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Energia Alternativa ed Energia Fai Da Te > Motori termici, magnetici, elettrici, etc...

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Motore a Vapore Elettronico
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qqcreafis

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Inviato il: 28/1/2012,22:21

alla fine il rendimento sarà una lotta dura, dipenderà dal ciclo che si riuscirà a realizzare dalle temperature, e da tanto altro

Il surriscaldatore è un pezzo essenziale permetterà di aumentare il rendimento con l'espansione adiabatica e permetterà per quanto possibile di evitare condensazione nella camera di espansione, altrimenti si rimane al ciuf ciuf al 10%.



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ODE AD UNO STUDENTE MERITEVOLE (Sermone)
Allora Xyz è stato bravo! noi dobbiamo riconoscere che è stato molto bravo, bisogna dirlo !
In un mondo dove tutto SEMBRA uguale a tutto.
In un mondo dove chi abbruttisce la dignità dell’intelligenza umana si arroga meriti.
In un mondo in cui si dice che i giovani non hanno speranza perché “tanto non troveranno lavoro” perché tanto non “non avranno la pensione”.
Xyz è stato bravo! ha capito tutto, ha fatto un compito perfetto.
Xyz ci da una SPERANZA.
Xyz non ha seguito le falsità che ci circondano.
Xyz si è impegnato ed è riuscito nel suo intento.

 

kekko.alchemi

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Inviato il: 29/1/2012,03:44

CITAZIONE (exo @ 28/1/2012, 13:42)
Se tu a 10 bar hai un volume di 0.19 ed a 2.7 di circa 0.66 di fatto, nell'espansione, hai ceduto al pistone 7.3 bar corretto?

Ciao exo, scusami ma non ho capito bene ciò che intendevi... Cmq il discorso è semplice, se voglio aumentare il rendimento riduco il tempo di immissione del vapore e quindi aumento di conseguenza il tempo di espanzione del vapore, tutto a favore del rendimento. Aumentare la corsa del pistone non influenza il rendimento, ma il numero di giri e la coppia motrice. Con un motore a corsa lunga ho basso numero di giri e coppia elevata, con un motore a corsa corta ho alto numero di giri e bassa coppia. Il rendimento è pressochè lo stesso così come la potenza, quello che cambia però è il rapporto rendimento massimo/potenza nominale, ma il rendimento in se resta invariato a prescindere dalla cilindrata e dalla corsa del pistone.

CITAZIONE (Yuz @ 28/1/2012, 13:50)
DATI MOTORE
Cilindrata: 500cc = 0,0005mc
Carico vapore: 25% della corsa del pistone
Temperatura caldaia: 180°C = 453,15K
Pressione in caldaia: 9,9 atm = 1.003.117 Pa (pressione di vapore dell'acqua a 180°C)
Pressione allo scarico: 1 atm = 101.325 Pa (condensatore aperto)
Temperatura dell'acqua liquida all'immissione in caldaia: 100°C

Torno a dire che i dati stimati (non so da dove li hai presi faccine/smile.gif ) sono sbagliati, il surriscaldatore immetterà nel motore vapore a 230 °C e 9,5 Atm circa, lo espellerà ad una temperatura compresa fra 100 e 130 °C circa, e l'acqua di condensazione verrà immessa nella caldaia a circa 140-150 °C, questo grazie al caro preriscaldatore che nelle ultime locomotive era ben conosciuto e apprezzato.
Se applichi questi parametri vedrai che i conti tornano e il rendimento teorico sarà ben più alto di quello che hai stimato. faccine/smile.gif

CITAZIONE (qqcreafis @ 28/1/2012, 22:21)
alla fine il rendimento sarà una lotta dura, dipenderà dal ciclo che si riuscirà a realizzare dalle temperature, e da tanto altro

Il surriscaldatore è un pezzo essenziale permetterà di aumentare il rendimento con l'espansione adiabatica e permetterà per quanto possibile di evitare condensazione nella camera di espansione, altrimenti si rimane al ciuf ciuf al 10%.

Verissimo qq!! Abbiamo provato il motore con il vapore saturo, e non c'è paragone fa acqua da tutte le parti la quale ostacola il funzionamento dello stesso. Il vapore surriscaldato quasi non forma condense e sembra essere aria calda... Sono aspetti fondamentali senza i quali come hai detto si torna alle prime locomotive dove accendi il fuoco e parti. faccine/smile.gif

Saluti Kekko



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by kekko

 

Yuz
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Inviato il: 29/1/2012,17:32

Grazie Kekko per avermi segnalato la presenza del surriscaldamento del vapore, nella fretta me ne ero scordato.
I dati della pressione di vapore dell'acqua sono dati reperibili agevolmente sia nel web che in manuali specialistici (non so se ti riferivi a questi).
Le valutazioni dei lavori di volume e delle energie scambiate sono frutto di calcoli da me eseguiti.
Se serve posso riportare i dettagli delle formule. Non l'ho già fatto per evitare di appesantire eccessivamente il mio intervento.

