Moteur au cycle Brayton à l'air chaud
Tu argues traités:
Choix de la cylindrée dans la réalisation artisanale de tel moteur.
Calcul approché de la puissance distribuée.
Description générale du fonctionnement.
Le choix de ce cycle thermique pour la conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique comporte à mon avis des avantages soit respect au cycle Rankine, moteur à la vapeur, soit respect au moteur Stirling; respect au moteur a le plus grand rendement et meilleures conditions de sûreté à la vapeur; respect au moteur Stirling un poids plus petite et le plus grande surface captante l'énergie solaire, qu'elle peut être absorbée à travers toute la surface exposée du tuyau à la serpentine, à ranger à l'intérieur d'une cavité thermiquement isolé poste à l'altesse de l'étage de focalisation du concentratore solaire.
Ce moteur thermique fonctionne avec le même début des pompes de chaleur et des condizionatori en outre; donc il peut être converti pour ces jouissances aisément.
Aussi la dernière version des réfrigérateurs à la haute efficacité utilise le même début de fonctionnement et le même fluide, l'air, à la place du freon et d'autres mélanges qu'à le brève ou longtemps terme ils endommagent la bande d'ozone dans la stratosphère qui nous protège des ultraviolets dangereux.
Description du fonctionnement: l'air frais à la température milieu Ta entre de la soupape À, qu'elle peut être actionnée, à l'égal des autres deux soupapes C et D par un système de hampes et bilanceri, facenti tête chaque à une came opportune fixée sur le même arbre moteur, et successivement comprimé; dans cette phase il augmente sa température à la valeur Tc; donc il passe dans le tuyau à la serpentine en passant à travers la soupape B que c'est une soupape simple de je ne reviens pas, comme celles des pneus des autos ou des bicyclettes.
En passant à travers la serpentine vient chauffé à la température Tmax et il augmente donc son énergie thermique et son volume; donc, quand le piston du second cylindre est au point supérieur mort, elle est introduite dans le cylindre à travers la soupape D dans la quantité telle à avoir, à la fin de l'expansion suivante adiabatica, en correspondance du point inférieur mort du même cylindre, approximativement la pression égale à l'atmosphérique; à ce point sa température aura la valeur Tu inférieur à cette maxime atteinte dans le serpentin Tmax mais aussi supérieur à cette initiale du milieu Ta.
Vous pourrait à ce point penser récupérer partie de l'énergie thermique qui EST il possède encore en réchauffant à peine partiellement l'air comprimé au début du tuyau à la mendiante serpentin un scambiatore opportun de chaleur; cependant on peut montrer que la meilleure puissance, à égalité de numéro de tours du moteur dans l'unité de temps, on a vraiment quand la température atteinte en phase de compression Tc est égale à la température de l'air de déchargement à la fin de la phase d'expansion Tu; dans ces conditions on obtient un bon rendement de toute façon, sans recourir au scambiatore de chaleur; tel air en sortie par contre pu été introduite dans un autre tuyau à serpentine plongée dans l'eau en obtenant eau chaude à envoyer à un réservoir thermiquement isolé pour une jouissance suivante.
Le rendement de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique on peut exprimer soit par l'expression:
r = 1 -, Tu - Ta)/(Tmax - Tc,
soit par l'expression la plus pratique:
r = 1 - 1 /, rp ^ 0,286,
en étant rp le rapport entre la pression de l'air à l'intérieur du tuyau, après la compression et la pression de l'air extérieur, 1 ata.
Justement pour contrôler tel rapport de compression la soupape À l'écluse tout de suite il n'ira pas après la phase d'aspiration mais après un certain angle de rotation au-delà du point inférieur mort du cylindre premier, reimmettendo à l'extérieur il part de l'air aspiré; celui-ci on justifie en tenant compte que pendant le riscaldamente suivant l'air augmente de volume; donc pour une température Tmax autour aux 350 °C, que porte à un doublement du volume de l'air, ou mieux du produit Pression * Volume, la soupape À l'écluse ira presque à la moitié de la course du cylindre premier, pour obtenir un rendement optimal.
