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Very Hot Topic (More than 500 Replies) Motore a Vapore Elettronico (Read 116601 times)
kekko.alchemi
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Motore a Vapore Elettronico
21.10.11 at 04:16:00
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Potete leggere l'evoluzione nelle pagine presenti nel forum ma per non essere dispersivi riassumiamo in poche righe:

Il Motore a Vapore Elettronico non è altro che un generatore di elettricità e un produttore di acqua calda. L’MVE come combustibile utilizza la biomassa cioè una risorsa di tipo forestale e/o agricola. Per questo motivo l’utilizzo dell’ MVE non è inquinante e non contribuisce all’aumento di gas serra presenti nell’atmosfera. L’MVE permette la trasformazione dell’energia termica (generata dalla biomassa) in energia meccanica dove quest’ultima viene trasformata in energia elettrica. Questi processi di trasformazione sono resi possibili mediante un sofisticato sistema elettronico di controllo basato su processore. Il generatore elettrico ha una potenza di 3Kw e in una giornata di lavoro è in grado di erogare 72 kwh, energia sufficiente ad una famiglia per dieci giorni. L’MVE genera anche acqua calda sanitaria e può essere predisposto per essere integrato in un impianto di riscaldamento abitativo.

Caratteristiche tecniche principali:
- Potenza elettrica: 3 Kw
- Pressione acqua in caldaia 4-8 Atm
- Acqua calda 65 °C
- Dimensioni/ingombro: 50(lunghezza)x60(profondità)x130(altezza) cm


Presentazione:


Inaugurazione:



Licenza d'uso:

Questo progetto non è in vendita, tutte le sue parti, foto, schemi e descrizioni vengono pubblicati dagli autori secondo la licenza creative commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/it/deed.it

In dettaglio puoi consultare anche il legal code: http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/it/legalcode



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Salve a tutti, apro questa discussione per descrivere l'ultimo progetto che stiamo realizzando, io, Agolui e Bolle. Il progetto prevede la generazione di energia elettrica e di acqua calda partendo da combustibili a basso costo come la legna e l'olio esausto, e "combustibili" gratuiti come il sole tramite i concentratori solari.

Il motore a vapore o meglio il motore volumetrico, verrà gestito elettronicamente tramite encoder, processore e software che avranno il compito di aumentare in modo considerevole il rendimento, gestendo anticipo e ritardo di ingresso del vapore in base agli RPM e al carico applicato, inoltre gestiranno la quantità di vapore iniettato nel cilindro in base alla posizione della sua corsa. Il software ricercherà in modo automatico istante per istante il punto di miglior rendimento e regolerà i parametri di conseguenza.
Il vapore verrà iniettato tramite delle elettrovalvole specifiche per centrali termiche a vapore il cui tempo di chiusura e apertura è di circa 30 mS.

Verranno così eliminate le vecchie e complicate valvole a cassetto utilizzate nei vecchi motori a vapore. Queste avevano il compito di gestire l'iniezione di vapore nel cilindro nel momento opportuno, per fare ciò erano collegate meccanicamente, tramite un fuori centro, all'asse di rotazione del motore stesso. Per motivi e limiti pratici queste iniettavano vapore per il 75% della corsa del pistone e il restante 25% lo lasciavano espandere. Ciò comportava di avere la massima coppia motrice e la massima potenza disponibile dal motore, ma un rendimento scarso spcialmente ad avvenuto regime di lavoro. Per ovviare a questo problema di scarso rendimento, che si aggirava intorno a valori compresi fra il 10% e il 18%, inventarono il motore a tripla espansione, in cui il vapore ancora carico di energia che usciva dal primo pistone veniva iniettato in un secondo pistone più grande e poi ancora in un terzo ancora più grande.

Oggi con l'avvento dell'elettronica è possibile gestire l'espansione del vapore tramite anticipi e ritardi e soprattutto tramite la gestione controllata della quantità di vapore iniettata in base alla corsa. Per esempio iniettando vapore per il 25-30% della corsa del pistone e lasciandolo espandere per il restante 70-75% si ha una potenza specifica più ridotta ma un temperatura di uscita del vapore più bassa e quindi un rendimento sicuramente superiore, oltre al fatto che come detto verrà iniettato nel momento giusto.

Un altro problema che in antichità si aveva era la lubrificazione delle fasce dei pistoni e la successiva emulsione dell'olio nel vapore che rendeva impossibile poter chiudere un ciclo, e si doveva quindi per forza di cose buttare via vapore caldo ancora pieno della maggior parte di energia.

Oggi grazie alla scoperta di nuovi materiali è possibile costruire, come stiamo facendo, pistoni autolubrificanti che non hanno bisogno di olio per essere lubrificati e non rilasciano quindi olii emulsionati nel vapore. Ciò rende possibile l'installazione di un ciclo rankine con alti guadagni di rendimento e maggior vantaggi di gestione.

