Motore a vapore
(con link a download programma CNC per il controllo numerico di macchine utensili anche di utilizzo hobbistico)
Riguardo la realizzazione di un motore a vapore, va detto subito che la maggiore energia “specifica”, cioè a parità di volume di espansione, è proprio quella esplicata dal vapore, anche se il cambiamento di fase e la necessaria energia di vaporizzazione dell'acqua e di successiva condensazione del vapore durante il suo funzionamento portano a rendimenti teorici lievemente inferiori rispetto a quelli del ciclo Brayton.
Con riferimento alla e-mail di risposta alla richiesta di uno sperimentatore su come trasformare un normale motore a combustione interna (a benzina o diesel) in motore a ciclo Brayton, riporto i seguenti brani:
"Utilizzando l’aria calda, come nel motore a ciclo Brayton, ci vogliono adeguati volumi di aria, oppure bisogna ridurre al massimo gli attriti, montando tutto su cuscinetti a sfere, cosa quasi impossibile se si vuole riutilizzare un motore a combustione interna; oppure lavorare ad esempio con un riscaldatore in cui la pressione interna sia di 20 atm ed un apposito circuito di raffreddamento in cui la pressione sia di 2 ,3 o più atmosfere.
Anche questo non è semplice; si dovrebbe sostituire la coppa dell’olio con un contenitore più robusto, in grado di resistere alle 2 o 3 o più atmosfere.
Riguardo la chiusura della valvola di aspirazione a metà corsa non è un problema, nel senso che può essere chiusa anche a fine corsa, inglobando un maggiore volume di aria fredda; semplicemente la fase di immissione dell’aria calda nel secondo cilindro risulterà più “lunga” di quella di immissione dell’aria compressa nel primo cilindro e la fase di espansione dell’aria calda, pur essendo “tagliata” nella fase finale riuscirà a produrre comunque un lavoro maggiore, con un buon rendimento (per il calcolo del rendimento teorico si può applicare la stessa formula del ciclo termico ideale), e minori perdite percentuali dovute agli attriti.
Resta la necessità di controllare la pressione sia del riscaldatore sia del raffreddatore, per mantenere il giusto apporto di compressione, con un sistema elettronico o elettromeccanico."
L’alternativa più semplice però, a mio parere, è quella del vapore, evitando il bollitore, che è il componente più pericoloso di un motore a vapore, mediante un microiniettore di acqua.
Cioè il riscaldatore, che non deve necessariamente avere la forma a serpentina ma può essere un semplice tubo alettato chiuso alle estremità, eventualmente riempito di paglietta di ferro per migliorare lo scambio termico, può essere munito ad una estremità di un tubicino atto ad immettere una piccola quantità di acqua in modo continuo (ad es. 1 cm cubo ogni 5 o 10 giri dell’albero motore) alla pressione di lavoro (ad es.10 o 20 atm).
L’elevato calore al quale va fatto funzionare indurrà una rapida evaporazione dell’acqua e la sua trasformazione in vapore saturo secco.
Ovviamente tale riscaldatore deve essere munito di valvola di sicurezza che impedisca di superare una pressione massima stabilita; comunque, in caso di “cedimento” del tubo, limitato comunque dalle alette poste a distanza regolare, si avrà una emissione di vapore ma non di pericolosa acqua bollente.
Volendo utilizzare al posto dell'energia solare quella derivante dalla combustione della legna, durante il funzionamento sarà necessario metter uno schermo costituito da due robusti sportelli vetrati davanti al caminetto utilizzato, per evitare anche il pericolo di essere investiti da eventuali getti di vapore; sarebbe comunque opportuna una caldaia chiusa, anche se sistemata in un caminetto.
Dal lato opposto si avrà vapore ad alta temperatura da inviare al motore di recupero, i cui pistoni funzioneranno tutti in fase di espansione; il rendimento sarà massimizzato riducendo al minimo la fase di immissione del vapore nei singoli cilindri, in funzione della potenza richiesta, e quindi massimizzando il rapporto di espansione del vapore.
Si potrebbe arrivare anche ad un rendimento di conversione energia termica - energia meccanica intorno al 20%, che potrebbe non essere inferiore a quello reale del Brayton, tenuto conto degli attriti; il rendimento termico complessivo sarebbe comunque elevato, utilizzando il calore del condensatore (collegato ai tubi di scarico) per produrre acqua calda.
L’importante è collaudare il riscaldatore riempiendolo con acqua fredda ad una pressione maggiore di quella di esercizio, per verificare la tenuta dei vari collegamenti.
Per fare questo si può utilizzare la micropompa per l’immissione dell’acqua, che lavorando a bassa temperatura, potrebbe essere costruita utilizzando per il pistoncino una gomma semirigida.
Importante anche una valvola di non ritorno dell’acqua in prossimità dell’ingresso del riscaldatore, per evitare, in caso di cedimenti, pericolosi getti di acqua bollente.
Durante il funzionamento del motore a vapore tale micropompa andrà fatta funzionare in modo intermittente, in modo da immettere acqua solo quando la pressione del vapore inizia a scendere, in modo da evitare pericolosi accumuli di acqua bollente.
Una riprova del corretto funzionamento sarà quella di interrompere l’immissione di acqua e verificare l’effettivo abbassamento della pressione del vapore.
Mediante un opportuno regolatore di fase dell'immissione del vapore nel cilindro di espansione, si potrà regolare la potenza fornita dal motore in modo graduale e continuo.
Tale regolatore può essere di tipo meccanico o elettromeccanico.
links utili:
Il motore a vapore dei battelli Patria e Concordia
Modalità di costruzione di un motore a vapore da 3 kw
http://perso.wanadoo.fr/jean-luc.soumard/moteur_vapeur.htm
presentazione
motori a vapore
http://perso.wanadoo.fr/jean-luc.soumard/bicylindre.htm#plans
piani di costruzione motore a vapore bicilindrico; basta cliccare sui titoli degli schemi tecnici; si tratta di un motore a vapore per modellismo ma si può realizzare anche su scala maggiore.
La "distribuzione a
cassetti" tipico delle locomotive a vapore conferisce la massima potenza e la
massima coppia motrice ma implica un rendimento non elevato, intorno al 10%
÷ 14% perchè non consente al vapore una sufficiente espansione; per massimizzare il
rendimento è necessario massimizzare tale espansione.
http://perso.wanadoo.fr/jean-luc.soumard/machines.htm
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