Pompa di calore + stirling

[+Benito+]

Mi è balenata un'idea. Le pompe di calore, in condizioni ideali, raggiungono COP dell'ordine di 6.
Significa che riescono a fornire calore (a bassa temperatura) che può essere utilizzato in qualche modo.
I motori a ciclo stirling possono lavorare con basse temperature e bassi delta T, per cui, idealmente, sarebbe forse possibile utilizzare i 40°C della pompa di calore in un ambiente a 15°C, o meno se si sfrutta il flusso d'aria generato dal lato freddo della pdc, per far girare uno stirling.
Il quale stirling, accoppiato ad un generatore elettrico, potrebbe alimentare la pompa di calore.
Il bilancio del sistema dipende in prima battuta dal rendimento dello stirling.

Così in prima battuta c'è la possibilità che il sistema abbia un bilancio netto positivo. Non trovate?

[!fazz]

Originariamente inviato da +Benito+

Mi è balenata un'idea. Le pompe di calore, in condizioni ideali, raggiungono COP dell'ordine di 6.
Significa che riescono a fornire calore (a bassa temperatura) che può essere utilizzato in qualche modo.
I motori a ciclo stirling possono lavorare con basse temperature e bassi delta T, per cui, idealmente, sarebbe forse possibile utilizzare i 40°C della pompa di calore in un ambiente a 15°C, o meno se si sfrutta il flusso d'aria generato dal lato freddo della pdc, per far girare uno stirling.
Il quale stirling, accoppiato ad un generatore elettrico, potrebbe alimentare la pompa di calore.
Il bilancio del sistema dipende in prima battuta dal rendimento dello stirling.

Così in prima battuta c'è la possibilità che il sistema abbia un bilancio netto positivo. Non trovate?

no





eccoci arrivati all'ennesimo thread sul moto perpetuo: dimentichi nel tuo discorso un bel pò di cose tra cui il rendimento dello stirling (che se non mi ricordo male è sui 30%) il rendimento del generatore elettrico e tutte le perdite in gioco

[+Benito+]

non hai capito niente fazz, che moto prepetuo, la pdc assorbe calore dall'aria
L'unico vincolo è il rendimento dello stirling (non è l'unico ma è quello dominante).
il guaio è che se non ricordo male il rendimento di carnot tra 40°C e 5°C è del 10%, per cui sarebbe certamete insufficiente il rendimento di uno stirling che operasse tra le due temperature.
Di primo acchito, credo che un 25% sia il minimo necessario per mantenere il sistema in equilibrio, quindi ci sarebbe da abbassare la temperatura del pozzo freddo, il che manderebbe in crisi la pdc a meno di non utilizzare un ulteriore rigeneratore che innalzi da temperatura del pozzo freddo della pdc a valori in cui il COP sia massimo.

C'è anche da dire che il ciclo frigorifero della pdc è realizzato con un gas che ha le sue condizioni operative in quelle normali ambiente, la mia cultura non mi permette di sapere se con altri gas fosse possibile raggiungere cop di 5-6 anche con pozzi freddi a -10, -20°C potendo comunque raggiungere temperature di mandata di 40°C

[!fazz]

Originariamente inviato da +Benito+

non hai capito niente fazz, che moto prepetuo, la pdc assorbe calore dall'aria
L'unico vincolo è il rendimento dello stirling (non è l'unico ma è quello dominante).
il guaio è che se non ricordo male il rendimento di carnot tra 40°C e 5°C è del 10%, per cui sarebbe certamete insufficiente il rendimento di uno stirling che operasse tra le due temperature.
Di primo acchito, credo che un 25% sia il minimo necessario per mantenere il sistema in equilibrio, quindi ci sarebbe da abbassare la temperatura del pozzo freddo, il che manderebbe in crisi la pdc a meno di non utilizzare un ulteriore rigeneratore che innalzi da temperatura del pozzo freddo della pdc a valori in cui il COP sia massimo.

