Dos Stirling casi BBB (buenas, bonitas y baratas...)

[Anilandro]

19) La primera opción sería intentar "sintonizar" el movimiento del pistón, forzado por estar conectado a un volante mediante una biela, con las oscilaciones alternas de presión que proceden de la cámara de expansión.
Ya he comentado que el movimiento circular del bulón del volante donde se inserta un extremo de la biela (en otro extremo va al pistón), tiene un diámetro de 16 mm, lo cual se traduce con un vaivén del pistón del mismo valor. Pero por pruebas efectuadas me he dado cuenta que el desplazamiento libre del pistón debido a las oscilaciones de presión raramente alcanzan esta medida, con lo cual, la expansión-contracción del aire mueve el pistón de forma positiva en una cierta parte del ciclo, pero en el resto existe un claro efecto de frenado por depresión en la primera parte del ciclo, y por sobrepresión en la segunda, que resta potencia y velocidad de giro al conjunto...

...En esta "sintonía" no contemplo por el momento el ajuste dinámico de fase, sólo de su amplitud, dejando el primer parámetro establecido de forma fija en la posición que dé un mayor rendimiento aparente, aunque no descarto intentar su modificación en el futuro.
Hay además un efecto del que hasta ahora no he hablado y que no se nota al medir el desplazamiento libre del pistón a muy pocas revoluciones, pero que seguro que se manifiesta al aumentar la marcha, y es la inercia del flujo alterno de aire en el conducto entre la cámara de expansión y el cilindro, que en puntos de resonancia acústica del sistema podrían causar variación del ciclo de presión-depresión que afecta al pistón, sumando incluso una onda de choque viajera. Este efecto es difícilmente medible sin los instrumentos adecuados, y por tanto de momento también lo ignoraré.

20) ...Las soluciones más obvias son las siguientes:
A - Forzamos el funcionamiento de la cámara de expansión, con más caldeo de la parte caliente y más refrigeración en la fría, para que la oscilación libre del pistón se iguale a 16 mm.
B - Aumentamos el tamaño de la cámara de expansión, para que a igual temperatura la oscilación libre del pistón sea de 16 mm.
C - Disminuimos el diámetro del cilindro para que la oscilación aumente la carrera del pistón hasta los 16 mm.
D - Insertamos en el circuito neumático un pequeño "damper" o amortiguador en forma de una cavidad adicional o de una membrana que comunique con el exterior, cuya misión es disminuir presión "negativa" del frenado, siempre más brusca que la "positiva" del impulso favorable al giro.
E - Disminuimos el diámetro de giro del bulón del volante que sujeta la biela, colocándolo más cerca del eje de giro. Con lo cual podremos adecuarlo a la oscilación real en las condiciones habituales.

Las opciones "A", "B" y "C" implican cambios importantes en la Stirling, con piezas de distintas medidas que no serán fáciles de conseguir ni de disponer de medidas ligeramente mayores y menores para realizar comparaciones. La opción "D" suaviza la curva de rendimiento, el giro del motor será más estable pero como el "damper" también absorbe parte de la oscilación "positiva", el motor desarrollará menos potencia, además que en las pruebas que he efectuado alarga de forma considerable en tiempo de caldeo. En cambio la opción "E" es sin duda la más sencilla, porque no implica cambios considerables, sólo efectuar una nueva perforación en el volante para atornillar el bulón a la distancia adecuada del eje de giro que dé lugar a un desplazamiento del pistón igual al que efectuaría libremente. De igual forma podría hacerse mediante un bulón móvil que se desplazara de forma radial mediante un tornillo de ajuste.

21) El problema de esta "sintonía" es que es fija y por tanto sólo puede cambiarse deteniendo la Stirling. Construir un mecanismo de regulación automática sería complejo, especialmente si pretendemos utilizar dispositivos exclusivamente mecánicos, y probablemente absorbería una parte importante de la potencia disponible. En esta situación, la opción "E" irá bien para un régimen de funcionamiento termo-mecánico determinado, pero perderá rendimiento a ambos lados de este valor. Su adecuación, entonces, dependerá de que se pueda mantener relativamente estables tanto la intensidad del caldeo, como de diferencia térmica entre los puntos caliente y frío, la carga y naturalmente las revoluciones.

...Por este motivo también he pensado en un sistema dinámico, relativamente sencillo y que sería capaz de complementar este ajuste o incluso de trabajar en solitario, ya que podría eliminar los sectores de frenado del ciclo de giro de la Stirling, con independencia de cual sea su régimen de funcionamiento...

Continuará...

[cacho]

Por lo que cuentas, parece que la carrera es demasiado larga. Así que empieza por la opción C...

