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giovedì 12 aprile 2012

Il motore di Cayley free piston a doppio effetto

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.

9 commenti:

  1. 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.

    e 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?

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    1. Ciao Alex,
      quella 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%).

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  2. Ciao Yuz, bene !
    Ma 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.

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    1. Ciao Rampa,
      giuste 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.

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    2. @Yuz
      Ciao 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

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    3. @Leonardo

      Ti 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.

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  3. @Leonardo
    Mi 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.

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    1. @Rampa

      Ok, 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.

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    2. @Leonardo

      La 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.

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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