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domenica 4 novembre 2012

Il Colibrì a vapore

Abbiamo già visto che il ciclo termodinamico del Colibrì è composto da due trasformazioni adiabatiche e da due trasformazioni isocore.
In questo post vengono analizzate le prestazioni nel caso di alimentazione a vapore, anche se questo motore potrebbe sfruttare l'espansione dell'aria o in generale di qualunque gas.

DATI MOTORE
Colibrì free piston monoeffetto
Volume al PMI = VPMI = 100cc = 0,10 dm3
Volume al PMS = VPMS = 20cc = 0,02 dm3
Rapporto di compressione = 5:1

CONDIZIONI OPERATIVE
Fluido di lavoro: Vapore saturo a 10 bar (Temperatura di vaporizzazione: 179,9°C)
Pressione di alimentazione = PIniezione = 10 bar
Pressione allo scarico = PScarico = 1 bar (funzionamento atmosferico)

ANALISI
Entalpia del liquido saturo a 1 bar = HLiquido Saturo @ 1bar = 417,5 kJ/kg
Entalpia del vapore saturo a 10 bar = HVapore Saturo @ 10bar = 2777,1 kJ/kg
Densità del vapore saturo a 10 bar = ρVapore Saturo @ 10bar = 5,15 kg/m3

Di seguito il diagramma del ciclo nel piano P-V.


Pressione alla fine dell'espansione adiabatica: PFine Espansione Adiabatica = 1,6 bar

Frazione di vapore scaricato = { VPMS - [ ( PScarico * VPMIgamma ) / PIniezione ](1/gamma) } / VPMS =
= { 0,02 dm3 - [ ( 1 bar * ( 0,10 dm3 ) 1,138 ) / 10 bar ]( 1 / 1,138 ) } / 0,02 dm3 = 0,339 (33,9%)
ERRATA CORRIGE del 17/11/2012 (vedi nota alla fine del post)

Massa di vapore consumato per ciclo = mvap = Frazione di gas scaricato * VPMS * ρVapore Saturo @ 10bar =
= 0,339 * 0,02 dm3 * 5,15 kg/m3 = 0,03492 g

Calore fornito = mvap * ( HVapore Saturo @ 10bar - HLiquido Saturo @ 1bar ) =
= 0,03492 g * ( 2777,1 kJ/kg - 417,5 kJ/kg) = 82,4 J

Lavoro nell'espansione adiabatica = LAB = 28,8 J
Lavoro nella compressione adiabatica = LCD = - 18,0 J
Lavoro utile motore = LAB + LCD = 28,8 J - 18,0 J = 10,8 J

Rendimento = Lavoro utile motore / Calore fornito = 10,8 J / 82,4 J = 13,1%
Rendimento Rankine (massimo teorico con il vapore) = 16,6%
Rendimento di Carnot (massimo teorico per qualunque motore termico) = 17,7%

OSSERVAZIONI
Con una temperatura operativa calda di 180°C che permette di avere vapore saturo alla pressione di 10bar e in presenza di scarico atmosferico, il rendimento teorico di conversione termomeccanica del Colibrì risulta del 13,1%.
Poichè il rendimento di Carnot alle stesse condizioni di temperatura (Tcalda=179,9°C e Tfredda=99,6°C) vale il 17,7% significa che il motore strappa il 74,0% del massimo teorico.
Sempre a titolo di confronto, il rendimento del ciclo Rankine alle stesse condizioni è pari al 16,6%. In questo caso il Colibrì ne riesce ad estrarre il 78,9%.
Il lavoro utile per ciclo è di 10,8J, un valore modesto per un motore a vapore di 100cc di cilindrata che opera con alimentazione a 10bar.
Si tenga comunque presente che la potenza sviluppata, cioè il lavoro fatto nell'unità di tempo, dipende linearmente dalla frequenza di funzionamento.
Considerando le caratteristiche costruttive di questo motore è ragionevole ipotizzare che siano accessibili tranquillamente frequenze di funzionamento di almeno 50Hz (3000rpm) e in questo caso la potenza risulterebbe amplificata di 50 volte (10,8J * 50Hz = 540W).

CONCLUSIONI
Nel Colibrì si uniscono prestazioni di tutto rispetto a un dispositivo di estrema semplicità costruttiva.
Questa combinazione, assente nella maggior parte dei motori a combustione esterna, lo rende particolarmente interessante per un potenziale impiego pratico.


ERRATA CORRIGE del 17/11/2012
La formula precedentemente indicata per valutare la frazione di vapore scaricato era errata. Viene riportata di seguito per eventuali confronti.

Frazione di vapore scaricato = 1 - ( PScarico / PFine Espansione Adiabatica ) = 1 - ( 1 bar / 1,6 bar ) = 0,375 (37,5%)

Tutti i calcoli dipendenti sono stati rivisti e aggiornati.

2 commenti:

  1. Ciao Yuz,

    Le isocore sono sempre trasformazioni teoricamente irreversibili, cioè perdite secche.

    Nel ciclo di Stirling è possibile durante le isocore mantenere e cedere il calore delle isoterme attraverso il rigeneratore.

    Nel ciclo di Brayton ad adiabatica interrotta e nel ciclo di Ericsson (due isobare e due isocore), è possibile un recupero contro-termico nei gas di scarico.

    Nel caso del Colibrì, l'isocora BC è pur sempre una perdita minima ma è assolutamente indispensabile dato che ad essa è demandata la fuoriuscita del vapore espanso attraverso le valvole a luci finali.
    In pratica ci risparmia la costruzione e la movimentazione della valvola di scarico, il fulcro dell'idea Uniflow.

    Molto importante invece è la perdita termo-dinamica che avviene nell'isocora DA, quella che consente il riempimento del volume di vapore iniziale da espandere.
    Credo che questa possa raggiungere facilmente anche il 30% del ciclo teorico di Rankine.

    E' una rinuncia grave a cui si deve sottostare solo per seri e ponderati motivi, tanto più che una semplice movimentazione svincolata tra il pistone di espansione e il pistoncino valvolare del colibrì risolverebbe molto bene il problema.

    Sei veramente sicuro che si possa rinunciare a questa soluzione?

    RispondiElimina
    Risposte
    1. Ciao Rampa,
      mi sono accorto che nell'analisi proposta avevo erroneamente sovrastimato la quantità di vapore scaricato utilizzando una formula errata.
      Ora la situazione è ben diversa e perfino migliore di quella riscontrata in precedenza.
      Il Colibrì riesce a sfruttare il 78,9% del ciclo Rankine teorico.
      Della parte persa circa la metà è dovuta allo scarico uniflow.
      Conto di preparare un post dedicato all'argomento per chiarire meglio questi concetti che ritengo estremamente importanti.

      Confermo che svincolando il pistoncino dal pistone di potenza dovrebbe essere possibile sfruttare anche l'espansione isobara. Tuttavia la macchina si complica ed è verosimile che la frequenza di funzionamento debba essere più contenuta.

      Personalmente ritengo che non abbia molto senso "accanirsi" per recuperare il lavoro dell'espansione isobara, ma non escludo comunque che questo tipo di motore a valvola mobile possa essere l'argomento di un post futuro.

      Elimina

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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