Nei post precedenti abbiamo visto che il motore di Manson free piston può essere realizzato in configurazione a doppio effetto.
Interessanti varianti a doppio effetto sono naturalmente possibili anche per il motore di Cayley esotermico.
L'animazione che segue ne illustra una versione.
Al centro si trovano le due camere calde di colore rosso. Le camere fredde si trovano ai lati e sono di colore blu.
Si notino le scanalature presenti nel cilindro rosso che permettono lo scambio di gas fra i due motori quando il pistone si trova ai punti morti.
I rigeneratori di calore sono contenuti nei due steli tubolari che collegano i pistoni freddi al pistone caldo. Il gas entra ed esce dai rigeneratori passando per i fori sullo stelo in vicinanza dei pistoni.
I due elementi di colore grigio hanno due funzioni. La prima è quella di isolare termicamente la zona centrale calda dalle zone laterali fredde. La seconda è quella di dare tenuta pneumatica fra stelo tubolare ed elemento grigio che non è comunque critica in quanto separa due zone alla stessa pressione (poichè sono in comunicazione attraverso lo stelo tubolare).
Quando il pistone è completamente a sinistra, la molla a gas di sinistra è compressa mentre quella di destra è espansa e pertanto è presente una spinta sul pistone che tende a spostarlo verso destra. La pressione nei due motori è uguale perchè le scanalature sul cilindro rosso effettuano il by-pass del pistone. Il pistone perciò inizia a muoversi verso destra.
Dopo l'interruzione del by-pass il motore di sinistra inizia il processo di espansione con pressurizzazione, quello di destra la fase di compressione con depressurizzazione. Compare pertanto una differenza di pressione fra i due motori che dà ulteriore spinta verso destra al pistone.
A metà corsa le due molle a gas sono alla stessa pressione e pertanto non hanno effetto sul pistone, ma la differenza di pressione fra i due motori consente al pistone di proseguire il suo movimento verso destra.
La molla a gas di destra si comprime, quella di sinistra si espande e compare una forza opposta a quella pressoria del gas contenuto nei due motori.
All'apertura del by-pass di destra, il motore di sinistra scarica gas in quello di destra attraverso il by-pass, e il gas passa attraverso il rigeneratore di destra.
L'annullamento della differenza di pressione permette alle molle a gas di frenare prima e invertire poi il moto del pistone.
Dopo l'interruzione del by-pass il motore di destra inizia il processo di espansione con pressurizzazione, quello di sinistra la fase di compressione con depressurizzazione. Compare pertanto una differenza di pressione fra i due motori che dà ulteriore spinta verso sinistra al pistone.
A metà corsa le due molle a gas sono alla stessa pressione e pertanto non hanno effetto sul pistone, ma la differenza di pressione fra i due motori consente al pistone di proseguire il suo movimento verso sinistra.
La molla a gas di sinistra si comprime, quella di destra si espande e compare una forza opposta a quella pressoria del gas contenuto nei due motori.
All'apertura del by-pass di sinistra, il motore di destra scarica gas in quello di sinistra attraverso il by-pass, e il gas passa attraverso il rigeneratore di sinistra.
L'annullamento della differenza di pressione permette alle molle a gas di frenare e invertire nuovamente il moto del pistone e il ciclo si ripete.
E' importante notare che il problema della tenuta sul pistone caldo caratteristica del motore di Cayley monoeffetto si ridimensiona notevolmente nella versione a doppio effetto in quanto eventuali trafilamenti di gas non vengono persi nell'ambiente, ma si riversano nell'altro motore.
Concludiamo osservando che questa versione, come diverse altre già proposte in questo blog, non ha tenute dinamiche in contatto con l'esterno e presenta pertanto il vantaggio di essere pressurizzabile a piacere.
Interessanti varianti a doppio effetto sono naturalmente possibili anche per il motore di Cayley esotermico.
L'animazione che segue ne illustra una versione.
Al centro si trovano le due camere calde di colore rosso. Le camere fredde si trovano ai lati e sono di colore blu.
Si notino le scanalature presenti nel cilindro rosso che permettono lo scambio di gas fra i due motori quando il pistone si trova ai punti morti.
I rigeneratori di calore sono contenuti nei due steli tubolari che collegano i pistoni freddi al pistone caldo. Il gas entra ed esce dai rigeneratori passando per i fori sullo stelo in vicinanza dei pistoni.
I due elementi di colore grigio hanno due funzioni. La prima è quella di isolare termicamente la zona centrale calda dalle zone laterali fredde. La seconda è quella di dare tenuta pneumatica fra stelo tubolare ed elemento grigio che non è comunque critica in quanto separa due zone alla stessa pressione (poichè sono in comunicazione attraverso lo stelo tubolare).
