi, il vapore per esempio deve lavorare a cavallo della temperatura di ebollizione dell'acqua, se ci si sposta da quel punto non funziona più.
-ha una sorgente calda e una fredda (in realtà tutti i motori hanno bisogno di un salto termico, ma transeat...), di solito, ma non in tutte le sue implementazioni, 2 pistoni, coassiali o separati per ogni unità.

-ne esistono diverse "incarnazioni" canoniche, che differiscono nel modo in cui sono collocati e imbiellati i pistoni.
Guardiamo come funziona il modello più basico di tutti, il modello Alfa a cilindri ortogonali.
Il disegnino è linkato da wikipedia.
Immagine
Il cilindro rosso è riscaldato dal fluido che scorre nella camicia esterna, quello freddo raffreddato (nel disegno con le alette, ma un raffreddamento a fluido è di solito più efficace); i cilindri sono connessi dal condotto che si vede, che contiene il RIGENERATORE, un corpo che recupera parte del calore del gas caldo e lo resistuisce al gas freddo.
Partiamo dal cilindro caldo (quello rosso) al PMI.
-le pareti del cilindro caldo sono scoperte, quelle del cilindro freddo parzialmente coperte dal pistone, il gas si scalda e si espande, facendo muovere il pistone freddo. La rotazione del volano muove il pistone caldo, la sorgente di calore viene progressivamente coperta, il gas si scalda sempre meno e si sposta verso il cilindro freddo, attraverso il Rigeneratore, passando cede parte del calore al rigeneratore. Proseguendo il movimento il cilindro freddo è completamente scoperto, il gas comincia a raffreddarsi e a contrarsi, il movimento spinge il pistone freddo al PMS e il gas indietro verso la camera calda. Tornando indietro recupera parte del calore dal rigeneratore. Mano a mano che il pistone caldo si sposta verso il PMI scopre le pareti calde, il gas ricomincia a scaldarsi e il ciclo si ripete.

Il sistema si basa sul trasferimento di calore dall'esterno, quindi è relativamente lento. I motori Stirling raramente superano i 1000 rpm.

Il pistone caldo di solito ha solo lo scopo di coprire e scoprire la sorgente calda, spostando il gas, di solito non è necessario che abbia tenute di precisione, basta che sia leggero e termicamente isolante, non servono grandi tenute.

Per ora mi fermo qui, nel seguito i mdelli canonici Alfa, Beta, Gamma, il ruolo del rigeneratore i tipi di gas usati, le loro pressioni e il perché...

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda mastrovetraio » 14 giu 2015, 16:06

Grazie, Paolo. L'aver puntualizzato che non c'è passaggio di stato ma solo variazioni di volume del gas mi ha dato un'angolazione nuova. Sei un ottimo divulgatore. Attendo la prossima puntata, ma già intravvedo gli assassini......il gas, e gli acciai speciali....

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda maxlinux2000 » 14 giu 2015, 16:21

+1 :D
Cogito, ergo NO SUV !!

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 14 giu 2015, 16:32

mastrovetraio ha scritto:Grazie, Paolo. L'aver puntualizzato che non c'è passaggio di stato ma solo variazioni di volume del gas mi ha dato un'angolazione nuova. Sei un ottimo divulgatore. Attendo la prossima puntata, ma già intravvedo gli assassini......il gas, e gli acciai speciali....


Il gas e/o gli acciai speciali pongo dei limiti, ma solo dei limiti agli estremi: gas diversi (alla fine la scelta è fra aria, azoto, idrogeno e elio...) pongono dei limiti di efficienza, ma non tragici, specie se la nostra sorgente di energia è il sole...
gli acciai speciali pongono limiti nella misura in cui ti servono a raggiungere temperature estremamente alte (ho usato l'inconel 625 e 700, ma per un turboreattore... e comunque per trovarlo mi è bastato arrivare a 20 Km da casa mia...), ma se ci pensate questi cosi sono interessanti perché permettono di lavorare anche a temperature basse...