In presenza di surriscaldamento, il problema si complica, ma è comunque ancora risolvibile.

Ora, dopo il primo 25% di corsa, ci sarà una prima fase di espansione adiabatica di vapore secco con gamma pari a 9/7 (il vapore surriscaldato si comporta come un gas poliatomico), seguita da una espansione adiabatica del vapore saturo con gamma pari a 1,1.

DATI MOTORE
Cilindrata: 500cc = 0,0005mc
Carico vapore: 25% della corsa del pistone
Temperatura caldaia: 180°C = 453,15K
Temperatura del vapore surriscaldato: 230°C = 503,15K
Pressione in caldaia: 9,9 atm = 1.003.117 Pa (pressione di vapore dell'acqua a 180°C)
Pressione del vapore surriscaldato: uguale a quella della caldaia
Pressione allo scarico: 1 atm = 101.325 Pa (condensatore aperto)
Temperatura dell'acqua liquida all'immissione in caldaia: 100°C

RISULTATI STIMATI
Quantità di acqua consumata per ciclo: 1.003.117 Pa * 0,25 * 0,0005mc / [ 503,15K * 8,314 J/(mol*K)] = 0,030 moli pari a 0,54 grammi
Energia per riscaldare 0,54 grammi di acqua liquida da 100°C a 180°C = 185 J (44,3 cal)
Energia per vaporizzare 0,54 grammi di acqua liquida a 180°C = 1087 J (259,8 cal)
Energia per surriscaldare 0,54 grammi di vapore da 180°C a 230°C = 135 J (32,2 cal)
Calore complessivo fornito: 185 J + 1087 J + 135 J = 1407 J (336,3 cal)
Lavoro utile nel primo 25% dell'espansione: 113 J
Lavoro utile nella fase di espansione adiabatica secca: 32 J
Lavoro utile nella fase di espansione adiabatica umida: 73 J
Pressione alla fine dell'espansione: 1,66 atm = 168.200 Pa
Lavoro utile complessivo per ciclo: 218J
Rendimento: 218 J / 1407 J = 0,155 = 15,5%

Con una velocità di rotazione di 189 rpm = 3,15 Hz la potenza meccanica sviluppata risulta essere

Potenza meccanica = 218 J * 3,15 Hz = 687 W

associata a un consumo termico di

Potenza termica in ingresso = 1407 J * 3,15 Hz = 4432W = 4,43kW

Nel caso di motore a doppio effetto, lavoro utile e calori scambiati (e quindi le potenze) raddoppiano, ma il rendimento teorico è sempre lo stesso (15,5%).

Per quanto riportato nel commento precedente, il surriscaldamento da 180°C a 230°C prima dell'immissione nel motore non solo non migliora il rendimento, ma sembra addirittura penalizzarlo (l'effetto è comunque estremamente modesto).

La potenza erogata e l'assorbimento termico restano fondamentalmente invariate.

Il primo vantaggio certo è la riduzione del 10% del consumo di acqua (0,54 grammi invece di 0,6 grammi).
Il secondo vantaggio, come da te riportato, è la riduzione della condensazione all'interno del motore.

Vorrei comunque puntualizzare il fatto che per il funzionamento a 180°C senza surriscaldamento, ottenere un rendimento del 16,8% è un risultato sorprendente perchè fra 180°C e 100°C il rendimento di Carnot è pari al 17,6%.

 

kekko.alchemi

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Inviato il: 29/1/2012,17:43

CITAZIONE (Yuz @ 29/1/2012, 17:32)
Temperatura dell'acqua liquida all'immissione in caldaia: 100°C

. . . .

Per quanto riportato nel commento precedente, il surriscaldamento da 180°C a 230°C prima dell'immissione nel motore non solo non migliora il rendimento, ma sembra addirittura penalizzarlo

Yuz, la temperatura di ingresso è di circa 140 - 150 °C, grazie all'utilizzo del preriscaldatore.