Per oggi metto le foto di qualche schizzo e le foto di un pistone in ottone che stiamo smontando per la modifica delle fasce. Abbiamo già quasi tutti i pezzi, cuscinetti a rulli per la biella, supporti, guida pistone ecc... A breve le foto della costruzione, ma prima un analisi un po' più approfondita di tutto il discorso, specialmente il perchè della scielta di un motore volumetrico rispetto ad una turbina.

Tutto partì da questo antico libro...


Saluti Kekko



  
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kekko.alchemi
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #1 - 21.10.11 at 04:41:00
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MarKoZaKKa
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #2 - 21.10.11 at 10:36:00
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... ragazzi, più seguo questo blog, più fremo per avere finalmente un laboratorio in casa per sperimentare... peccato che il progetto della mia nuova casa abbia incontrato uno scoglio, sigh! Comunque, avanti tutta (full steam!)
  
Tecnico qualificato in clownerie
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drmacchi11
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #3 - 21.10.11 at 11:27:00
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Ciao , se volete risparmiare sui test-drive potreste anche "teflonare" il pistone metallico ! ossia usare una emulsione acquosa contenente teflon: l'acqua evapora disperdendo un microfilm di teflon puro sulle parti in movimento.
Attenzione che la maggior parte dei prodotti in commercio per i motori "auto-motoscafi" sono emulsioni oleose che voi dovete evitare.
Ma si per certo che l'inventore del Teflon (R) , la Dupont ha in catalaogo questa!
(dal loro sito)
POTRESTE FARGLI AGGIUNGERE ALLE INDICAZIONI D'USO : GREEN STEAM ENGINES
Teflon ® PTFE - dispersione acquosa

This is a milky white emulsion of polytetrafluoro-ethylene resin in water, stabilised with a small amount of wetting agent. Si tratta di una emulsione bianco latte di polytetrafluoro-etilene resina in acqua, stabilizzata con una piccola quantità di bagnante. It offers fundamentally the same properties as Teflon® moulding powder, together with the applications advantages of the liquid form Esso offre fondamentalmente le stesse proprietà del Teflon ® stampaggio in polvere, insieme con i vantaggi delle applicazioni della forma liquida

Uses Usa
Cast film for capacitor insulation. Cast film per isolamento condensatore.
Coated fabrics for electrical insulation, architectural, belting and other applications. Tessuti spalmati per l'isolamento elettrico, architettonico, cinghie e altre applicazioni.
Impregnated asbestos fabric and braid for gaskets and packings. Tessuto impregnato di amianto e lacci per le guarnizioni ed imballaggi.

  
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bomar
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #4 - 21.10.11 at 11:46:00
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bel progetto che seguirò con passione

interessante anche il discorso dell'emulsione di teflon per i pistoni
  
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drmacchi11
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #5 - 21.10.11 at 11:55:00
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qqcreafis
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #6 - 21.10.11 at 22:29:00
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CITAZIONE Quote:
lasciandolo espandere per il restante 70-75%

ottimo!
  
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agolui
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #7 - 21.10.11 at 22:48:00
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Ciao a tutti, un salutone a chi parteciperà a questa discussione, agolui
  
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kekko.alchemi
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #8 - 22.10.11 at 01:05:00
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Sicuramente una bella trovata quella di teflonare il pistone metallico con quell'emulsione... Ma reggerà nel tempo?
Il problema sorge invece per le elettrovalvole le quali non esistono in commercio con le prestazioni richieste, quindi tanto per cambiare ce le dovremo costruire su misura. Non esiste mai niente di idoneo in questo mondo...
Le elettrovalvole che avevo trovato avevano tutte le carte in regola per essere idonee al nostro utilizzo, 30 mS di apertura e chiusura, 12 bar di tenuta, 180 °C massimi, e una portata di circa 3-4 l/s di vapore a 10 bar. Unico problema hanno una vita media stimata di circa 300.000 di aperture. Facendo due conti veloci se il motore rimarrà acceso 4 - 5 ore al giorno ad una frequenza di 5 Hz saranno in una giornata circa 80.000 aperture, perciò in 5 giorni ci giochiamo 200 euro di elettrovalvole.

Poco male, costruendole noi potremo avere prestazioni sicuramente migliori, portate più alte, costi più contenuti, e basso costo di manutenzione. Le nostre elettrovalvole saranno costituite da un cilindro di ottone forato in cui scorre un pistoncino di teflon... a breve gli altri dettagli.

CITAZIONE (qqcreafis @ 21/10/2011, 23:29) Quote:
CITAZIONE Quote:
lasciandolo espandere per il restante 70-75%

ottimo!

