Motore Stirling / Ringbom

[ziorick]

Tanto per non rimanere fissato sulle CNC, in questi ultimi tempi, mi sono dedicato alla realizzazione di un motore a ciclo Stirling nella variante di Ossian Ringbom ( un brevetto del 1907 )
Il modello è interessante perchè non ha alcun leverismo che fa muovere il distributore di aria (displacer) come nello Stirling tradizionale, portando ad una semplificazione meccanica e ad un aumento del rendimento.
Le lavorazioni mi hanno impegnato abbastanza date le dimensioni e per il fatto che alcune parti sono molto critiche in termini di tolleranze.
Qui si può vedere il motore funzionante.
Una parte però l'ho realizzata con la mia CNC Proxxon che ho retrofittato qualche tempo fa! Si tratta del supporto cilindri.
Mancano ancora delle alette di raffreddamento sul lato "freddo" del displacer che non ho ancora ben deciso come fare.. anzi se qualcuno ha dei suggerimenti sono ben accolti!

Ciao a tutti!

[Bit79]

Bellissimo lavoro! Una precisione ineccepibile!

Di che materiale hai fatto il pistone? E il displacer? Non dovrebbe essere di materiale isolante?

Anche io tempo fa iniziai a farne uno, molto più grezzo, ma poi è rimasto a metà ....

[ziorick]

Il pistone è di grafite come anche la boccola che mantiene in asse il pistone del displacer. Il displacer, in questo caso deve essere più leggero possibile perchè è mosso solo dalla differenza di pressione tra l'interno e l'esterno del motore. E' vuoto al suo interno e l'ho realizzato da un tondo pieno di aluminio. Il peso del displacer finito non supera i 4 grammi.
Magari ti viene la voglia di completare anche il tuo!

Ciao!

[CarloM]

...bellissimo lavoro, complimenti
Ciao

[Bit79]

In effetti mi hai fatto venir voglia, anche se il mio non è ben rifinito come il tuo.
Io ho seguito lo schema gamma LTD, per intenderci quelli con il piattone sotto e il volano sopra. Mi manca di realizzare il displacer e il suo cilindro. Per il cilindro del displacer mi piacerebbe utilizzare qualcosa di trasparente, per far vedere il funzionamento, ma non so dove recuperare un pezzetto di tubo trasparente diametro 130 mm. Il displacer in alluminio potrebbe essere un'idea, però preferirei realizzarlo con della plastica leggera, ma non so cosa usare....

[ziorick]

Ah.. ho capito allora il tuo è uno stirling a basso differenziale termico (LTD). Si mi piacerebbe costruirne uno, come prossimo progetto! Il funzionamento è sempre lo stesso ma varia la geometria e alcuni particolari costruttivi, come il displacer fatto in schiuma plastica.. tipo i pannelli termoisolanti (Polipan o altro..) Puoi farlo perchè non ci sono alte temperature in gioco, come in questo qui che deve funzionare con temperature elevate!
Il cilindro del displacer è giusto che sia trasparente.. qualcuno lo ha realizzato tornendo un pieno di plexy o altro materiale plastico. Altrimenti puoi cercare qualche tazza o contenitore per liquidi alimentari in qualche centro commerciale e tornirlo come ti serve.
Per il cilindro di potenza esistono ditte che li fanno in vetro con tenute ottime e di effetto estetico magnifico. Una è la Airpot
Dai.. riprendi la tua realizzazione che sono ansioso di vederlo

Ciao!

[riporeno]

complimenti
bellissime realizzazioni e molto interessanti.
Suppongo (da ignorante in materia)che dietro ci sia uno studio molto approffondito sulla costruzione di questi motori
ciao

[ziorick]

Grazie In effetti il brevetto del sig. Ossian Ringbom è del 1907 e non si sa bene se il progetto depositato lo abbia effettivamente realizzato o no.
Solo da non molti anni si è creato un preciso modello matematico che può mettere in relazione i vari parametri realizzativi di questi motori. Il dimensionamento infatti va al di la del semplice "buon senso".
Il progetto chè ho realizzato io si deve al prof. Senft che ha studiato a lungo il ciclo Stirling nelle università  ed è stato il pioniere dello sviluppo del suo modello matematico di analisi. Questi motori oggi potrebbero assumere una grossa rilevanza nello studio delle fonti energetiche altenative, sempre che i giganteschi interessi che ruotano intorno alle materie petrolifere, non ci mettano lo zapino come sempre.....
Comunque è sorprendente vederlo girare e mi sono davvero divertito a costruirlo! e qui si vede un altro filmato con anche le alette di raffreddamento realizzate sul displacer!
E' interessante notare come il motore inizia una fase di oscillazione abbastanza scoordinata per poi girare trovando la coordinazione, una volta raggiunta la temperatura ideale!

[Bit79]

Allora vado a cercare qualche contenitore in plexiglass del diametro giusto. Il displacer in schiuma mi pare fragile e difficile da lavorare con precisione... boh, proverò.
Il cilindro l'ho fatto in acciaio, con pistone in bronzo. Sembra scorrere bene e fare buona tenuta (se lo lascio cadere dentro al cilindro scende piano piano, sostenuto dalla pressione dell'aria interna).

Ciao!