Mi preoccupa di più la reperibilità di officine con macchine utensili e operatori all'altezza e materiali non metallici, come grafite e materiali sinterizzati autolubrificanti...

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 14 giu 2015, 16:43

Una cosa che vorrei farvi notare: a differenza del ciclo del vapore, il ciclo Stirling è reversibile, il che significa che possiamo usarlo per fare un motore ma possiamo anche fornirgli energia meccanica per avere una pompa di calore... il limite estremo potrebbe essere il frigorifero a carbonella o il condizionatore a energia solare diretta.
Ancora una volta il fatto che non ci sia passaggio di stato pone il ciclo di Stirling su un gradino diverso.
Il condizionatore di casa mia funziona ottimamente come pompa di calore, ma se la temperatura della sorgente fredda (l'aria esterna...) scende sotto zero smette di funzionare...
Un condizionatore basato su una macchina stirling, non solo non ha questo genere di limiti, ma non ha gas ad effetto serra, e' stagno e sigillato, ha pochissime parti in movimento e una vita media possibile estremamente lunga...

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda Dolomitico » 14 giu 2015, 17:21

Ma quello che non capisco è come mai sia stato accantonato come sistema.
Ancha la Viessmann ha cominciato a produrre una caldaia con un motore stirling per produrre fino a 300W di energia elettrica.
E se non sbaglio già Grillo nei suoi show aveva spiegato che un'università tedesca aveva svilluppato un frigorifero con questo motore,durata stimata....100 ANNI,con un radiatore esterno per "portare il freddo" dentro il frigo in inverno,e in estate per smaltire il calore.
Non sarà mica stata una di quelle tecnologie messe nei cassetti perchè si doveva vendere altro.
Da quello che so bisogna usare metalli che specie dalla parte calda non trasmettano bene il calore attraverso il ciclindro...ummh,mi sa che devo ripassare un pò il libro.

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 14 giu 2015, 17:43

Parliamo dei modelli "canonici".
Ilciclo di Stirling può essere implementato in molti modi, ma all'origine ne vennero individuati sostanzialmente tre, in un'epoca in cui la cultura classica la faceva da padrone, vennero battezzati con tre lettere greche: Alfa, Beta, Gamma. I disegnini sono tratti ancora una volta da wikipedia.
Alfa
Nel tipo Alfa i pistoni sono separati e lavorano in cilindri separati. il Rigeneratore mette in comunicazione i due cilindri. i due pistoni si muovono sfasati di circa 90 gradi, lo sfasamento può essere dato dalla disposizione dei cilindri o dalla costruzione dell'albero a gomiti. La costruzione del "cilindro caldo" è un po' piu impegnativa che nelle altre versioni.
Immagine

Tipo Beta.
Qui i due cilindri sono coassiali, ma c'è un solo pistone vero e proprio (nel senso che aziona l'albero e fornisce potenza, ma anche che ha dispositivi di tenuta) l'altro è un "displacer" uno strumento di materiale leggero e isolante il cui scopo è solo quello di spostare il gas dal lato caldo a quello freddo e viceversa, non solo non necessita di tenute ma di solito non tocca le pareti del cilindro o le sfiora appena.
Anche qui lo sfasamento è di 90 gradi e il Rigeneratore mette in comunicazione il lato caldo con quello freddo.
Se si vuole una presa di forza meccanica c'è l'albero a gomiti, ma può essere costruito anche senza bielle e alberi a gomito, con i pistoni flottanti. Il recupero di energia può essere fatto con una pompa lineare coassiale o con un alternatore lineare....
Immagine

In questa animazione manca il rigeneratore, che può essere anche interno al displacer, ma ci deve essere!