Eh si, penso che questo farà alzare di molto il rendimento, oltre al fatto che il ciclo rankine avrà delle modifiche che ridurranno al minimo possibile l'estrazione di calore dal fluido di scarto. Ad esempio il fluido/vapore di scarto passerà per prima cosa in uno scambiatore di calore posto fra la pompa e la caldaia. Ciò contribuirà ad immettere acqua nella caldaia con una temperatura superiore ai 100 °C. Un altro accorgimento, più complicato da descrivere, è quello di eliminare (come annunciato) la pompa presente fra lo scarico e il condensatore, in quel punto si lavorerà a pressione ambiente dove l'aria che viene immessa nel condensatore passerà in un secondo surriscaldatore. Questo farà aumenatare il rendimento sullo scarico del motore, e il "rendimento" della condensazione. Cmq capisco che così a parole si comprenda poco e niente, appena ho tempo affronteremo nel dettaglio la cosa.

Saluti kekko

  
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NonSoloBolleDiAcqua
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #9 - 22.10.11 at 05:33:00
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CITAZIONE (kekko.alchemi @ 22/10/2011, 02:05) Quote:
hanno una vita media stimata di circa 300.000 di aperture



CITAZIONE (kekko.alchemi @ 22/10/2011, 02:05) Quote:
Poco male, costruendole noi potremo avere prestazioni sicuramente migliori, portate più alte, costi più contenuti, e basso costo di manutenzione.

  
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qqcreafis
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #10 - 22.10.11 at 11:54:00
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una volta avevo visto sul sito della siemens il sistema che ormai avevano sviluppato di valvole elettriche sui motori a 4 tempi, vantavano un basso consumo di energia, una cosa veramente notevole. peccato che in seguito non sono mai riuscito ad individuare il sito di ricerca e sviluppo della Siemens
  
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isd88
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #11 - 24.10.11 at 22:26:00
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ah bei ricordi da bambino disegnali un motore a vapore che in realta era un motore 4 cilindri da auto ma mi dimenticai del tutto le valvole ... si vede che erano il pezzo difficile

comunque complimenti le provi tutte!!! pero secondo me per queste potenze conviene una turbinetta, a geometria variabile sarà un po complessa ma sicuramente rende di piu di un motore alternativo.... resto comunque in ascolto sicuramente la mia tesi sarà smentita e il vostro motore avra un rendimento pari a quello dell mk12
  
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kekko.alchemi
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #12 - 25.10.11 at 14:57:00
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La turbina può andar bene per regimi costanti e potenze elevate. Questo motore verrà alimentato da fonti di energia differenti fra loro e molto incostanti, come può essere ad esempio la gestione della legna. Questo causerà un flusso di vapore variabile nel tempo che in un motore a vapore si traduce principalmente in una potenza variabile all'asse e un rendimento costante, in una turbina invece oltre alla variazione di potenza (molto più pronunciata) si tradurrebbe in un calo drastico di rendimento difficilmente gestibile.

Fra l'altro il rendimento di una turbina a VAPORE non è paragonabile con i rendimenti delle turbine ad acqua che nel migliore dei casi superano l'85%, con il vapore infatti i rendimenti calano significativamente e con buoni accorgimenti si possono raggiungere rendimenti compresi fra il 50 - 60%. Un motore volumetrico invece se ben gestito con l'elettronica può avere rendimenti intorno al 40 - 45% per nulla lontani da quello di una trubina. Bisogna poi considerare il fatto che questo 40 - 45% resta costante su quasi tutte le portate di vapore e in confronto ad una turbina che scenderebbe sotto il 10% con una portata fuori dal suo range, quello del motore volumentrico diventa un rendimento assai più elevato.
Il discorso cambia sicuramente per grossi impianti di MW che lavorano sempre a regime costante, dove un 20% in più sono davvero parecchi "soldi", oltre al fatto che una turbina ha dei costi di manutenzione quasi assenti se confrontati a quelli di un motore volumetrico.

In conclusione, per un piccolo impianto come il nostro (circa 3 KWh) conviene un motore volumetrico a causa del maggior rendimento sui regimi variabili, per impianti grandi (ad esempio 1 MWh) conviene una turbina per gli indiscutibili vantaggi descritti sopra.

Kekko
  
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kekko.alchemi
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #13 - 25.10.11 at 23:50:00
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Aggiornamento lavori:

Abbiamo appena finito di progettare l'elettrovalvola in CAD, compresa di attuatore lineare formato da un magnete in ferrite circolare e una bobina di circa 50 spire e filo da 0,21 mm di diametro. L'attuatore ha una corsa di circa 10 mm con una forza di 0,5 Kg e un assorbimento di 8 - 10 W. La parte meccanica è abbastanza complessa ma alla fine neanche troppo, niente di impossibile insomma. L'elettrovalvola potrà lavorare fino a 200 °C con una pressione di 10 - 12 bar e una portata superiore ai 5 litri al secondo di vapore.

