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giovedì 16 febbraio 2012

Il motore di Manson free piston - Episodio 09

Nel campo dei motori a combustione esterna è facile farsi prendere dall'entusiasmo perdendo il contatto con la realtà dei fatti.
In questo post verranno proposte una serie di considerazioni di carattere generale per cercare di ampliare la visione d'insieme e accentuare le capacità critiche nei confronti dell'analisi teorica affrontata fino a questo punto.

Iniziamo col definire un motore di dimensioni ragionevoli di cui verrà valutato il lavoro risultante e il fabbisogno termico. Di quest'ultimo verrà data un'idea tangibile traducendolo in quantità di combustibile consumata.

DATI MOTORE
Diametro pistone: 110 mm
Diametro dislocatore: 200 mm
Scalda/Sfredda: 1,434
Corsa pistone: 50 mm
Cilindrata: 1571 cm3

CONDIZIONI OPERATIVE
Temperatura fredda: 50°C
Temperatura calda: 400°C
Pressurizzazione: 1 atm = 101.325 Pa

PRESTAZIONI
Lavoro utile per ciclo: 18,0 J
Energia termica assorbita per ciclo: 59,5 J
Rendimento teorico: 30,2%

Vogliamo a questo punto quantificare in modo più concreto a cosa corrispondono i 59,5J di energia termica assorbita convertendoli in massa di legna da ardere.
Il potere calorico della legna asciutta di buona qualità è di 14.600kJ/kg corrispondenti a circa 3.500kcal/kg.
Dalla combustione di 1 grammo di legna si liberano 14,6kJ=14.600J di energia termica sufficienti (almeno in teoria) a fare funzionare il motore per 14.600J/59,5J=245 cicli.

In questo blog è stato scelto di utilizzare il Joule (simbolo J) come unità di misura per il lavoro e per tutti i tipi di energia, compresa quella termica, in accordo con quanto stabilito dal Sistema Internazionale. La scelta potrebbe apparire insolita perchè è pratica molto comune esprimere l'energia termica in calorie (simbolo cal).
L'esistenza di diverse unità di misura per una stessa grandezza fisica è la regola e non l'eccezione. Il motivo della diversità ha origini storico/geografiche e solo il tempo permetterà l'unificazione delle unità di misura a ogni livello in tutto il mondo.
L'adozione di un'unità di misura comune per l'energia e per il lavoro trova motivazione anche nella volontà di esprimere la loro equivalenza evitando in questo modo anche le inutili complicazioni dovute alle conversioni fra le diverse unità.
Comunque, ove possibile, i risultati verranno riportati anche nelle unità di misura tradizionali per agevolare al massimo la comprensione.

Nella sezione "PRESTAZIONI" sono stati quantificati lavoro ed energia.
Stabilendo una frequenza di pulsazione, cioè il numero di cicli effettuati nell'unità di tempo, è possibile calcolare la potenza, cioè l'energia termica fornita e il lavoro prodotto nell'unità di tempo.

Anche in questo caso è stato scelto di seguire le disposizioni del Sistema Internazionale esprimendo la frequenza in hertz (simbolo Hz o anche s-1) anche se in ambito motoristico la regola sarebbe stata quella di utilizzare le rotazioni per minuto (simbolo rpm).

Il vantaggio di utilizzare l'hertz come unità di misura della frequenza e il Joule come unità di misura dell'energia e del lavoro appare lampante dalla semplicità della seguente relazione

Potenza = Lavoro o Energia * Frequenza

in cui la potenza risulta espressa in Watt (simbolo W) quando il lavoro o l'energia vengono espressi in Joule e la frequenza in hertz.

Ritornando all'esempio, a 1Hz (60rpm) il motore svilupperà una potenza meccanica di 18W con un assorbimento termico di 59,5W. A 10Hz (600rpm) le due grandezze saranno 10 volte maggiori.
Ricordiamo che pressurizzando è possibile ottenere potenze meccaniche maggiori a parità di rendimento teorico.