Quando il pistone è completamente a sinistra, la molla a gas di sinistra è compressa mentre quella di destra è espansa e pertanto è presente una spinta sul pistone che tende a spostarlo verso destra. La pressione nei due motori è uguale perchè le scanalature sul cilindro rosso effettuano il by-pass del pistone. Il pistone perciò inizia a muoversi verso destra.
Dopo l'interruzione del by-pass il motore di sinistra inizia il processo di espansione con pressurizzazione, quello di destra la fase di compressione con depressurizzazione. Compare pertanto una differenza di pressione fra i due motori che dà ulteriore spinta verso destra al pistone.
A metà corsa le due molle a gas sono alla stessa pressione e pertanto non hanno effetto sul pistone, ma la differenza di pressione fra i due motori consente al pistone di proseguire il suo movimento verso destra.
La molla a gas di destra si comprime, quella di sinistra si espande e compare una forza opposta a quella pressoria del gas contenuto nei due motori.
All'apertura del by-pass di destra, il motore di sinistra scarica gas in quello di destra attraverso il by-pass, e il gas passa attraverso il rigeneratore di destra.
L'annullamento della differenza di pressione permette alle molle a gas di frenare prima e invertire poi il moto del pistone.
Dopo l'interruzione del by-pass il motore di destra inizia il processo di espansione con pressurizzazione, quello di sinistra la fase di compressione con depressurizzazione. Compare pertanto una differenza di pressione fra i due motori che dà ulteriore spinta verso sinistra al pistone.
A metà corsa le due molle a gas sono alla stessa pressione e pertanto non hanno effetto sul pistone, ma la differenza di pressione fra i due motori consente al pistone di proseguire il suo movimento verso sinistra.
La molla a gas di sinistra si comprime, quella di destra si espande e compare una forza opposta a quella pressoria del gas contenuto nei due motori.
All'apertura del by-pass di sinistra, il motore di destra scarica gas in quello di sinistra attraverso il by-pass, e il gas passa attraverso il rigeneratore di sinistra.
L'annullamento della differenza di pressione permette alle molle a gas di frenare e invertire nuovamente il moto del pistone e il ciclo si ripete.
E' importante notare che il problema della tenuta sul pistone caldo caratteristica del motore di Cayley monoeffetto si ridimensiona notevolmente nella versione a doppio effetto in quanto eventuali trafilamenti di gas non vengono persi nell'ambiente, ma si riversano nell'altro motore.
Concludiamo osservando che questa versione, come diverse altre già proposte in questo blog, non ha tenute dinamiche in contatto con l'esterno e presenta pertanto il vantaggio di essere pressurizzabile a piacere.
interessante la disposizione geometrica del motore, si presta molto bene ad una costruzione semplificata, ma poi, la possibilità di mettere il corpo caldo centrale, all'interno della camera di combustione di una stufa, e i laterali all'esterno di essa.
RispondiEliminae in più sui laterali c'è la possibilità di mettere due generatori lineari in modo semplice..
supponiamo che riesco ad avere una temperatura di 450° sul corpo caldo.. rendimenti del sistema?
Ciao Alex,
Eliminaquella che descrivi è proprio una delle applicazioni che avevo immaginato.
Mi fa un po' paura la sollecitazione termica dei materiali a 450°C.
Ma se i materiali utilizzati per la costruzione reggono bene questa temperatura e costano poco (ricordo la necessità di non sforare il costo di 1euro/W altrimenti il motore non si ripaga più) potrebbe diventare interessante.
Per quanto riguarda la resa a 450°C, considerando una temperatura fredda di 50°C e un'efficienza del rigeneratore di calore dell'80%, il rendimento termomeccanico del motore viene massimizzato quando il rapporto fra superficie calda e superficie fredda è pari a 1,67 e risulta del 19% (sale al 25,7% con efficienza del rigeneratore al 90%).
Ciao Yuz, bene !
RispondiEliminaMa permettimi alcune considerazioni "collaterali".
Ci sono tre tenute critiche che devono essere perfette, di cui due fredde e una calda.
Sulle tenute fredde possono essere applicati elementi non rigidi e servono a garantire il necessario effetto molla, mentre sulla tenuta calda centrale, altrettanto importante per il rendimento, proprio per la presenza della scanalature, la tenuta deve essere assolutamente rigida.
Portare a spasso il dislocatore come si vede in questa configurazione, aumenta il peso complessivo e l'inerzia di tutta la parte mobile, probabilmente a scapito della velocità di oscillazione.
