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mercoledì 8 febbraio 2012

Il motore di Manson free piston - Episodio 07

Nei primi 6 episodi sono state presentate e analizzate versioni free piston a combustione esterna del motore di Cayley. La trattazione si è conclusa con la considerazione che uno dei limiti costruttivi più evidenti di questo motore è la tenuta del pistone caldo.
In questo post vedremo che esiste il modo per evitarla conservando contemporaneamente i vantaggi della rigenerazione termica.

Poichè la modifica costruttiva da effettuare rimuove la somiglianza strutturale con il motore di Cayley (e quello di Ericsson), le varianti senza tenuta calda saranno identificate come motori di Manson.
Per rimarcare la continuità con i precedenti post, la numerazione degli episodi indicata nel titolo è stata mantenuta nonostante la variazione del nome del motore.

L'animazione che segue è relativa ad un motore di Manson free piston con rigenerazione termica completa.


Il corpo mobile di questo motore è composto da due elementi fra loro solidali: il pistone e il dislocatore.
Il pistone è il pezzo inferiore. Dal suo accoppiamento con il cilindro dipende la tenuta pneumatica del motore e trattandosi di una tenuta fredda può essere realizzata in modo ottimale.
Il dislocatore è il pezzo superiore ed è responsabile dello spostamento del gas da una camera all'altra, la sua tenuta non è importante come la precedente per due motivi.
Il primo è che il dislocatore separa due camere con la stessa pressione e quindi eventuali trafilamenti saranno sempre molto ridotti.
Il secondo motivo è che il gas trafilato non sfugge dal motore, ma resta al suo interno.

Anche se dal punto di vista termodinamico il ciclo di Manson è identico a quello di Cayley, il diverso arrangiamento costruttivo richiede un discreto sforzo mentale per capire come cambia il volume per effetto dello spostamento del pistone.
In questo motore il volume aumenta quando il pistone scende, diminuisce quando il pistone sale.
Per poter trasferire al motore di Manson le formule individuate per il motore di Cayley bisogna ridefinire il concetto di superficie calda e di superficie fredda.
In questo caso per superficie calda si intende la superficie superiore del dislocatore mentre la superficie fredda viene ridefinita come differenza fra la superficie calda e la superficie del pistone

Sfredda = Scalda - Spistone

da cui

Scalda / Sfredda = Scalda / ( Scalda - Spistone )

Quest'ultima relazione mostra che per aumentare il rapporto fra la superficie calda e la superficie fredda bisogna aumentare la superficie del pistone.

Un esempio chiarisce meglio l'idea.

Ipotizziamo che il dislocatore abbia un diametro di 100mm (raggio: 50mm) e che il diametro del pistone sia pari a 40mm (raggio: 20mm)

Scalda = 50mm * 50mm * pi.greco = 7.854 mm2 = 78,54 cm2
Spistone = 20mm * 20mm * pi.greco = 1.257 mm2 = 12,57 cm2
Sfredda = Scalda - Spistone = 78,54 cm2 - 12,57 cm2 = 65,97 cm2
Scalda / Sfredda = 1,19

Ora ricalcoliamo le varie grandezze con un pistone di diametro maggiore, per esempio pari a 50mm (raggio: 25mm)

Scalda = 50mm * 50mm * pi.greco = 7.854 mm2 = 78,54 cm2
Spistone = 25mm * 25mm * pi.greco = 1.963 mm2 = 19,63 cm2
Sfredda = Scalda - Spistone = 78,54 cm2 - 19,63 cm2 = 58,9 cm2
Scalda / Sfredda = 1,33

Il rapporto fra superficie calda e superficie fredda è passato da 1,19 con il pistone di diametro 40mm a 1,33 con il pistone di diametro 50mm.

Per quanto riguarda il rendimento abbiamo già visto che è valutabile usando la seguente relazione

rendimento = 1 - ( Sfredda / Scalda )

In base alla nuova definizione di Sfredda stabilita per il motore di Manson, la formula si riorganizza come segue

rendimento = 1 - ( Sfredda / Scalda ) =
= 1 - [ ( Scalda - Spistone ) / Scalda ] =
= 1 - [ 1 - ( Spistone / Scalda ) ] =
= Spistone / Scalda

Riprendendo i dati dell'esempio sopra si ha:

Diametro dislocatore: 100 mm
Diametro pistone: 40 mm

rendimento = Spistone / Scalda = 12,57 cm2 / 78,54 cm2 = 0,16 (cioè il 16%)

Diametro dislocatore: 100 mm
Diametro pistone: 50 mm

rendimento = Spistone / Scalda = 19,63 cm2 / 78,54 cm2 = 0,25 (cioè il 25%)

L'animazione proposta all'inizio è una schematizzazione estrema dell'idea di fondo, ma per valutare concretamente una possibile realizzazione il modello tridimensionale è indubbiamente più efficace.
L'animazione di seguito mostra un motore con rapporto fra superficie calda e superficie fredda pari a 1,333.