I motori a combustione esterna trovano applicazione soprattutto nell'ambito della cogenerazione elettrica.
Per il funzionamento del motore di Manson sono necessarie temperature facilmente raggiungibili con molti tipi di combustibile (legna, pellet, cippato, mais, granaglie, ...).
Ma la prima valutazione da fare è l'efficienza a cui l'impianto cogenerativo diventa economicamente vantaggioso.
L'energia elettrica della rete costa 0,15-0,20euro/kWh dove 1kWh = 3.600kJ.
Il prezzo della legna varia da 0,10 a 0,15 euro/kg con un potere calorico di 14.600kJ/kg = 4kWh/kg.
Dai dati sopra, nella migliore delle ipotesi è sufficiente un rendimento pari a

rendimento per pareggio costi = prezzo combustibile / [ potere calorico * prezzo energia elettrica ] =
= 0,10 euro/kg / [ 4kWh/kg * 0,20 euro/kWh ] = 0,125 (12,5%)

nell'ipotesi peggiore

rendimento per pareggio costi = prezzo combustibile / [ potere calorico * prezzo energia elettrica ] =
= 0,15 euro/kg / [ 4kWh/kg * 0,15 euro/kWh ] = 0,25 (25%)

Concludiamo con una considerazione che dovrebbe mettere in guardia da ingiustificati entusiasmi.
Anche se il motore di Manson free piston dell'esempio presenta un rendimento teorico del 30,2% quindi superiore a quello necessario per rendere il sistema economicamente vantaggioso, nella realtà il rendimento risulterà sicuramente sempre molto più basso a causa delle inevitabili perdite presenti nella situazione reale (inefficienza della caldaia, attriti, perdite fluidodinamiche, inefficienza del rigeneratore di calore, by-pass termici, inefficienza dell'alternatore, ...).
Nel conteggio si è intenzionalmente valutata solo la produzione di energia elettrica e in questo caso difficilmente sarà possibile ottenere un reale vantaggio economico se il combustibile ha il costo dichiarato (se invece costa meno o è addirittura gratis la situazione diventa molto più favorevole).
Ma allarghiamo la visione d'insieme per cogliere le reali possibilità offerte dalla combustione esterna.
La temperatura fredda operativa di 50°C adottata nell'esempio permette infatti anche la produzione di acqua calda per uso sanitario e per il riscaldamento.
In questo caso il vantaggio economico diventa subito apprezzabile e l'uso di un motore semplice ed essenziale come il motore di Manson può realmente costituire un'opportunità.

8 commenti:

  1. Caro Yuz, sono d'accordo: il rapporto tra costo-termico e costo-elettrico espresso in %, come hai fatto tu in questo post, indica con quale rendimento minimo un motore termico debba funzionare per raggiungere il pareggio economico.
    E questo è un costo gestionale puro e semplice: ma anche il motore costa, abbisogna pure di una minima manutenzione e ha una durata di vita non illimitata.
    Da qui la necessità di rivolgersi a soluzioni costruttive molto semplici e quindi economiche che garantiscano durate molto lunghe.
    Probabilmente è questo l'aspetto da privilegiare nella scelta per una cogenerazione, altrimenti si rischia di non arrivare mai ad ammortizzare l'impianto, anche avendo il calore praticamente gratuito.
    In questo senso, mi pare che il motore di Manson da te presentato corrisponda abbastanza ai canoni richiesti.

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    1. Il tuo intervento allarga la visione d'insieme e mette a fuoco uno degli aspetti che a mio parere ha impedito la diffusione dei motori a combustione esterna.
      Il costo dell'impianto deve avere tempi di ammortamento ragionevoli.
      Non ha senso costruire apparecchiature la cui durata non è nemmeno sufficiente per recuperare l'investimento.
      L'obiettivo primario deve essere l'economicità del motore. Se il motore non può avere un costo ragionevole non ha neanche senso iniziare.
      Il motore di Manson free piston è caratterizzato da una notevole semplicità costruttiva e potrebbe avere le carte in regola per soddisfare il requisito economico.

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  2. Encomio per aver utilizzato il sistema internazionale (applause!!!).

    Effettivamente è l'ora di inizare a passare al mondo reale...purtroppo un 25% di rendimento credo sia davvero difficile, almeno in una realizzazione amatoriale (bruciatore:0.8 - alternatore lineare (!!!) 0.8, perdite meccaniche 0.9 ci ritroviamo già al 17.4%) anche se auspicabile.

    -D-

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    1. Concordo con quello che scrivi.
      Scopo del post è proprio quello di mettere in guardia da falsi entusiasmi.

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  3. La magica formuletta, del resto molto semplice, può essere applicata per qualsiasi tipo di carburante e per ogni genere di motore, anche quello a combustione interna.
    L'espressione del numero in % indica non il rendimento minimo del motore puro e semplice, ma di tutto l'apparato di conversione, compresa la dinamo ecc ecc.
    Sarebbe interessante allestire una tabella che mostri i rendimenti minimi degli apparati di conversione termo-elettrica per arrivare al pareggio.

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    1. Ciao Rampa,
      il tuo commento mi ha motivato a fare una ricerca sulle possibili fonti energetiche.
      Ne ho ricavato una tabella che viene visualizzata a fianco del post in cui è riportato il costo indicativo al kWh.
      Se tu o qualche lettore ne suggerite altre, le aggiungerò alla lista.