C'è anche da dire che il ciclo frigorifero della pdc è realizzato con un gas che ha le sue condizioni operative in quelle normali ambiente, la mia cultura non mi permette di sapere se con altri gas fosse possibile raggiungere cop di 5-6 anche con pozzi freddi a -10, -20°C potendo comunque raggiungere temperature di mandata di 40°C

penso che le faccine ridenti messe nel messaggio fossero chiare, era una battuta, so benissimo come funziona una pompa di calore (dannata fisica tecnica) infatti sotto ho detto che ti mancano parecchi rendimenti

[+Benito+]

ok e quindi? lo so anch'io che c'è il punto sui rendimenti, ma è una cosa ben diversa dal moto perpetuo. C'è da aumentare il delta T.

[fabrylama]

Originariamente inviato da +Benito+

non hai capito niente fazz, che moto prepetuo, la pdc assorbe calore dall'aria

La quale è una sorgente [teoricamente] infinita, quindi moto perpetuo (di seconda specie).

Un altro modo di guardarla è pensare al primo enunciato della seconda legge della termodinamica: "È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l'apporto di lavoro esterno"
Che significa che se vuoi scaldare la stanza devi immettere del lavoro dall'esterno.

[+Benito+]

non sono d'accordo. Se estendi il confine del sistema, inglobando tutto il macchinario, l'energia si conserva, quello che asporti dallo stirling ti torna in qualche forma al mondo che ha ceduto calore alla pompa di calore, non hai una sovrapproduzione. Hai una conversione di energia termica in energia elettrica.

Come energia entrante avresti l'energia termica che va alla pdc (quella elettrica/meccanica rimarrebbe all'interno del sistema), come energia uscente avresti l'energia meccanica prodotta dallo stirling e l'energia termica rilasciata dalla pompa di calore, sommata alle inefficienze.

[fabrylama]

Originariamente inviato da +Benito+

non sono d'accordo. Se estendi il confine del sistema, inglobando tutto il macchinario, l'energia si conserva, quello che asporti dallo stirling ti torna in qualche forma al mondo che ha ceduto calore alla pompa di calore, non hai una sovrapproduzione. Hai una conversione di energia termica in energia elettrica.

non ho capito

Come energia entrante avresti l'energia termica che va alla pdc (quella elettrica/meccanica rimarrebbe all'interno del sistema), come energia uscente avresti l'energia meccanica prodotta dallo stirling e l'energia termica rilasciata dalla pompa di calore, sommata alle inefficienze.

Il problema è che a te non serve energia termica entrante, ma lavoro entrante; se non hai lavoro in ingresso nel sistema, non puoi spostare calore dal corpo freddo a quello caldo:

"È impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia quello di trasferire calore da un corpo più freddo a uno più caldo senza l'apporto di lavoro esterno"

Magari ho capito male io quello che vuoi dire... io ho capito che tu hai pensato un sistema che scalda la stanza [corpo caldo] prendendo calore dall'ambiente [corpo freddo] e senza apporto di lavoro [energia meccanica/elettrica]

[+Benito+]

lo scopo non è trasferire calore, ma convertire energia termica (calore a bassa temperatura) in lavoro meccanico (all'albero dello stirling).


mi dai da pensare

Spoiler:

[fabrylama]

Ok, non avevo capito.
Se il tuo scopo è produrre lavoro, sei vincolato (strettamente minore) al rendimento del ciclo di carnot, rendimento che dipende dalle temperatura della sorgente calda e fredda: qualsiasi cosa tu faccia dentro la sistema, non potrai mai superare il rendimento di carnot, è del tutto irrilevante che tu dentro al sistema riesca ad aumentare la temperatura creando una terza sorgente calda, perché il rendimento complessivo è sempre dato dalle temp delle sorgenti esterne al sistema.

Questo a livello teorico (ipotizzando di poter realizzare una macchina termica quasi ideale), nella realtà si sa che più il delta t è basso, più è difficile creare una macchina termica vicina a quella ideale (questo è un problema diverso e aggiuntivo rispetto al fatto che il rendimento di carnot diminuisce al diminuire della delta T), quindi capisco da dove origini la tua idea: creare una terza sorgente ad alta temperatura per migliorare il funzionamento dello stirling... ma [e quì parlo a naso] non funziona, anzi peggiora la situazione.
Se tu avessi dei macchinari senza attrito, potresti in effetti migliorare la produzione di lavoro, avvicinandoti al limite di carnot fra le due sorgenti [esterne], ma penso che gli attriti dei macchinari portino a dispersioni di energia superiori al vantaggio prodotto in termini di efficienza dello stirling.