Tipo Gamma
è simile al tipo Beta, ma il pistone viaggia in un cilindro separato da quello del displacer, con un imbiellaggio separato... anche qui manca il Rigeneratore che connette il lato caldo con quello freddo del displacer, di solito come per il beta, sta dentro il displacer, salvo nei sistemi ad alto numero di giri (tutto è relativo!) il rigeneratore PESA!
Altro disegnino da wikipedia:
Immagine
Questa animazione è decisamente peggiore... Qui è disegnato un sistema senza biella/manovella, con un sistema a fessura, ma la sostanza non cambia...

Tipo Delta
Una variante del tipo gamma è quello che viene talvolta chiamato stirling a salto termico molto basso... qualcuno li chiama motori tipo Delta
Il disegnino è preso da un sito anglofono.
Questi giocattoli possono arrivare a funzionare con il calore della mano...
Immagine

Questo giro mi fermo qui...

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda mastrovetraio » 14 giu 2015, 20:38

Ci ho provato, ma proprio non ci riesco a capire come lo Stirling possa estrarre calore ed essere usato in un circuito frigorifero.

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 14 giu 2015, 22:41

Conviene forse fare riferimento al tipo alfa, che è il più semplice da maneggiare.
Ovviamente è un gioco di compressione e espansione del gas, quando il gas è compresso la temperatura è alta quando si espande si raffredda.
Dato lo sfasamento dei pistoni, a secondo del senso di rotazione il gas sta piu da una parte quando è caldo e più dall'altra quando è freddo.
Il che implica che cambiando il senso di rotazione si inverte la direzione della pompa di calore...
Non solo funziona, ma per questi usi viene costruita in serie, in versione miniaturizzata, per raffreddare a 70 kelvin (-200 c.) i sensori ad infrarossi, viene preferito ad altri metodi sia per compattezza e leggerezza che per la semplicità.
Ora è tardi, domani, se ho un minuto, preparo una descrizione più dettagliata...

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda Ferrobattuto » 14 giu 2015, 22:46

Dunque, se ho capito bene (so' "duro", hè....): Il "displacer" dovrebbe essere il pistone del lato caldo, il "rigeneratore" è il canale che permette lo spostamento del fluido gassoso da un pistone all'altro.

Non so perché ma mi piace di più il tipo "beta", forse per la linerità del sistema e della ovvia più semplice facilità di costruzione. Nel Beta il rigeneratore potrebbe essere anche la "distanza" (figurativa) tra il pistone del rigeneratore e le sue pareti.

Bhè, in inverno ho la stufa a legna sempre a palla, dalle 6 del mattino fino alle 22 la sera, a volte fino alle 23.... Se potessi anche solo cavarci 200W....

Il Beta mi sembra abbastanza facile da fare, e se effettivamente serve un "spazio" per lasciar passare il gas dal sotto al sopra del pistone, gli attriti possono anche essere contenuti. Immagino che i due pistoni debbano essere leggeri, e l'albero contropesato per evitare vibrazioni, ma questo non è un grosso problema. Più che altro dipende dal numero di giri al minuto. Penso che anche in questo caso la velocità di rotazione possa dipendere dal rapporto corsa-diametro, come negli altri motori a pistoni, per cui facendone uno a corsa relativamente lunga i giri possano essere contenuti.

Credo che maggiore sia il salto termico tra la parte calda e quelle fredda e maggiore sia la potenza resa. Certo che i problemi meccanici non sono pochi.... Come i vari dimensionamenti, anche per lo scorrimento del gas.....
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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 15 giu 2015, 5:57

Velocemente che debbo uscire
Ferrobattuto ha scritto:Dunque, se ho capito bene (so' "duro", hè....): Il "displacer" dovrebbe essere il pistone del lato caldo, il "rigeneratore" è il canale che permette lo spostamento del fluido gassoso da un pistone all'altro.

di solito si il displacer sta dal lato caldo, nell'alfa i due pistoni sono poco diversi... Il rigeneratore in sostanza è un condotto messo come dici te, pieno di trucioli metallici.