Par exemple, avec un rapport entre les pressions de 4:1, le rendement théorique de tel cycle thermique résulte: r = 0,327 c'est-à-dire de 32,7%; le reste 67% de l'énergie thermique acquise par le soleil pourra être utilisé par contre pour réchauffer l'eau.
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Choix de la cylindrée du moteur à l'air chaud.
En voulant réaliser tel moteur avec des outils et outils achetables près de magasins pour hobby et bricolage convient se référer à une cylindrée autour au 125 cm³ typique des moteurs de la moto, en combien dans les magasins de rechange pour motocyclettes ils sont piston trouvables aisément pour cette cylindrée.
En outre les "chemises", les hauts-de-forme d'ici lesquels se remuent les pistons sont c'est-à-dire aisément réalisables d'un tuyau pour conduites gaz sans soudures c'est-à-dire obtenu directement pour extrusion, du diamètre de 2 pouces de qui produits les deux hauts-de-forme nécessaires longs 12 ou 12,5 cms vont par un troncatrice au disque.
Tels hauts-de-forme ont un diamètre c'est-à-dire note intérieure de 2 pouces de 2,54 * 2 = 5,08 cms; en réalité un pò maggiore,intorno aux 53 mm., et une forme déjà presque parfaitement circulaire.
L'épaisseur du métal, grand de 3 mm et le diamètre extérieur de 60 mm permettent une rectification sur tu reviens de petites dimensions aussi en portant le diamètre intérieur aux 54 mm.
De telle manière il suffira de demander au fournisseur de rechange légèrement deux pistons de diamètre inférieur, par exemple de 53,75 mm, en laissant un jeu de 0,25 mm.
La tenue de la pression sera garantie par les bagues spéciales de tenue, 1 en ou 2 suffisent pour piston.
Dans le cas ils ne fussent pas trouvables aussi les pistons ils peuvent être réalisés avec le même tour; les finitions seront moins "raffinées" ou recherchées de ceux-là en commerce mais sûrement plus robustes, en partant d'un cylindre d'aluminium du diamètre de 60 mm.
En tel cas du détaillant de rechange les bagues seules de tenue seront achetées, encore plus aisément trouvables et du reste difficultés à réaliser.
La masse supérieure des pistons réalisée ne sera pas un problème artisanalement parce que la vitesse de fonctionnement de tel moteur est inférieure aux maximes supportées par les moteurs pour motocyclettes, c'est-à-dire autour aux 3000 giri/min, si jumelé à une dynamo pour obtenir la tension directement 220 V alterné ou peu de supérieur si jumelé à un alternateur pour auto pour obtenir une tension de 12 V elle continue apte à charger une ou plus batteries unies éventuellement à un convertisseur de 12 V au 220 V alterné, système que pour soi utilisable déjà comme convertisseur statique d'électricité pour personal ordinateur et comme générateur autonome d'urgence.
Avec les dimensions décrites la section de chaque cylindre est de 22,9 cm² et la cylindrée il résulte même à 137,4 cm³ avec une course de 60 mm et de 160 cm³ pour une course de 70 mm.
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Calcul approché de la puissance distribué par le moteur.
Pour calculer la puissance distribuée il faut évaluer la quantité de chaleur Qi introduit par l'extérieur après la compression initiale.
La formule qui l'exprime est:
Qi = m * Cp *, Tmax - Tc,
en étant m la masse d'air aspirée par le moteur dans l'unité de temps et Cp la chaleur spécifique de l'air.
Au niveau de la mer la pression atmosphérique vaut P = 1 ata ou 0,0981 MegaPascal, c'est-à-dire 98100 Nw/m².
En telles conditions la masse de l'air sec vaut 1,29 grammi/litro environ à la température de 20°C.
