Progettazione di un motore Ringbom Stirling per la produzione di energia elettrica nei paesi in via di sviluppo

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Flaviana Violetta Corsi
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1 Progettazione di un motore Ringbom Stirling er la roduzione di energia elettrica nei aesi in via di sviluo C. M. Invernizzi, G. Incerti, S. Parmigiani, V. Villa Diartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale - Università degli Studi di Brescia - via Branze, 38 1 Congresso Nazionale Coordinamento della Meccanica Italiana Palermo, giugno 2010

Villa Diartimento di Ingegneria Meccanica e Industriale - Università degli Studi di

2 Outline 1 Il motore Ringbom-Stirling 2 Modello matematico del motore 3 Le soluzioni meccaniche adottate 4 Conclusioni

3 Il motore Stirling Caratteristiche generali Il motore Stirling è una macchina volumetrica a combustione esterna oera secondo un ciclo termodinamico chiuso (sesso) rigenerativo articolarmente adatto alla realizzazione di macchine di iccola otenza

oera secondo un ciclo termodinamico chiuso (sesso)

4 Il motore Stirling Caratteristiche generali MOTORE CON DISPLACER E PISTONE CONFIGURAZIONE GAMMA Con rigeneratore (nello sazio anulare intorno al dislacer) Senza rigeneratore

5 Il motore Stirling Caratteristiche generali CONFIGURAZIONE BETA Ciclo ideale nel iano P-V T ln V η = 4 /V 3 T H ln V 4 /V 3 +Cv T = 0.18 η R = 1 T C T H = 0.49

6 Le tecnologie er i aesi in via di sviluo Un motore adatto ad un Paese in via di sviluo dovrebbe: essere di basso costo essere di semlice realizzazione e di semlice funzionamento (er oter essere oerato e riarato da ersonale non articolarmente qualificato) richiedere bassa manutenzione (er ridurre i costi di gestione) er l eventuale sua roduzione in loco: tutti (o quasi tutti) i materiali dovrebbero essere localmente reeribili semlici tecnologie di realizzazione

articolarmente qualificato) richiedere bassa manutenzione (er ridurre i costi di gestione) er l eventuale sua

7 Il motore Stirling La versione Ringbom: una configurazione ibrida Nel motore Ringbom-Stirling il dislacer 1 si muove sotto l effetto di forze dinamiche 2 in assenza di collegamenti cinematici con il istone di otenza Nella versione originaria il fluido di lavoro è aria la ressione media oerativa è 1 bar Il motore originario di Ossian Ringbom (brevettato nel 1907)

collegamenti cinematici con il istone di otenza Nella versione originaria il fluido di

8 Il modello matematico del motore Lo schema di riferimento Nello schema assunto er il calcolo, il motore 1 uò funzionare con il dislacer comunque orientato 2 il dislacer è collegato ad una molla (con recarico) 3 la ressione media è una variabile di rogetto 4 il fluido di lavoro è aria istone LP LP xp dislacer Tc Vc ωt Th Tc Vh Vc testa calda xd finecorsa sueriore LD LD testa fredda asta del dislacer molla finecorsa inferiore La rigidezza della molla (recarico) + massa di gas controllano le condizioni oerative

4 il fluido di lavoro è aria istone LP LP xp dislacer Tc Vc ωt Th Tc Vh Vc testa calda xd finecorsa sueriore LD LD testa fredda

9 Il modello matematico del motore Iotesi di lavoro 1 il fluido di lavoro (aria) è un gas erfetto 2 la massa del fluido nel motore è costante 3 la ressione istantanea è la medesima in tutto il motore 4 lo scambio di calore avviene in condizioni isoterme 5 il moto del istone di otenza è di tio sinusoidale 6 il movimento del dislacer è limitato sueriormente ed inferiormente da fine corsa 7 le forze sul dislacer: a) camo gravitazionale; b) ressione; c) richiamo elastico della molla (con recarico)

isoterme 5 il moto del istone di otenza è di tio sinusoidale 6 il movimento del dislacer è limitato sueriormente ed

10 Il modello matematico del motore Schema di calcolo, I la ressione interna si ottiene dalla conservazione della massa MR = V h + V c + V d T h T c T d note che siano le variazioni dei volumi V h (caldo) e V c (freddo) il volume V h risulta dal moto del dislacer V h (t) = A D [L D x D (t)] il volume V c è noto dal moto del istone di otenza V c (t) = (A D A R )[L D + x D (t)] + A P [L P x P (t)]

V h (caldo) e V c (freddo) il volume V h risulta dal moto del dislacer V h (t) = A D [L D x D (t)]

11 Il modello matematico del motore L equazione del moto del dislacer, I La legge di moto del dislacer diende dalle forze che su di esso agiscono c& x D PISTONE IN MOTO LIBERO M & D x D g M D x D L D M & D x D M D (x g x D L D, D t) = (x D, t) e L D L D e M D ẍ D = A R (x D, t) (Sx D F 0 ) M D g e Sx D F 0 Sx D F 0