La versione Manson free piston di questo post sfrutta la spinta della molla a gas nella camera sotto al pistone per invertirne il moto dopo la fase di scarico e dopo la fase di aspirazione.
Questa camera deve ovviamente essere opportunamente dimensionata e pressurizzata.
Naturalmente la molla pneumatica può essere sostituita da una adeguata molla elicoidale. Questa molla dovrà lavorare in spinta dopo la fase di scarico (il pistone è in basso) e in trazione dopo la fase di aspirazione (il pistone è in alto).
A scanso di equivoci, anche il sistema biella-manovella è un'opzione applicabile a questo motore per convertire il moto oscillante in moto rotatorio, ma in questo caso non sarebbe più free piston.

Concludiamo il post con una riflessione.
Il motore di Manson viene proposto nel web in versioni senza rigenerazione termica.
Come per il Cayley dell'episodio 01 e dell'episodio 02, anche il rendimento di queste versioni è ovviamente estremamente modesto (pochi punti percentuali).
A mio avviso è stata l'ampia diffusione di queste proposte senza rigenerazione termica che ha fatto ingiustamente etichettare il motore di Manson come esempio di motore a basso rendimento.

11 commenti:

  1. Dho, avevo passato 20 min a scrivere un commento...e mi ha cancellato tutto :( ci riprovo...

    Ciao Yuz, e complimenti per la splendida sintesi e il lavoro di sviluppo,
    sto seguendo il tuo blog e i commenti su un forum da qualche tempo su indicazione di Alessandro, e finalmente trovo un attimo di tempo per scriverti. Purtroppo fra lavoro e altri impegni, non riesco a star dietro a tutte le novità del web, così mi affido ad amici più attenti di me.

    Bien, veniamo al motore: chiaramente stiamo parlando di rendimenti teorici, no? come in tutti i cicli!
    In ogni caso ha caratteristiche veramente interessanti (come la costanza di rendimento).
    Però vorrei ricordare a tutti che anche i cicli più comunemente usati nei motori c.i. "c.Otto" e "c.Diesel" hanno rendimenti teorici di tutto rispetto (grazie alle alte T) rispettivamente 35% e 45-50%. Poi da quelli al rendimento reale bisogna considerare tutta una serie di "perdite" o rendimenti intermedi, analizziamoli anche per questo motore:
    -Rendimento di combustione, solitamente nei ci, soprattutto se economici e a carburatori piuttosto scadente, solo l'avvento di approfonditi studi termofluidodinamici della camera di scoppio, e, soprattutto, l'iniezione elettronica (in tutte le sue derivazioni, multi-jet, common-rail per diesel ecc...) ha portato a risultati ottimi, in questo caso, però parliamo di combustione esterna, quindi praticametne facilmente ottimizzabile a piacere, al limite del teorico (vedi caldaie a condensazione), l'unica criticità rimarrà il dimensionamente dello scambiatore caldo. In ogni caso rimarrà un motore multi-combustibile...e in tempi come questi non è poco.
    -Rendimento meccanico, in "macchine" evolute, tipo generatori, o anche le nostre auto, è solitamente mooolto alto, il discorso è diverso per piccoli generatori, per esempio, dove si risparmia su tutto, compromettendo a volte anche l'affidabilità.
    Questo motore, essendo valveless, e free-piston, supera e minimizza in un colpo solo tutti questi problemi.
    - Rendimento elettrico, ecco, quà forse troviamo i più seri problemi, perchè, anche nei più economici generatori, l'alternatore, seppur scadente, ormai penso raggiunga tranquillamente l'80% di rendimento.
    In questo motore, volendo mantenere la configurazione free-piston, dovremo giocoforza utilizzare un alternatore lineare, che è una macchina ancora poco utilizzata, e se non ottimamente progettata porta rendimenti scadenti...

    che dici?

    in ogni caso questo motore mi ha veramente intrigato, se fossi interessato allo studio di un prototipo, contattami pure.

    -D-

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    1. Ciao Davide,
      ti ringrazio per i complimenti.

      I motori a combustione interna possono vantare rendimenti effettivi dal 35% al 50% perchè lavorano con temperature massime estremamente elevate. In questi motori si superano nettamente i 1000°C di temperatura massima e la cosa è possibile perchè si tratta di temperatura istantanea e non continua.
      Nei motori a combustione esterna già i 600°C (temperatura continua) costituiscono un limite praticamente invalicabile.