La chaleur spécifique vaut par contre 1 Joule/grammo/°C, une énergie est nécessaire c'est-à-dire de 1,29 joules pour augmenter de 1 degré centigrade la température de 1 litre d'air en conditions "normales."
La masse d'air aspiré dans l'unité de temps du moteur dépend de la cylindrée et des conditions de fonctionnement.
Nous supposons une cylindrée de 160 cm³ pour chaque cylindre, une vitesse de rotation de 3000 giri/minuto, Tc = 180°C
, pour un rapport des pressions de 4:1, Tmax = 430°C, et ensuite Tmax - Tc = 250°C.
Pour les considérations sur le fonctionnement optimal du moteur la soupape À l'écluse viendra 1/3 après de la course de retour et l'air introduit à chaque tour sera ensuite d'environ 105 cm³ et le volume total de l'air aspiré de 5,25 litri/secondo.
L'énergie absorbée par le soleil pour chaque seconde sera donc:
Qi = 1,29 * 5,25 * 1 *, 430 - 180, = 1693 joules
L'énergie les obtenus dans l'unité de temps obtient Qi en multipliant pour le rendement η
L = η* Qi = 0,327 * 1693 = 554 joules
correspondant à une puissance de 554 Watts.
Il peut sembler une puissance n'élevée pas mais elle est déjà apte quand la radiation solaire a une intensité de 500-600 W/m², qu'il se vérifie quand il est présent un pò de brume ou avec ciel limpide mais dans les premières heures de la matinée ou dans l'après-midi premier.
La puissance de 1 Kw on pourrait obtenir en renfermant le moteur précédent dans un récipient que je résiste à la pression de quelque atmosphère, en réalisant un circuit fermé avec pression inférieure de 2 atm et pression supérieure de 8 atm, en travaillant avec le même rapport de pressions 4:1.
Il s'agit de pressions absolues pour lequel, en utilisant un manomètre, qu'il mesure par contre la pression Pr relatif à l'atmosphérique, en tenant compte que:
Pr = Pa - 1
la pression inférieur relatif, indiqué par le manomètre, il devra résulter = 1 atm pendant que ces supérieures il devra résulter = 7 atm.
En général la puissance susdite pu été augmentée de n tourné, en travaillant entre une pression relatif inférieur Prmin = n - 1 atm et une pression relatif supérieur Prmax = 4n - 1 atm.
Dans ce cas il est possible d'utiliser, à la place de l'air, un mélange d'anhydride carbonique et azote, réalisable en usant l'oxygène de l'air contenu dans un récipient, que, aussi en ayant les mêmes thermodynamiques caractéristiques de l'air, il évite chaque possibilité d'usure et corrosion intérieure du moteur, aussi en utilisant pour les chemises l'acier doux des tuyauteries gaz mentionné à la place de l'acier thermiquement traitée et cimenté des chemises des moteurs normaux à l'explosion.
Grandes puissances peuvent être obtenues en utilisant tuyaux de 3 ou 3,5 pouces, avec des pistons de diamètre correspondant et course opportune qui porte augmenter de 3 fois ou plus la cylindrée et les performances du moteur.
En général il convient opérer avec basses vitesses de rotation, en combien les frottements derivanti des sollicitations inertielles, dûes à la masse des bielles et des pistons, ils augmentent, ou ils diminuent, avec le carré de la vitesse de rotation; d'autre partie aussi l'accouplement nécessaire pour élever la vitesse de rotation pour arriver à cette demande d'un alternateur pour tension de réseau, à l'es 3000 giri/min, ou pour autoveicolo, à l'es 4000 giri/min, par roues dentelées ou poulies et courroie trapézoïdale il dissipe une certaine énergie; donc la solution doit être optimisée dans l'installation qui veut les réaliser.
Notes et distributions:
Pour autres détails sur la construction de ce moteur écrire à:
zpavanel@libero.it
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