Per il fatto del surriscaldatore i conti non tornano. Ora non ho molto tempo perchè sto saldando la caldaia... Dopo metto conti più dettagliati, ma se il rendimento è dovuto da (T1 - T2)/T1*100, è chiaro che se aumenta T1 e T2 resta invariato il rendimento aumenta di conseguenza non può restare uguale. Il rendimento è dato principalmente dal delta T della temperatura di ingresso e quella di uscita.

Pensa solamente al fatto che da quando nelle locomotive fu introdotto il surriscaldatore furono tolti di mezzo i motori a triplice espanzione perchè il rendimento aggiunto dal surriscaldatore permetteva di avere con un monocilindro un rendimento uguale al triplice espanzione senza surriscaldatore. Dunque già solo pensando a questa cosa puoi capire come aumenta notevolmente il rendimento, e questo grazie al delta T più elevato.

Kekko



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kekko.alchemi

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Inviato il: 29/1/2012,18:54

Qui un bell'articoletto su wikipedia inerente all'aumento di rendimento che apporta il surriscaldatore.

Ciclo Rankine a vapore surriscaldato

Questa la parte essenziale:
"Questo surriscaldamento ha inoltre effetto benefico per altri aspetti sul ciclo: permette infatti di raggiungere un maggior rendimento termico e di diminuire il consumo specifico di vapore (a parità di portata di fluido motore si ottiene una maggior potenza meccanica netta)."

A dopo...



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qqcreafis

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Inviato il: 29/1/2012,19:36

CITAZIONE
(T1 - T2)/T1*100

dove "T2 è lemperatura bassa e T1 quella alta, in gradi Kelvin mi raccomando.

questa equazione vale per un ciclo di Carnot IDEALE e è da cosiderarsi un limite superiore ed è uguale per tutti i cicli IDEALI che lavorano tra le stesse temperature, purtroppo alcuni cicli anche se ideali in realtà lavorano su varie temperature e quindi il rendimento va calcolato dai calori scambiati nel ciclo e dal lavoro prodotto

Rendimento =(lavoro prodotto)/(calore in ingresso nel sistema)

quindi purtroppo l'equazione di sopra rappresenta il limite dei limiti



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Yuz
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Inviato il: 29/1/2012,20:11

@Kekko
Sulla pagina di Wikipedia del tuo link, si parla in modo generico del ciclo Rankine senza quantificare l'aumento del rendimento.
Inoltre, come si vede dal grafico sulla stessa pagina, il ciclo è riferito a temperature molto elevate ben al di sopra della temperatura critica dell'acqua (374°C).

Putroppo al momento mi mancano i dati per verificare cosa succede nel caso di surriscaldamento del vapore a temperature superiori a 400°C.
Confermo però quanto trovato per un surriscaldamento di soli 50°C (da 180°C a 230°C): il rendimento resta pressochè invariato.

Per quanto riguarda la mia insistenza nel considerare i 100°C come temperatura fredda la giustifico in questo modo: se il condensatore è aperto, l'acqua liquida al suo interno non potrà mai essere a una temperatura superiore a 100°C.
Quindi il riscaldamento del liquido inizierà sempre da questa temperatura (se non addirittura da una temperatura inferiore).

 

agolui
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Inviato il: 29/1/2012,20:27

Se fosse tutto scontato dove sarebbe la novità?



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kekko.alchemi

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Inviato il: 29/1/2012,21:20

E' vero ciò che dice qqcreafis, infatti il rendimento limite verrebbe intorno al 50%, ma se nella realtà dalla legna all'energia elettrica ho un 18-20% di rendimento, ci metto la firma subito! Non dimentichiamoci poi che il rendimento globale dove si conteggia sia l'acqua calda che l'energia elettrica, è prossimo al 90-92%, ma questa è un altra storia.

Per quanto riguarda il surriscaldatore ti confermo che ti sbagli, queste temperature che stiamo utilizzando sono esattamente le stesse che venivano utilizzate su un antico battelo a vapore con surriscaldatore in rame. Il vapore surriscaldato da 180 °C a 230 °C permetteva l'uso di un motore monocilindrico avente lo stesso rendimento di un triplice espanzione senza surriscaldatore. Ora secondo te, i progettisti dell'epoca erano stupidi? Puntavano ad una cosa sola, il rendimento, per poter allungare le tratte a partià di combustibile caricato. I parametri che stiamo utilizzando si basano su dati reali estrapolati da sperimentazioni di secoli. Io stesso mi sono guardato bene di scendere troppo nel dettaglio con i calcoli in quanto alla fine serve a poco e niente, la realtà fa da padrona, e se hai modo di vedere con i tuoi occhi la differenza fra un vapore saturo a 180 °C e uno a 230 °C surriscaldato, ti renderai conto che il secondo è come aria calda e condensa molto difficilmente. Infine la prova del nove che ti dovrebbe far capire che i conti che hai fatto hanno una falla è che introducendo il surriscaldatore il rendimento peggiora, questo nella realtà non accade affatto.