[Anilandro]

Pero la opción C no es la más fácil, porque el conjunto cilindro-pistón no es fácilmente sustituible por otro del diámetro justo que la dilatación-contracción del aire iguale la carrera mecánica. Es una jeringa de cristal de 5 cm3 cortada aproximadamente por la mitad, y tampoco es un elemento fácil de fabricar en aluminio con un torno sin tener herramientas para rectificar muy finamente cilindro y pistón, ya que la estanqueidad tiene que ser perfecta pero manteniendo un rozamiento muy bajo.

La opción "E" de cambiar la carrera mecánica, en cambio, corriendo hacia el eje el bulón del pie de la biela, es mucho más sencilla.

Saludos

[cacho]

Perdón!!
Quería decir E...
En qué estaría yo pensando...

[Anilandro]

En la imagen que viene a continuación muestro de forma gráfica lo que he intentado explicar hasta ahora en el texto, y que tal vez podía inducir a confusión.

Los gráficos A, B y C muestran el desplazamiento forzado de un pistón debido a la geometría de la biela y el cigüeñal. La línea verde acabada en flechas indica dicho desplazamiento, que corresponde al doble del radio de giro del bulón del pie de la biela. A la vez, en la parte derecha se puede ver la oscilación de presión que provocaría este desplazamiento, siendo naturalmente mayor en la opción A, que en la B, y ésta que en la C.

Las siglas PMS significan Punto Muerto Superior, que es en cada caso la posición que adquiere el pistón del pistón lo más cerca posble de la parte cerrada del cilindro, por donde se conecta a la cámara de expansión. Y las PMI pues Punto Muerto Inferior, que corresponde con la posición del pistón lo más hacia fuera del cilindro. Cada bulón del cigüeñal dará distintos PMS y PMI, estando siempre separados el doble del radio del bulón con respecto al eje del volante.

Las presiónes provenientes de la cámara de expansión las represento como senoidales alternas, con un valor medio de cero, y un valor eficaz que representa el área interna de la senoide, es decir su integral definida entre 0 y 360º. Presumo que los valores de presión/depresión tiene la forma de senoide porque son fruto de movimiento senoidal del agitador, pero es posible que algunos fenómenos deformen la forma de onda, en todo caso no importa, al ser un ciclio cerrado será alterna, primero una sobrepresión que partiendo del PMS empujará el pistón hasta el PMI, seguida de una depresión de la misma magnitud que retornará el pistón desde el PMI hasta el PMS.

Sin embargo, algo en que no había caído hasta ahora es que la amplitud de esta senoide no sería determinante en el movimiento extremo del pistón libre, si no tan sólo de su velocidad, de lo rápido que alcanzará tales extremos. La distancia entre el PMS y PMI, como he dicho, dependerán del valor eficaz, de la energía encerrada en cada semiárea de la senoide

En los gráficos A, B y C la oscilación de presión generada por la cámara de expansión también sería la que conseguiría un mayor rendimiento para cada disposición del bulón, porque su cambio coincidiría perfectamente con la posición del pistón forzado por la biela, con lo cual nunca podrían producirse momentos de frenado.




...El gráfico D, en cambio, muestra los efectos de una desadaptación entre lo que sería la carrera libre del pistón creada por la oscilación que viene de la cámara de expansión, y la carrera forzada por la biela. En este caso, la línea verde 1, indica el desplazamiento forzado, la linea azul 2 indica la parte de desplazamiento a causa de la oscilación de la presión (que en este caso es menor de lo que debería) y que coincidiría con un correcto empuje o tracción del pistón, en cambio los dos extremos rojos corresponderían a momentos de frenado, el extremo 3 sería por causar una depresión durante la fase de expansión, y el 4 a causa de una sobrepresión en la fase contracción...

Entonces, encontrar la distancia adecuada del bulón al eje de giro del volante es fundamental para evitar estas "zonas rojas", que restarán par, revoluciones y rendimiento. Pero el problema, como ya comenté, es que es un ajuste estático que corresponde a un cierto régimen termo-mecánico del motor (y su correspondiente ciclo de presión), sin que pueda adaptarse de forma automática a oscilaciones menores o mayores, durante las cuales aparecerán de nuevo zonas rojas en ambos extremos de la carrera del pistón.

Lo próximo será encontrar un sistema sencillo pero que pueda corregir de forma automática estas desadaptaciones. Tengo un par de ideas al respecto, aunque necesitaré algunos días para concretarlas e intentar probar su viabilidad...

Un saludo a todos

[Anilandro]

Después de las observaciones anteriores, he llegado a la conclusión que un sistema de "ajuste dinámico" para la Stirling podría basarse en la supresión de las "zonas de frenado", es decir, las que más allá del empuje normal al cilindro debido al volumen de aire expandido o contraído desde la cámara de expansión, frenan el movimiento normal del pistón en su recorrido forzado por el conjunto biela-cigüeñal.