Inoltre il tubo dislocatore che passa dalla parte fredda a quella calda e viceversa potrebbe provocare un Bypass Termico infruttuoso, anche se è tutto da quantificare.
Devo però ammettere che il tubo dislocatore così concepito facilità gli scambi termici del gas.
L'alternativa prevederebbe un rigeneratore fisso collocato dentro la parete grigia e la sostituzione del tubo dislocatore con un'asta di materiale non rigido, cosa che favorirebbe la centratura dinamica dei tre pistoni.
Ciao Rampa,
Eliminagiuste le osservazioni.
La necessità di centratura dei tre pistoni è uno dei punti deboli di questo motore.
Degli steli non troppo rigidi permettono di ovviare al problema, ma bisogna stare attenti a non esagerare perchè per metà del ciclo lavorano in compressione.
Buono il suggerimento del rigeneratore nella zona grigia che permette di renderlo statico e quindi di alleggerire la parte oscillante. E' un indizio che anticipa la prossima versione che avevo in programma di proporre nel blog.
@Yuz
EliminaCiao Yuz, innanzi tutto complimenti per il blog. La chiarezza con cui tratti determinati argomenti è disarmante e lascia poco spazio a commenti e domande.
@Rampa
Ciao Rampa, mi ha incuriosito il tuo commento:
Inoltre il tubo dislocatore che passa dalla parte fredda a quella calda e viceversa potrebbe provocare un Bypass Termico infruttuoso, anche se è tutto da quantificare.
Devo però ammettere che il tubo dislocatore così concepito facilità gli scambi termici del gas.
cosa intendi dire con queste frasi? Prima parli di un rischio di by-pass termico e poi dici che l'idea è buona.
Mi sembra che gli scambi termici del rigeneratore allungato fossero già stati presentati come soluzione per migliorare l'efficienza del rigeneratore e convengo con te nel fatto che avendo lo stelo più lungo con all'interno il rigeneratore il gas subisca un maggiore riscaldamento/raffreddamento prima che il gas arrivi alla zona calda/fredda.
Ci deve essere qualcosa che mi sfugge!
Leonardo
@Leonardo
EliminaTi ringrazio per i complimenti.
Faccio del mio meglio per esporre chiaramente la materia, ma ricevendo pochi commenti di ritorno resto sempre con il dubbio di non aver reso comprensibili idee e concetti.
@Leonardo
RispondiEliminaMi spiego meglio.
Il tubo che contiene gli elementi del rigeneratore, viste le alte temperature in gioco, per forza di cose deve essere metallico, quindi con ampia conducibilità e capacità di assorbimento termiche.
Durante la dislocazione calda il tubo metallico (raffreddato perchè era contenuto nella camera fredda), entra nella camera calda e ne sottrae inutilmente calore, che poi ricedrà nella dislocazione fredda.
Gli elementi del rigeneratore invece cedono calore al gas nella fase calda, e lo riassorbono durante la fase fredda come è giusto che sia.
Purtroppo il tubo metallico lavora in senso termico opposto rispetto agli elementi del rigeneratore, cioè gioca contro. Bisognerebbe che il rigeneratore fosse contenuto in un tubo fatto di materiale termodinamicamente inerte, ma viste le quantità di gas in gioco non penso che ci si riesca.
Il fori di uscita del tubo però offrono al gas una dislocazione migliore, nel senso che variano continuativamente il punto di uscita del gas, sia nella camera calda che nella fredda.
@Rampa
EliminaOk, penso di aver capito dov'era il problema. Tu probabilmente ti riferivi alla risposta di Yuz ad Alex visto che parli di alte temperature in gioco, ma penso che come le versioni che ho visto nei post più vecchi anche in questa si possa ipotizzare l'uso di temperature più basse ovviando così il doppio problema del peso dei materiali e del by-pass termico.
@Leonardo
EliminaLa tua ipotesi di funzionamento a bassa differenza di temperatura (LTD) per il motore di Cayley è corretta.
Ad alta temperatura il rendimento è più elevato, ma operare a temperature più basse offre diversi vantaggi.
Il primo è la riduzione dei problemi di tenuta a carico del pistone caldo.
Il secondo è la maggiore disponibilità di sorgenti termiche e al di sotto dei 200°C la possibilità di utilizzo di sistemi heat pipe per il trasporto di calore alla scambiatore caldo.
Inoltre, sempre al di sotto dei 200°C diventa possibile l'utilizzo di polimeri plastici leggeri ed economici per la realizzazione del pistone del motore.
Quanto scritto su "Il motore di Manson LTD" sui rendimenti teorici può essere esteso al motore di Cayley.