[ziorick]

Stiamo parlando di un LTD, quindi le pressioni interne su cui deve funzionare equivalgono ad una piuma che cade Un simile motore (ma anche il mio qui) deve lavorare a secco. Niente olio per lubrificare e fare la tenuta del pistone perchè avrebbe una viscosità  troppo elevata e non girerebbe! Ecco perchè il materiale in assoluto migliore è la grafite. Specialmente in un LTD! La grafite ha ottime proprietà  autolubrificanti e, accoppiata in un cilindro portato a specchio, è l'ideale.
Il displacer non è soggetto a forze particolari, quindi il "foam" è molto indicato; specialmente per la leggerezza e l'isolamento termico tra lato freddo e caldo. Tutti i ruotismi vanno fatti su cuscinetti molto scorrevoli. Anche qui nel mio, ci sono due cuscinetti su cui gira il volano. Senza questi accorgimenti il motore potrebbe avere troppe perdite per girare con un differenziale termico di pochissimi gradi C.

[Bit79]

E' solo un primo esperimento e qualche errore l'ho fatto sicuramente. Pazienza, girerà  con qulche grado in più. Mi accontento se gira su una tazza di acqua bollente. Per il displacer i materiali leggeri tipo il polistirolo non mi danno fiducia per la difficoltà  di modellarli con precisione e il volume morto che lascerebbero. Ho del pvc (preso per altri lavori) che si lavora in maniera spettacolare. Andrà  bene? Per il cilindro trasparente ho provato a piegare il polistirolo trasparente che si trova nei brico, e si piega abbastanza bene se scaldato a sufficienza. Anche la trasparenza non viene compromessa. Potrei utilizzarlo, ma devo fare una forma molto liscia per girarcelo attorno.

Mi spiegheresti come funziona il comando ringbom del displacer? In futuro vorrei provare a realizzare uno stirling free piston (accoppiato ad un alternatore lineare), e il sistema ringbom mi eliminerebbe tutti i cinematismi.
Il displacer è sospeso con una molla? Cosa lo fa muovere?

Ciao!

[ziorick]

Il displacer è sospeso con una molla? Cosa lo fa muovere?
Ciao!

Assolutamente no! Non esiste alcuna molla! Il displacer è libero e guidato nel cilindro solo dalla sua boccola!
Lo fanno muovere le differenze di pressione interne al motore rispetto alla pressione esterna. La "chiave" del Ringbom stà  nell'asse del displacer che è notevolmente più grosso che nel motore normale. Nel modello è quel cilindretto di ottone che spunta dal lato freddo con il fine corsa a cappellino rovesciato
Nel motore tradizionale l'asse si fa più piccolo possibile. Ha solo la funzione di muovere e sostenere il displacer tramite i manovellismi meccanici, mentre nel Ringbom ha una grossa importanza.
A chi interessa, posso dire che, originariamente, il Ringbom prevedeva una luce inferiore per uniformare la pressione esterna con quella interna durante il moto, rendendo il movimento del displacer legato anche alla forza di gravità . Solo da non molto si è scoperto che eliminando questa luce il motore, una volta alla giusta temperatura e raggiunto l'equilibrio di pressione", può funzionare in qualunque posizione. In questa fase l'influenza della gravità  sul displacer non è più rilevante!

[Bit79]

Capito!
In pratica sul displacer agisce una forza pari alla pressione interna moltiplicata per la sezione dello stelo. La variazione di forza fa oscillare il displacer.
Quindi la pressione interna media dovrà  essere tale da sostenere il peso del displacer, e quindi sarà  maggiore in uno stirling a displacer verticale rispetto ad uno a displacer orizzontale.
Interessante!

Però credo che per uno stirling ad alta pressione, quindi con forze in gioco rilevanti, la molla sia d'obbligo, pena la necessità  di adottare steli troppo sottili.

[ziorick]

Io penso che con una molla non faresti altro che impedirne il corretto funzionamento! E' sorprendente notare come il motore "trova" da se il corretto sincronismo mentre si riscalda. Se vai sul mio secondo video su youtube, vedrai proprio questo funzionamento. All'inizio oscillante e instabile, seguito poi dal funzionamento stabile. Esiste una velocità  critica sopra alla quale il motore smette di funzionare regolarmente e inizia un movimento instabile. Questa è legata alla massa ed inerzia del pistone displacer. Mentre un sistema di "smorzamento" per i finecrorsa del displacer è d'obbligo. Nel caso del modello realizzato, è ottenuto con due anelli in gomma.
Interessante notare anche come un sistema di riduzione o aumento della corsa del displacer, agisca come regolatore della velocità  e anche della potenza erogata.
Tieni presente che tale motore è facilmente "scalabile" come dimensioni e le relazioni matematiche che descrivono il funzionamento, ci dicono che un motore di dimensioni doppie eroga una potenza 4 volte maggiore e gira alla metà  della velocità . Ferme restando tutte le altre variabili.

[Bit79]

I finecorsa del displacer però non sono altro che elementi dissipativi. In un motore piccolo va bene, ma in un motore concepito per erogare potenza e avere massimo rendimento andrebbe visto se conviene...

Dove si possono trovare le varie relazioni matematiche che ne governano il funzionamento?

La proporzione da te citata è naturale ed è applicabile praticamente a tutti i tipi di motori volumetrici. Considera che è il primo strumento di paragone per valutare e confrontare i motori a scoppio.

La discussione si fa sempre più interessante!