      La combustione esterna ha però un vantaggio incolmabile: consente l'indipendenza dal combustibile.
      Qualunque sorgente termica con temperatura sufficientemente elevata fa funzionare questi motori.
      E' possibile sfruttare il calore prodotto da reazioni di combustione con legna, carbonella, cippato (e chi più ne ha più ne metta), l'energia solare, l'energia geotermica, e perchè no, magari anche l'energia termica generata con qualche nuova reazione di fusione nucleare fredda di cui s'è tanto parlato nel web da un anno a questa parte.

      La versione di motore Manson free piston proposta nel post offre grandi potenzialità perchè è costruttivamente essenziale: due valvole a luce e una tenuta fredda.
      Per quanto riguarda i suoi rendimenti sottolineo che si tratta di rendimenti teorici con rigenerazione di calore ideale.

      Se l'obiettivo è la cogenerazione elettrica, l'alternatore lineare è la soluzione da preferire perchè consentirebbe di restare nella configurazione free piston.
      Ma va valutata con grande attenzione perchè, come dici tu, se non correttamente
      progettata offre dei rendimenti di conversione da energia meccanica a energia elettrica scadenti.
      L'alternatore lineare è un argomento poco conosciuto e sarà sicuramente oggetto di post futuri.

      In questo blog metto a disposizione le mie conoscenze ed è aperto al dialogo con tutti perchè le grandi idee non nascono mai da una mente sola. Benvenuto!

      Per il prototipo, sto valutando la possibilità di scrivere un post dedicato in cui fornire i disegni tecnici dei vari pezzi per la costruzione di un motore da 1000cc, ma non l'ho ancora fatto perchè il quadro è ancora incompleto ed è prematuro farlo ora.

      P.S. : Per il problema di cancellazione che hai avuto, consiglio di preparare il commento in locale sul tuo pc (per esempio in un file di testo), e poi di fare copia/incolla sul modulo del blog.

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  2. Complimenti per il post,dettagliato e chiarissimo come sempre!Aspetterò con ansi la pubblicazione dei dizegni!

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  3. Una curiosità :il pistone é tutt uno con il dislocatore:da dove riceve la spinta di lavoro?piú precisamente com é realizzato?
    É un tubo cavo o che altro?

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    1. Trovi tutte le risposte nei vari post già scritti.
      Segnalo che l'argomento ha avuto inizio come motore di Cayley e solo in seguito il nome è stato aggiornato al più corretto motore di Manson.
      I due link sottostanti permettono di consultare tutto il materiale.
      I post vengono purtroppo visualizzati in ordine inverso rispetto alla data di pubblicazione.

      Motore di Cayley
      Motore di Manson

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  4. Ok yuz,avd o gia letto piu volte i post ma la cosa che Non mi è chiara È la realizzazione fisica del pistone : Da dove prende la spinta di lavoro?
    È un cavo che sfocia alla base Del dislocatore?
    Oppure è Staccato da quest'ultimo Di qualche millimetro In modo che l aria possa fare forza sulla sua faccia inferiore?
    a riguardo in rete non si trova nulla apparte qualche video di bladeattila su YouTube ma che non spiega la costruzione.

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  5. Risposte
    1. Il Manson è un sistema semplice, ma rispetto allo Stirling presenta delle differenze che potrebbero renderlo controintuitivo.
      Nel Manson il movimento del pistone determina il dislocamento del gas e l'effetto termico dovuto alla dislocazione supera l'effetto volumetrico dovuto allo spostamento del pistone.

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  6. Invece trovo chiarissimo il principio di funzionamento: Il dislocatore é al pms,il pistone inizia la corsa verso il pmi e lo trascina con sé,nella corsa verso il basso l aria si riscalda ed espande spingendo il pistone. Al pmi si apre la luce di scarico che riporta la pressione interna al livello atmosferico,il pistone,spinto dalla molla a gas o dal volano inizia la risalita,l aria di raffredda e ,contraendosi,scende al disotto della pressione atmosferica,questo crea un risucchio del pistone verso l alto. Al pms la luce di immissione si apre e viene aspirata aria che fa aumentare la pressione interna ripirtandola al livello atmosferici e da qui il ciclo riparte. Secondo me, il motore manson puo erogare piu potenza di uno stirling anche se ha un rendimento (teorico) minore ,proprio perché lavora in 2 fasi: spinta come lo stirling e aspirazione come un motore a vuoto o succhia fiamma. Il ciclo reale di stirling infatti non é come il teorico ma diventa una sorta di ellisse un fagiolo schiacciato mentre nel manson rimane quasi identico al teorico.

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  7. Ne ho costruito uno ma non free piston.

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    Risposte
    1. Benvenuto FerrariniMotori,
      è possibile vedere foto o video della tua realizzazione?

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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