      Il rendimento per il pareggio dei costi è dato dal rapporto fra il prezzo della fonte utilizzata e quello della corrente elettrica del proprio gestore.

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  4. Ciao Yuz, ho visto la tabella che hai preparato; è illuminante per certi versi:

    Intanto ho notato che scaldarsi a pompa di calore (PDC) con COP di 4 usando energia elettrica, costa come bruciare legna nella stufa. Non è così intuitiva la cosa e non da tutti è accettata.
    Ricordo che la PDC separa il calore, ne toglie cioè ad un fluido raffreddandolo/scartandolo e ne cede ad un altro riscaldandolo/utilizzandolo. La separazione avviene per poche decine di gradi, sufficienti però a rendere confortevole la nostra abitazione. Il procedimento è tanto più favorevole (scalda meglio) quanto più è elevata la temperatura del fluido da raffreddare/scartare, ovviamente.
    La PDC in estate climatizzerà le nostre abitazioni con processo inverso e la resa sarà tanto migliore quanto più freddo è il fluido che dobbiamo riscaldare/scartare.
    Lascio solo immaginare quali siano i vantaggi se si riuscisse a conservare il liquido di scarto freddo dell'inverno per riutilizzarlo in estate, e viceversa.

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    1. scaldarsi con una pompa di calore ha anche un altro vantaggio considerevole, che è l'ottima distribuzione del calore nell ambiente in modo omogeneo..

      bruciare legna purtroppo fa si che il calore è troppo nell ambiente dove è situato il camino,(con uno spreco enorme) e le stanze distanti completamente fredde..

      invece con una sistema PDC avendo gli split in ogni stanza, noi possiamo modulare e riscaldare in modo ottimale la temperatura che più ci aggrada in quel momento..

      anche le stesse stufe a pellet così tanto di moda, hanno lo stesso problema, anche se hanno un rendimento superiore ad una semplice stufa a legna.. ma non facciamoci fuorviare da questo, perchè se uno sa giocare bene con le prese d'aria della stufa, questo divario cala drasticamente..

      anche se la PDC avesse un cop di 3 comunque conviene alla legna, non dimentichiamoci che il focolare, và gestito in un certo modo per essere efficiente, e poi la fastidiosa manutenzione per pulizia cenere..

      daikin propone PDC con cop addirittura di 4,4 dai costi spropositati però..

      se si riuscisse a rendere costante il cop di una semplice PDC anche con temp ch e scendono sotto lo 0 sarebbe molto vantaggioso anche con inverni rigidi..

      uno scambiatore ad acqua sarebbe l'ideale...

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Puoi scrivere qui eventuali richieste di chiarimenti, perplessità o il tuo parere su quanto esposto / Please, write here questions, doubts or your opinion on the post

INDICE DEI CONTENUTI

I. GENERAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA
30. Considerazioni sulla generazione elettrica
90. Analisi economica sulla cogenerazione domestica
26. L'alternatore lineare

II. GAS IDEALI: DALLE TRASFORMAZIONI AI MOTORI
1. L'equazione di stato dei gas perfetti: istruzioni per l'uso
3. P·V=n·R·T: considerazioni laterali
13. La trasformazione isocora
14. La trasformazione isoterma
15. La trasformazione isobara
16. La trasformazione adiabatica
65. La trasformazione isoentalpica
83. Confronto fra i processi isotermici e i processi isoentropici
2. Trasformazioni isocore e trasformazioni isobare: considerazioni sugli scambi energetici
4. Trasformazioni isoterme e trasformazioni adiabatiche: considerazioni sugli scambi energetici
74. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 1
75. Efficienza di un compressore commerciale - Episodio 2
76. Lavoro massimo ottenibile dall'aria compressa
91. Energia potenziale meccanica di un gas
5. Il ciclo di Carnot
12. Il trasferimento del calore
6. Il rigeneratore di calore
7. Il rigeneratore di calore - Parte seconda
28. Il rigeneratore di calore: basi teoriche
29. Dimensionamento del rigeneratore di calore
8. Il ciclo di Stirling
9. Efficienza del rigeneratore di calore e rendimento del ciclo di Stirling
10. Il ciclo di Brayton
11. Ciclo di Brayton: considerazioni su rendimento e lavoro utile
17. Il motore di Cayley free piston - Episodio 01
18. Il motore di Cayley free piston - Episodio 02
19. Il motore di Cayley free piston - Episodio 03
20. Il motore di Cayley free piston - Episodio 04
21. Il motore di Cayley free piston - Episodio 05
22. Il motore di Cayley free piston - Episodio 06
23. Il motore di Manson free piston - Episodio 07
24. Il motore di Manson free piston - Episodio 08
25. Il motore di Manson free piston - Episodio 09
27. Efficienza del rigeneratore e rendimento del motore di Manson
31. Il motore di Manson free piston - Episodio 10
32. Il motore di Manson free piston - Episodio 11
33. Il motore di Manson free piston a doppio effetto
34. Il motore di Manson LTD
35. Stufa con recupero termico
37. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto
38. Il motore di Cayley free piston a doppio effetto - Seconda versione
39. Motore di Cayley e motore di Manson: considerazioni laterali
85. Falsi motori