Per l'acqua di immissione, essendo una caldaia a condensazione, vengono utilizzati i fumi di scarico della stufa, che per forza di cose staranno intorno ai 200 °C. Questi fumi scambiano calore con l'acqua di immissione e la portano a circa 140-150 °C. Non puoi conteggiare questa energia come sottratta dalla biomassa, in quanto è energia di scarto, nel conteggio bisogna per forza di cose tener conto anche del rendimento della stufa, che è praticamente il cuore del sistema. Per questo dico che se alla fine ho un rendimento elettrico del 18-20% va più che bene!! Ma il rendimento teorico è ben più alto.

Saluti Kekko



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kekko.alchemi

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Inviato il: 30/1/2012,01:14

Eccoci qua, finalmente con un po' di calma e tranquillità...

Allora iniziamo subito a far vedere quali sono i vantaggi di un surriscaldatore.

Riprendiamo i calcoli fatti all'inizio di questo thread dove ho ipotizzato un consumo di 3,16 l/s di vapore con la caldaia a circa 10 atm e 180 °C. Sapendo che a questa temperatura 1 Kg di acqua sviluppa 190 litri di vapore possiamo affermare che se il motore consuma 3,16 l/s consumerebbe dalla caldaia circa 1 Kg di acqua ogni minuto. Cosa succede però se surriscaldiamo il vapore prima di farlo arrivare al motore?
Semplice, succede che il vapore aumenta significativamente di volume, ma il motore continuerà a consumare sempre i suoi 3,16 l/s di vapore, ma siccome il vapore viene espanso di fatto il consumo di acqua dalla caldaia è minore. Vediamo come:

La cosa fondamentale da capire è che c'è un enorme differenza fra 180 °C e 230 °C, abbiamo infatti un delta T di 50 °C e applicando la prima legge di gay-lussac abbiamo che i nostri 190 litri di vapore a 180 °C diventano a 230 °C 224 litri e cioè un aumento di volume del 18%. Il motore però continuerà a consumare sempre 190 litri al minuto perciò visto che genero più vapore di quanto me ne serve posso ridurre la fiamma in caldaia facendo quindi aumentare il rendimento!! Ora è anche vero però che il surriscaldatore sottrae una parte di calore alla caldaia, ma questa è una cosa davvero irrisoria in quanto il surriscaldatore sfrutta una parte di calore che andrebbe cmq persa, ed è per questo quindi che il surriscaldatore è un anello fondamentale, in quanto possiamo affermare con certezza che introducendolo abbiamo un auemento della produzione di vapore di circa il 18%, e se a questo aggiungiamo poi il fatto che permette al vapore di diventare insaturo e di non condensare nel pistone e nelle valvole (con tutti i vari vantaggi e diminuzione degli attriti), possiamo tranquillamente affermare che l'aumento di produzione di vapore del 18% mi fa aumentare il rendimento globale del motore di circa il 5%, perciò se il motore rende senza surriscaldatore il 20%, introducendo il surriscaldatore arrivo tranquillamente al 25%, il che non è affatto poco visto che si tratta di un semplice scambiatore di calore.

Un motore a vapore monocilindrico alimentato a vapore saturo rendeva sulle prime locomotive circa il 10,5%. Con l'avvento dei complessi ma efficenti motori a triplice espanzione, le locomotive arrivarono a rendimenti intorno al 16%. Quando poi introdussero il surriscaldatore in inghilterra si tornò ad utilizzare il monocilindro, in quanto il rendimento che apportava il surriscaldatore metteva alla pari il monocilindro al triplice espansione, semplificando così drasticamente i vari apparati. I conti non fanno una piega inquanto da quanto mi risulta il surriscaldatore apporta un renidmento in più di circa il 5% (reale).
A questo punto è qui che nasce l'idea di apportare ancora delle migliorie al motore a vapore tradizionale, facendo così nascere "Il Motore a Vapore Elettronico", la gestione controllata delle immissioni di vapore e dello scarico farà aumentare notevolmente il rendimento.