Facciamo ora qualche conto sull'energia che il vapore potrà imprimere sul pistone del motore.
Il pistone ha una cilindrata di 500 cm^3 e un diametro di 80 mm, ammettiamo una portata di vapore di 60 Kg/h a 180 °C e 9 atm dove il volume specifico a 180 °C (vapore non surriscaldato per il momento) è di 0,19 m^3/Kg. Perciò avremo una portata di:
0,19 m^3/Kg * 1000 * 0,19 / 3600= 3,16 l/s

Con 9 atm il pistone avrà una spinta di picco di:
(80/2)^2 * 3,14 * 9 / 100= 452,16 Kg circa 4 quintali e mezzo.

Ora ammettendo che inietteremo vapore surriscaldato a 230 °C per il 25% della corsa dobbiamo ammettere anche che i 452 Kg diventeranno circa 113 Kg di pressione media, ciò consentirà di avere una maggiore espansione del vapore con una temperatura di uscita parecchio più bassa dell'entrata. Facendo un conto veloce e ipotizzando che il vapore sia un gas perfetto potremo dire che la pressione finale sarebbe di circa 2,25 atm e la temperatura scenderebbe così a circa 136 °C.

Il rendimento del solo motore nudo ammettendo di far espandere ulteriormente il vapore fino al raggiungimento di 110 °C sarebbe così del:
(°Ki - °Kf) / °Ki= (503,15-383,15) / 503,15 * 100= 23,8%
Un rendimento davvero molto alto per un motore volumetrico considerando che un motore monocilindro senza elettronica renderebbe circa il 10%.

Ad innalzare il rendimento fino al 40 - 45% annunciato, ci penserebbe il resto del ciclo, dove questi 110 °C di uscita verrebbero reimmessi quasi completamente nella caldaia di ebollizione facendo dissipare solamente circa 15 °C. Questo aspetto lo affronteremo però un altro giorno, in quanto per spiegarlo devo prima fare un disegno schematico del ciclo rankine modificato.

Andiamo a calcolare grosso modo la potenza che il motore fornirà sull'asse.
Abbiamo detto che il pistone avrà una forza media di circa 113 Kg con un volume di 500 cm^3, la corsa del pistone è di 100 mm e il collo d'oca dove alloggerà la biella avrà quindi una distanza fra gli assi di 50 mm, applicando la formula avremo:
Kg * interasse collo d'oca / 1000 * 9,8= 113 * 50 / 1000 * 9,8= 55,37 Nm sull'asse di rotazione.

La frequenza del pistone, vista la portata, sarà di:
1 / (cm^3 pistone / 1000 / l/s * n° corse del pistone)= 1 / (500 / 1000 / 3,17 * 2)= 3,15 Hz

Gli RPM, ovvero i giri al minuto dell'asse saranno di:
Hz * 60= 3,15 * 60= 189 RPM

La potenza finale del motore volumetrico con un espansione di vapore del 75% sarà di:
Nm * RPM * 6,28 / 60= 55,37 * 189 * 6,28 / 60= 1095 Watt ovvero circa 1 KW di potenza.

Ammettendo un rendimento di conversione elettrica dell'85%, considerando che 1 Kg di legna contiene circa da 3,9 a 4,2 KWh di energia, tenendo conto che un buon 15 - 20% di energia verrà sprecata per irradiamento di calore nell'ambiente e che un altro buon 10% se ne andrà in perdite meccaniche,potremmo affermare che con 1 Kg di legna si ricaverebbe circa 1 KWh di energia elettrica!!!! Se pensiamo che la legna in campagna si rimedia sempre e che anche volendo la si può acquistare a circa 0,10 euro al Kg, avremmo un costo al KWh inferiore a quello che ci fornisce l'Enel. Bisogna poi aggiungere che la stufa potrà andare praticamente a tutto ciò che brucia.

Saluti Kekko

PS: Sono calcoli puramente indicativi, ma anche se ottenessimo 700 - 800 Wh da 1 Kg di legna sarebbe cmq un ottimo risultato!

  
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kekko.alchemi
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Re:Motore a Vapore Elettronico
Reply #14 - 26.10.11 at 02:19:00
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Bellissimo questo sito che racconta la storia delle locomotive a vapore, legate dalla continua ricerca del miglioramento del rendimento per risparmiare carbone. Dal surriscaldatore alla distribuzione a valvole e ai preriscaldatori furono molte le innovazioni che fecero la storia del motore a vapore. LINK
  
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