III. DALL'ACQUA AL VAPORE
36. L'heat pipe
40. La tensione di vapore dell'acqua
41. Gli scambi termici dell'acqua liquida
42. Gli scambi termici nella vaporizzazione dell'acqua
43. Gli scambi termici dell'acqua a pressione costante
44. Cp dell'acqua vaporizzata: considerazioni laterali
45. La densità dell'acqua
46. Densità del vapore acqueo: considerazioni laterali
47. Il ciclo isobaro-isocoro del vapore
48. Entalpia ed energia interna
49. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 01
50. L'espansione adiabatica del vapore saturo - Episodio 02
51. Il ciclo Rankine del vapore saturo
52. Il ciclo Rankine del vapore surriscaldato
53. L'espansione adiabatica del vapore nel diagramma di Mollier
54. Il Colibrì
55. Raccolta di link sui motori Uniflow
56. Motore a vapore con distributore a cassetto
58. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo A
59. Colibrì free piston a doppio effetto di tipo B
60. Il ciclo termodinamico del Colibrì
61. Il Colibrì a vapore
62. Il lavoro di pompaggio nel Colibrì a vapore
63. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine
64. Colibrì Vs Uniflow Vs Rankine: considerazioni laterali
66. La trasformazione isoentalpica del vapore
67. Energia potenziale meccanica dei gas
68. Energia potenziale meccanica dei gas - Seconda Parte
69. L'energia potenziale meccanica del vapore saturo
70. Efficienza termomeccanica del vapore saturo
71. Efficienza termomeccanica del vapore surriscaldato
72. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 1
73. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 2
77. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 3
86. Il Colibrì è in realtà un leone
88. Ricerche sull'anteriorità del lion-Powerblock
89. The Una-flow Steam-engine (1912)
92. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 4
93. The Una-flow Steam-engine - Capitolo I
94. Colibrì monoeffetto biellato - Episodio 5
97. Il Colibrì – Descrizione dell’Idea
98. Il Colibrì – Contesto Commerciale
99. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE I
100. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE II
101. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE III
102. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE IV
103. Il Colibrì – La Tecnologia - PARTE V
104. Il Colibrì – Campi di Applicazione
105. Il Colibrì – Punti di Forza
106. Il Colibrì – Svantaggi

IV. RICERCA DI FRONTIERA
57. Considerazioni economiche sull'E-cat di Andrea Rossi
78. Dal compressore elettrochimico al catodo cavo di Arata/Celani
84. Il mondo non viene assimilato; viene fatto - Sir Karl Raimund Popper (1902 - 1994)
87. Speculazioni, azzardi e previsioni sulla fusione fredda
96. E-Cat e dintorni
107. E-Cat e dintorni
109. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Introduzione
110. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Il ciclo operativo
111. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Contributo al COP delle varie fasi del ciclo
112. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulla termodinamica e sulla cinetica
113. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sui requisiti termici e sulle tempistiche
114. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sull’importanza del rapporto fra la superficie e il volume del metallo
115. La ganascia termica nella generazione di calore anomalo - Sulle critiche al COP>2 e alla perdita di controllo della reazione
116. Teoria per l'unificazione della materia e della radiazione
117. Considerazioni laterali sulla radiazione elettromagnetica
118. Il propulsore fotonico
119. Materia e radiazione elettromagnetica: consigli per la ricerca
120. Scienza Laterale e Spazionica uniti nella ricerca
121. Dalla relazione di Einstein alla massa radiante
122. Considerazioni sulla relazione di Einstein
123. Fusione nucleare calda o fusione nucleare fredda?
124. Hot nuclear fusion or cold nuclear fusion?
125. Stima del cammino libero medio
126. Mean free path evaluation
127. Dematerializzazione
128. Dematerialisation
129. Carica elettrica relativistica
130. Relativistic electric charge
131. Ragionamenti sulla carica elettrica relativistica
132. Reasoning on the relativistic electric charge
133. Conduzione elettrica nei gas
134. Electric flow in gases
135. Caricamento dell'idrogeno sui metalli