Este "frenado" será por depresión en la fase media o final de expansión, es decir cuando el pistón, empujado por una presión de más de 1 Atm, va desde el PMS (Punto Muerto Superior) al PMI (Punto Muerto Inferior), y por "sobrepresión" en la fase media o final de la depresión, es decir cuando el pistón, absorbido por una depresión inferior a 1 Atm. retorna desde el PMS al PMI.

...Por tanto, disponiendo en el conducto por donde entra la oscilación de presión de dos válvulas unidireccionales, invertidas y bloqueables dependiendo de si la carrera del pistón es descendente (PMS a PMI), o ascendente (PMI a PMS), dejen aprovechar al pistón el movimiento adecuado pero eliminen las zonas de presión contraria a dicho movimiento comunicando el conducto con la atmósfera.

...Las ventajas no solamente deberían ser de rendimiento directo, al evitar el frenado, con lo cual la Stirling debería arrancar mucho más rápido en el caldeo, y adquirir más par y revoluciones, en cualquier momento (que son la mayoría), en que exista una desadaptación entre la carrera mecánica y la causada por los cambios de presión, si no que además, provocaría una renovación de aire a temperatura ambiente en la zona fría de la cámara, la cual, en mi caso, alcanza temperaturas superiores a 80 Cº a los pocos minutos de funcionamiento.

En el siguiente diagrama se puede ver esta idea:




1) El gráfico superior, que ya mostré en un anterior diagrama, es un planteamiento de las condiciones de giro, con las marcas de la posición del pistón en el PMS y PMI, el desplazamiento forzado en verde, el desplazamiento normal por los cambios de presión en azul, y los desplazamientos en rojo, correspondiendo a zonas de frenado por depresión cuando debería haber sobrepresión y viceversa.

2) El gráfico medio ya puede verse la configuración propuesta.
- Dos válvulas unidireccionales y bloqueables: A sólo de entrada, y B sólo de salida
- El control de estas válvulas es excluyente, si A está abierta, B está cerrada, y viceversa
- El control de válvulas depende a su vez de un sensor que capta la posición y movimiento del volante. Cuando el pistón alcanza el PMS se abre la válvula A y se cierra la B. Cuando el pistón alcanza el PMI, cierra la válvula A y abre la B

3) En este gráfico medio la configuración es por tanto A abierta, B cerrada, con lo cual la sobrepresión procedente de la cámara de expansión, sea cual sea, empujará el pistón desde el PMS al PMI, pero si antes de llegar a este último se agota el empuje debido a la oscilación de presión, en este instante, a causa del movimiento obligado del pistón por la biela, se producirá un depresión de frenado, instante en que se abrirá la membrana de la válvula unidireccional A y al entrar aire de la atmósfera eliminará esta depresión y por tanto su frenado, continuando por inercia y sin freno el movimiento del pistón hasta el PMI.

4) En el gráfico inferior se contempla la conmutación de válvulas cuando el pistón ha llegado al PMI. Se cierra al A de depresión y se abre la B de sobrepresión. En este caso el pistón comienza a moverse desde el PMI hacia el PMS absorbido por la depresión proveniente de la cámara, pero si esta depresión, por no tener la oscilación suficiente amplitud, se agota antes de llegar al PMS, en este punto comenzaría a producirse una sobrepresión de frenado, que inmediatamente abrirá la membrana de la válvula B y se eliminará en la atmósfera, permitiendo que el pistón llegue de forma libre hasta el PMS.

5) ¿Y qué pasaría si el empuje del pistón por la oscilación de presión, en vez de ser más pequeña que el movimiento forzado por la biela, fuera mayor? ...Pues que las válvulas seguirían actuando de forma correcta, sólo que en este caso no se abrirían hacia el medio o al final de la carrera ascendente o descendente del pistón, si no en su inicio... Veamos cómo actuarían...

6) El pistón está inicialmente en el PMS, y la oscilación de presión es positiva y lo empuja hacia el PMI, pero como esta oscilación es ahora más grande y se mantiene hasta el PMI, la membrana de la válvula de depresión simplemente no se abrirá. Bien, el pistón supera el PMI pero aún hay presión positiva, que en un pistón en retroceso le generaría una fuerza de frenado. Pero resulta que al llegar el pistón al PMI las válvulas han cambiado, se ha bloqueado la A, y se ha abierto la B de sobrepresión, con lo cual ésta abre su membrana y elimina el exceso de presión, dejando el conducto a cero y cerrándose sólo cuando la presión de la cámara baje de cero, con lo cual elimina el frenado de inicio de carrera PMI-PMS...

7) En el siguiente semiciclo ocurre lo mismo pero en condiciones invertidas. La depresión de la cámara "chupa" el pistón hasta que llega al PMS, pero si la oscilación negativa alcanza más allá de este punto y frenaría el inicio de carrera PMS-PMI, como se a cerrado la válvula de sobrepresión B y se ha abierto la de depresión A, dicha depresión se elimina permitiendo que el pistón siga su movimiento libre hasta que llegue de nuevo la sobrepresión...