Cmq, abbiate ancora un po' di pazienza, domani se tutto va bene faremo il primo vero e proprio collaudo della caldaia, e inizieremo successivamente a fare i vari test sul motore. L'elettronica deve ancora dire la sua, ci saranno gran belle sorprese per quanto riguarda i rendimenti e l'automatizzazione dei vari sistemi.

Buona notte Kekko




Modificato da kekko.alchemi - 30/1/2012, 01:41


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Yuz
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Inviato il: 30/1/2012,09:55

@Kekko

Prima considerazione.
Non capisco come applicando la legge di Gay-Lussac risultino 224 litri riscaldando 190 litri da 180°C a 230°C.
Riscaldando un gas a pressione costante da 180°C (453,15 K) a 230°C (503,15K) il volume passa da 190 litri a 211 litri, cioè aumenta dell'11%

Volume a 230°C = 190 litri * 503,15K / 453,15 K = 211 litri

Seconda considerazione.
I calcoli di potenza meccanica e termica che ho riportato fanno riferimento al calore assorbito dal motore non al calore sviluppato nella caldaia.
Per riferire il rendimento al potere calorico del combustibile bisogna tenere conto anche dell'efficienza della caldaia nel trasferire il calore al motore.
Poichè tale efficienza sarà sempre minore del 100% (una fonte di perdita sono per esempio i fumi caldi che escono dal camino), il rendimento complessivo sarà sempre minore di quello teorico.
Naturalmente se il combustibile è gratis questo non è un gran problema, se invece costa ne va tenuto conto per evitare amare sorprese.

Terza considerazione.
Alle temperature di lavoro ipotizzate, il surriscaldatore non ha effetti apprezzabili sul rendimento del ciclo, ma migliora certamente l'estrazione termica cioè migliora l'efficienza della caldaia (i fumi di combustione escono più freddi) e quindi migliora l'efficienza complessiva del sistema caldaia + motore.

Buona settimana e in bocca al lupo per la prova!

 

kekko.alchemi

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Inviato il: 30/1/2012,11:54

Yuz a me risulta che la formula corretta sia questa, ma posso sbagliarmi:

V(T)= V0 * (1+ αT)

V(T)= 190 * 1,18= 224 litri

Cmq apparte questo, è sbagliato dire che il surriscaldatore non ha effetti sul rendimento. Il rendimento aumenta notevolmente applicandolo, bisogna sempre fare i conti con la realtà, e se la realtà ci dice questo significa che devi rivedere le tue formule.

Saluti e grazie per l'imbocca al lupo.



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qqcreafis

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Inviato il: 30/1/2012,12:21

un aumento di di 50°C non è trascurabile su dei delta T così ridotti , e poi ci si mantiene alla larga un pò di più dal vapore saturo, anche le Stanley (auto a vapore del 1900)

http://www.stanleymotorcarriage.com/Genera...alTechnical.htm

ce l'avevano.



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Inviato il: 30/1/2012,16:14

@Kekko

Ciao Kekko,
nella formula di Gay-Lussac che usi, V0 non è il volume prima del riscaldamento (cioè i 190 litri a 180°C) ma il volume a 0°C (suona molto strano parlare di vapore a 0°C e in effetti la formula è valida per i gas).
Quell'equazione, così com'è, non è adatta per valutare il volume del vapore dopo il surriscaldamento a 230°C.

 

kekko.alchemi

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Inviato il: 30/1/2012,18:40

Yuz che suona strano nn vuol dire che non funzioni faccine/smile.gif, l'espanzione di un gas è una cosa lineare, se aumenta la temperatura di 50 °C il volume che aumenta è lo stesso sia da 0 °C a 50 °C e sia da 800 °C a 850 °C. Il vapore fino a quando non torna acqua è pur sempre un gas, anche gli altri gas tornano liquidi se li porti nel punto di liquefazione. Che poi le forumle siano per i gas ideali questa è un altra storia, ma grosso modo possiamo avere un errore dell' 1-2% come è normale che sia.
Per il surriscaldatore hai visto il sito di qq? Che a proposito ringrazione per la segnalazione, bellissima quella macchina d'epoca, pensare poi che arrivava a 75 miglia orarie con un motore a vapore in grado di sviluppare 100 cavalli fa venire i brividi! Cmq li le temperature se non ho letto male erano simili a quelle nostre, e il surriscaldatore anche, le temperature e le pressioni erano pressochè le stesse, ti pare che se non serviva a niente lo mettevano tanto per metterlo? Torno a dire che l'incremento di rendimento c'è e come, ed è quello che ho stimato nei post precedenti.

Saluti Kekko



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