Non so perché ma mi piace di più il tipo "beta", forse per la linerità del sistema e della ovvia più semplice facilità di costruzione. Nel Beta il rigeneratore potrebbe essere anche la "distanza" (figurativa) tra il pistone del rigeneratore e le sue pareti.


Molte delle realizzazioni sono di tipo Beta per ragioni di compattezza e di funzionalità meno roba c'è meno si guasta, meno fa attrito ecc. di solito nel Beta il rigeneratore è un condotto pieno di trucioli metallici, messo dentro al displacer, come detto, in unità molto veloci può stare fuori, per ridurre il peso del displacer.
Bhè, in inverno ho la stufa a legna sempre a palla, dalle 6 del mattino fino alle 22 la sera, a volte fino alle 23.... Se potessi anche solo cavarci 200W....

Il Beta mi sembra abbastanza facile da fare, e se effettivamente serve un "spazio" per lasciar passare il gas dal sotto al sopra del pistone, gli attriti possono anche essere contenuti. Immagino che i due pistoni debbano essere leggeri, e l'albero contropesato per evitare vibrazioni, ma questo non è un grosso problema. Più che altro dipende dal numero di giri al minuto. Penso che anche in questo caso la velocità di rotazione possa dipendere dal rapporto corsa-diametro, come negli altri motori a pistoni, per cui facendone uno a corsa relativamente lunga i giri possano essere contenuti.

Credo che maggiore sia il salto termico tra la parte calda e quelle fredda e maggiore sia la potenza resa. Certo che i problemi meccanici non sono pochi.... Come i vari dimensionamenti, anche per lo scorrimento del gas.....


Questo è sempre vero, sia per il ciclo di carnot che per tutti gli altri, più alto il salto termico più alta l'efficienza e la potenza resa... Il numero di giri è limitato dal fatto che per completare il ciclo lo scambio termico deve avvenire attraverso delle pareti metalliche, raramente si superano i 1000 rpm.
Paradossalmente agli inizi il motore stirling era in competizione con il vapore, ma per la mancanza di acciaio inox il tallone d'achille era la testa del lato caldo che si ossidava e si rompeva... L'inox è arrivato dopo che lo stirling aveva perso la sua battaglia...
Poi nel 1976 (mi pare) siamo arrivati anche ad un passo da avere una Ford con motore stirling...

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda Ferrobattuto » 15 giu 2015, 12:30

Bhè, un trattore che possa andare a legna (o anche bruciando copertoni vecchi), lento e pesante, sarebbe un buon risultato. :lol:
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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 15 giu 2015, 20:43

Ferro come te la cavi con l'inglese? Ho ritrovato una cartellina di documenti raccolti anni fa...
Ti passo un documento della NASA del... aspetta che guardo... 1978 !
E' voluminoso e pesante da leggere, ma ci sono tante di quelle informazioni dentro...
E' molto ingombrante (copia fotografica, 18 Mb)
Interessa?

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda Ferrobattuto » 15 giu 2015, 20:48

Purtroppo con l'inglese stò messo male...... Però passamelo ugualmente, vedrò cosa posso fare.
Però quì nel forum mi sa che non ci passa. Nel caso ti mando il mio indirizzo mail per MP. O.K?
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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 15 giu 2015, 21:11

OK. dovrei avere un account su gmail, per mandare senza problemi..
Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda Arex » 15 giu 2015, 21:26

Paolo, ti ho risposto nell'altra discussione...
(Qualsiasi cosa da me pubblicata viene esclusivamente fatta per uso privato,e nella mia proprietà, per studio e/o per hobby)
Le decisioni giuste vengono dall'esperienza. L'esperienza viene dalle decisioni sbagliate. (Higdon)(Arthur Bloch)
E poi ti trovi che un giorno sei tu ad avere l'arma ma non spari, perché colpire chi ti ha ferito non te ne importa più nulla. _Alda Merini_

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 15 giu 2015, 21:51

Ti ho risposto per MP...
Ma perché non fai conoscere L'Arex-pensiero :D :D sugli stirling e problemi connessi?