...En resumen, pienso que con un sistema semejante se eliminarían todos los problemas de "sintonia" entre la parte mecánica y la neumática de la Stirling, aumentado considerablemente su rendimiento. Aunque en el caso de oscilación mayor que la carrera, mejoraría aún más añadiendo el sistema del "damper" de amortiguación.

De momento no tengo muy claro cómo deberían ser estas válvulas. En una Stirling de tamaño normal eso no sería problema, ya que mecánicamente mediante palancas y otros dispositivos podrían accionarse sin absorber una potencia mecánica importante con respecto a lo que da el motor. Pero en mi caso, con una Stirling de juguete en que cualquier freno se nota muchísimo, deberé pensar muy bien como lo hago para que su activación no genere más freno que el que pretende evitar...

...Mi idea, en un principio es construir dos mini-electroválvulas con un control electrónico y un sensor Hall, y eso sería para probar la viabilidad del sistema, pero una vez comprobado me gustaría que el sistema fuera exclusivamente mecánico, siguiendo la filosofía de estos fascinantes motores...

Veremos que sale de ello...

Continuará...

Un saludo a todos

[Anilandro]

Ayer recibí otra pequeña Stirling, pero en este caso es totalmente distinta de las dos anteriores y en realidad debería llamarse de otro modo, puesto que su estructura difiere notablemente del invento del genial cura inglés de 1816.

Esta "Stirling" de denomina de "Termo-Acústica" y si bien también funciona por expansión-contracción del aire al pasar de una zona caliente a una zona fría y por obtener potencia mecánica a través de un conjunto cilindro-pistón, tiene la particularidad de no disponer del típico agitador mecánico que desplaza el aire de una zona a otra, y por lo tanto es mucho más sencilla.




...En este caso el aire se mueve entre zonas de distinta temperatura debido a una "onda de presión" que viaja a través del tubo de cristal, rebota en un extremo y vuelve hacia el otro. Esta onda va desde la parte "caliente" de un extremo, que acumula temperatura mediante un relleno de lana metálica, que puede ser de acero pero en este caso es probablemente de níquel, como el de los estropajos Nanas, pasa por el centro del tubo en donde hay una división metálica con un conducto central, hasta alcanzar el otro extremo en donde está el pistón...

El calor de la llama se aplica a medio tubo de cristal, justo al inicio de la lana metálica y no en su punto central, como parece indicar la imagen. En cuestión de segundos vemos como el aire dilatado empuja el pistón, y así se quedaría, en su punto de máxima expansión si lo dejáramos quieto, pero basta que le demos un pequeño toquecito al volante, muy pequeño, sólo para que oscile un par de milímetros, e inmediatamente observamos como la oscilación va creciendo ella misma, hasta llegar al punto en que el vaivén del pistón consigue hacer girar el volante de inercia ...en este momento la velocidad aumentar muy rápidamente hasta unas revoluciones considerablemente más altas que las tradicionales Stirling de alta temperatura equipadas con agitador...

...De hecho gira tan rápido, que las vibraciones hacen que todo el conjunto se desplace sobre la mesa como si fuera sobre ruedas, por lo que es necesario sujetarlo. Una curiosidad es que el mechero de alcohol es metálico y está fijado por un imán en su base, porque en caso contrario no permanecería ni dos segundos en su posición...

...Sin duda, la oscilación del pistón es la causante de primero "absorber" y luego "devolver" la onda de presión en sentido contrario, otra vez hasta la parte caliente, en que la lana de níquel a mayor temperatura aumenta más su presión y obliga al aire comprimido a dilatarse de nuevo hacia la parte fría del pistón, reiniciando el ciclo...

Las revoluciones son muy altas, pero el par es sin duda inferior a las Stirling tradicionales con agitador. Su funcionamiento es fascinante, porque es un fenómeno claramente oscilatorio, y crea presiones y depresiones mediante el desplazamiento de una masa de aire a igual que ocurre en los tubos acústicos de un órgano, aunque en este caso la "onda" tiene una longitud mucho mayor, correspondiente a una frecuencia que no he medido, pero que en mi máquina tal vez se sitúa sobre los 30 o 40 Hz...

...Y por si a alguien le interesa, la he comprado en Aliexpress por 16 €, en el enlace: https://es.aliexpress.com/item/Mini-mot ... 63c0clT8V4

Añado algunos vídeos sobre máquinas semejantes:

https://www.youtube.com/watch?v=wg96lDw7sNw
https://www.youtube.com/watch?v=XD4Q2bxEBYU


Un saludo a todos

[BARACUS]

Vi este video en Youtube de casualidad, y recordé este post...

https://youtu.be/BmhMAaRCou0