IN MOTO LIBERO M & D x D g M D x D L D M & D x D M D (x g x D L D, D t) = (x

12 Il modello matematico del motore L equazione del moto del dislacer, II PISTONE A FINE CORSA 0 er x D < L D c& x D F sm (x D, ẋ D ) = cẋ D er ( x D L D L D ) M & x x D D DAND M g D (x D ẋ D 0) L D M & D x D g M D x D L D L D 0 er ( x D L D ) AND (x D ẋ D < 0) M D ẍ D = A R (x D, t) (Sx D F 0 ) M D g F sm e Sx D F 0 e Sx D F 0

x D D DAND M g D (x D ẋ D 0) L D M & D x D g M D x D L D L D 0 er ( x D L D ) AND

13 Il modello matematico del motore I arametri utilizzati er il calcolo I PARAMETRI DI PROGETTO, I L P = 0.05 m A P = m 2 M D = 0.5 kg A R = m 2 S = 1200 N/m T c = 360 K V d 10 4 m 3 c = Ns/m Area sezione trasversale del istone Area sezione trasversale dell asta (rod) del dislacer Semicorsa del istone Volume dello sazio morto (dead sace) Massa del dislacer Rigidezza della molla collegata al dislacer Costante di smorzamento dei finecorsa A P A R L P V d M D S c

621 10 4 m 2 S = 1200 N/m T c = 360 K V d 10 4 m 3 c = 5 10 4 Ns/m Area sezione trasversale del istone Area sezione

14 Il modello matematico del motore I arametri utilizzati er il calcolo I PARAMETRI DI PROGETTO, II L D = 0.01 m A D = m 2 e = 10 5 Pa F 0 = N T h = 700 K T d = 530 K M = kg ω = 73, 3 rad/s Area della sezione trasversale del dislacer A D Semicorsa del dislacer L D Pressione esterna e Temeratura del fluido di lavoro nello sazio caldo (hot sace) T h Temeratura del fluido di lavoro nello sazio morto (dead sace) T d Forza di recarico della molla collegata al dislacer F 0 Massa del fluido di lavoro M Velocità angolare della manovella ω

26 10 3 kg ω = 73, 3 rad/s Area della sezione trasversale del dislacer A D Semicorsa del dislacer L D Pressione esterna e Temeratura del

15 Il modello matematico del motore I risultati, I Sostamento del dislacer [mm] Sostamento del istone [mm] moto regolare del dislacer ressione interna: bar; valore medio 3.2 bar temo [s] Pressione [bar] Pressione [bar] med Volume [m3] temo [s] POTENZA 1.5 kw (ideale!) RENDIMENTO 18%

5 8 10 12 100 125 150 5 4.5 7 6.5 6 temo [s] Pressione [bar] 4 3.5 3 Pressione [bar] 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 med 2.5 2 1.5 1 110 3 1.3 10 3 1.

16 Il modello matematico del motore I risultati, II I LIMITI DI FUNZIONAMENTO DEL MOTORE IL NUMERO DI GIRI Il motore funziona correttamente quando il dislacer giunge - e ermane - a fine corsa

17 Il modello matematico del motore I risultati, III I LIMITI DI FUNZIONAMENTO DEL MOTORE IL PRECARICO Il motore funziona correttamente quando il dislacer giunge a fine corsa

18 Il modello matematico del motore I risultati, IV IL FUNZIONAMENTO DEL MOTORE Al crescere della ressione (media) oerativa aumenta la otenza utile aumenta la velocità del motore aumenta il recarico F 0 aumentano le erdite fluidodinamiche di resistenza

oerativa aumenta la otenza utile aumenta la velocità del

19 Le soluzioni meccaniche adottate Lo schema generale del motore LO SCHEMA GENERALE DEL MOTORE I soffietti (er ora solo sull asta del dislacer) eliminano una imortante causa di erdita. Il soffietto realizzato ( = 1 bar) motore ad aria: bassa densità di otenza rilevanti erdite di attrito in acciaio inox, AISI 316 er idroformatura ha lo sessore di artenza del lamierino di 0.15 mm

Il soffietto realizzato ( = 1 bar) motore ad aria: bassa densità di otenza rilevanti erdite di

20 Outline Il motore Ringbom-Stirling Modello matematico del motore Le soluzioni meccaniche adottate Conclusioni Le soluzioni meccaniche adottate Il motore realizzato IL MOTORE REALIZZATO - ALCUNI COMPONENTI le saldature del soffietto alla struttura sono a tenuta il dislacer e in lamiere di inox (1 mm) 1 Congresso CDM

realizzato IL MOTORE REALIZZATO - ALCUNI COMPONENTI le saldature del soffietto

21 Le soluzioni meccaniche adottate I futuri rogetti IL MOTORE IN PROGETTO dislacer ωt soffietti finecorsa sueriore LD xd LD finecorsa inferiore asta del dislacer un secondo soffietto sostituisce il istone di otenza difficoltà nell uso dei soffietti: la differenza di ressione ammissibile la caratterizzazione dei soffietti CONCLUSIONI il motore è semlice e di semlice costruzione, richiede oca manutenzione, è olicombustibile, modesta tecnologia, oco costoso

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