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 15 giu 2015, 21:52

...e ferro ce lo siamo giocato, che c'ha 27 Mb da studiare... :D

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda jpquattro » 15 giu 2015, 22:25

Parliamo per un momento del Rigeneratore e degli scambiatori di calore.

Quello che succede in un motore Stirling è che noi scaldiamo un gas in un o scambiatore caldo, poi prendiamo il gas appena scaldato (con dispendio di energia) lo trasferiamo in uno scambiatore freddo per raffreddarlo...appena raffreddato lo rispediamo indietro per scaldarlo di nuovo. C'è uno spreco enorme.
Ridimensionare questo spreco è il ruolo del rigeneratore. quando abbiamo scaldato il gas e cominciamo a spedirlo indietro cerchiamo di recuperare almeno una parte di quel calore facendogli scaldare un materiale in grado di accumulare calore, cosi arriva allo scambiatore freddo già parzialmente raffreddato, ci vuole meno tempo a raffreddarlo e meno energia termica viene dispersa...

Uno rigeneratore per funzionare deve avere una grande superficie di scambio per effettuare lo scambio termico rapidamente, una bassa resistenza al flusso del gas, una grande capacità termica, una bassa inerzia termica, per scaldarsi e freddarsi velocemente... come si dice? volere la botte piena e la moglie ubriaca? E' circa lo stesso problema. Si deve trovare un compromesso.
Nella pratica i rigeneratori in genere sono di metallo, acciaio inox, rame alluminio (dipende dalle temperature in gioco dal gas in uso e dai requisiti di peso....) possono essere formati in tubi sottili ma spesso sono reti metalliche stratificate o arrotolate per riempire un contenitore che fa parte del condotto che unisce il lato caldo a quello freddo...
Se abbiamo alte temperature e aria come gas il minimo ammissibile è acciaio inox per alte temperature ma anche leghe più pregiate. Si potrebbe usare ceramica, ma lo scambio non è molto veloce...

Veniamo agli scambiatori. Nei disegni per semplicità la parete del cilindro fa da scambiatore, niente di male in questo, il lato caldo del motore deve stare alla massima temperatura possibile e quello freddo alla minima, ma non basta.
Noi dobbiamo scaldare e raffreddare il gas principalmente, e dobbiamo farlo VELOCEMENTE. Quindi meglio uno scambiatore di grande superficie che trasferisca il calore dalla sorgente calda al gas e dal gas alla sorgente fredda. il posto migliore per metterlo è nel condotto in cui passa il gas per passare dal lato freddo a quello caldo e viceversa.

Insomma abbiamo sostituito il condotto che mette in comunicazione il lato caldo e quello freddo con un sistema fatto da scambiatore caldo - rigeneratore - scambiatore freddo.
Nel caso dei motori di tipo Beta questo condotto può essere una sorta camicia che circonda il cilindro.

Per ora mi fermo, il resto alla prossima puntata...

Paolo

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Re: Parliamo di Stirlng

Messaggioda Arex » 15 giu 2015, 23:26

jpquattro ha scritto:Ti ho risposto per MP...
Ma perché non fai conoscere L'Arex-pensiero :D :D sugli stirling e problemi connessi?

Paolo


L'mp non è arrivato ... qualcosa non è andato per il verso giusto, controlla se puoi.
L'Arex pensiero? Perché secondo te io ci mastico di stirling?
Cosa penso dei motori a vapore già l'ho scritto tempo addietro ... ora sto cercando di capirne un po' da voi e sto cercando di farmi un'idea attraverso altre fonti.
Per ora mi viene strano pensare che con poco salto termico si ottenga qualcosa di paragonabile o definibile rendimento che possa rendere plausibile anche solo lo sforzo di mettersi all'opera.
E poi chissà che il giocattolo non abbia la necessità di materiali ceramici e tolleranze da paura sennò siam rovinati ... ma è presto per me per pronunciarmi seriamente ... queste sono solo umili sensazioni.
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