Per farla breve una macchina termica appositamente sviluppata per lavorare fra 2 basse temperature è sicuramente più efficiente di un sistema del genere ( e comunque il rendimento sarà sempre decisamente inferiore a quello di carnot).

ps. Ho insistito sul fatto che il rendimento complessivo sia comunque in ogni caso minore di quello di carnot fra le due sorgenti esterne non perché penso che tu non lo sappia, ma per evitare che qualche lettore del forum si faccia strane idee.

[+Benito+]

il punto è che la macchina che rende più "pregiato" li calore c'è ed è la pompa di calore.
Le macchine a ciclo r134a lavorano bene con temperature di evaporazione intorno ai 5°C, e con temperature di condensazione intorno a 40°C. Pertanto, ipotizzando di lavorare in un "mondo" a 15°C, espellono aria a 7-8°C.

I due flussi che si troverebbero a lambire lo stirling sarebbero perciò in quelle condizioni.
Se si ammette che una pompa di calore ideale progettata per lavorare a punto fisso in quelle condizioni possa raggiungere un COP di 8, significa che tutto ciò che è sistema può avere un rendimento del 12,5% nell'utilizzo del cascame energetico disponibile a valle della pompa di calore al fine di generare l'energia meccanica necessari al funzionamento della pompa di calore stessa.

Per cui c'è da pensare (e qui servirebbe un fisico esperto nei cicli frigoriferi) ad un ciclo frigorifero, anche multi stadio con diversi fluidi, che consenta di lavorare con delta T di almeno un centinaio di gradi tra il cascame freddo ed il prodotto caldo.

In quel modo una speranza forse c'è.

ma mi dai da pensare lo stesso.

[fabrylama]

comunque una cosa non mi è chiara: te hai una sorgente fredda e una calda esterne al "sistema" costituito da pdc+stirling? Perché rileggendo il discorso mi pare di capire che tu abbia solo una sorgente e ti crei l'altra con la pdc... in tal caso il sistema non può produrre lavoro a causa del solito secondo principio.

[+Benito+]

è possibile che tu abbia ragione.

[hibone]

Così a spanne, a regime, se la macchina termica produce lavoro L assorbendo una quantità di calore Q, la macchina frigorifera dovrebbe erogare alla sorgente calda la quantità di calore Q, che è la somma di un contributo Q', prelevato dalla sorgente "tiepida", e di un lavoro L' che è prelevato dalla macchina termica, e si sottrae ad L.

Per le solite implicazioni di termodinamica
Q > L
Q' < L'
con Q'+L' >= Q > L

andando a considerare i rendimenti si dovrebbe riuscire a capire quanta parte del lavoro (L-L') può essere effettivamente estratta. Nella migliore delle ipotesi, considerando rendimenti unitari, Q = L e Q' = L', per cui solo il 50% del lavoro della macchina termica può essere utilizzato. Nella realtà, le prestazioni dovrebbero essere ben peggiori, per cui è possibile che una macchina termica ad hoc, da sola, sia in grado di ottenere prestazioni migliori.

[+Benito+]

Non ho colto la conclusione

[hibone]

Originariamente inviato da +Benito+

Non ho colto la conclusione

La conclusione è che dovresti mettere in piedi due macchine che con l'unica certezza che almeno per il 50% del tempo sono fini a se stesse e non producono alcun lavoro utile. C'è caso che la situazione reale sia anche peggiore. Vale la pena affrontare la spesa?

Naturalmente se avessi la possibilità di alimentare la pompa di calore senza prelevare lavoro dalla macchina termica il discorso cambierebbe.

L'idea di base comunque, almeno imho, è che senza valutare il bilancio energetico complessivo si va poco lontano e si resta sul vago, anziché ottenere una risposta precisa.

[+Benito+]

riflettendoci mi sembra un sistema isoentropico, il che non è possibile.