regolatore di temperatura per serbatoio di gas

[ingegnere]

Salve, ho un serbatoio di gas fatto di metallo con dentro della co2 liquida, vorrei essere in grado di scaldarlo fino a una certa temperatura ma il problema è che posso usare due pile stilo (3 volt) e non di più.

Pensavo di usare una resistenza in ceramica da 1 ohm e 4 watt di potenza appiccicata al serbatoio, in modo da arrivare intorno ai 50 gradi.

naturalmente si tratterebbe di un controllo in ciclo aperto; sarebbe molto bello installare una termocoppia (o meglio ancora un sensore di pressione interno per rilevare la pressione del gas) in modo da realizzare un controllo in ciclo chiuso ma devo lavorare in spazi ristretti e sensori così piccoli non ne ho visti.

Accetto suggerimenti, forse ci sono modi migliori per fare quello che vorrei.

Grazie

 

[gabri-z]

3V?

Quale è il budget?

L'autonomia sarà poca....Il gas e compresso. Volume, massa bomboletta ?

 

Modificato: 15 ottobre 2019 da gabri-z

[ingegnere]

buongiorno gabri-z; certamente non mi aspetto una autonomia superiore a 15-20 minuti, nè mi serve in effetti.

Il gas è compresso in un contenitore che ne contiene 12 grammi, la pressione dipende dalla temperatura, a 20 gradi è tra i 70 e gli 80 bar, sono le classiche cartucce di co2 che si usano nei sifoni per panna montata o per il gonfiaggio di emergenza di pneumatici.

Io vorrei mantenere il più possibile costante la temperatura (e di conseguenza la pressione) perchè man mano che la cartuccia si svuota, tende a raffreddarsi fino anche a congelarsi e sputare fuori ghiaccio secco.

[gabri-z]

Hai fatto una prova riscaldando in altro modo per vedere se lo svuotamento a te necessario non la raffredda ancora ?Per quel che vuoi fare ti serve una grande quantità di energia in quel poco tempo, ti serve uno scambio di calore molto rapido, dubito che riscaldando la bomboletta, che magari se avesse una massa importante aiuterebbe, tu riesca a far fronte alla velocità con cui si raffredda il gas.

 

 

[ingegnere]

buona sera gabri-z; non ho fatto questa prova quantificando la variazione di temperatura, ma la constato "fisicamente",

Sono un expat, vivo in nord europa e ho poca attrezzatura e di bassa qualità, per cui mi devo un po'arrangiare.

La tua osservazione è giustissima e me la ponevo anche io, vale a dire quanto ci mette il mio regolatore e riportare la temperatura al valore che voglio.

in realtà, l'idea sarebbe quella di riscaldare la bomboletta in continuazione in modo che l'involucro metallico funga da "buffer di calore" nel senso che

-il regolatore riscalda la resistenza

-la resistenza scalda l'involucro della bomboletta

-l'involucro della bomboletta riscalda il gas

bisogna considerare che le bombolette di co2 oltre una certa temperatura esplodono scagliando schegge metalliche ovunque😐, ovviamente si devono passare i 100 gradi, quindi la scelta di usare delle normali batterie è anche per evitare possibili inconvenienti disastrosi in caso di guasto.

Pensavo di usare la componentistica di una sigaretta elettronica.

[elettromega]

Ciao  una cosa simile ha mandato nel dimenticatoio le auto ad aria compressa

[ingegnere]

Allora, mi spiego meglio, sto cercando di fare un termostato per un'arma a aria compressa (co2 appunto), quella dell'immagine allegata:

 

qui in nord europa d'inverno è un casino usare le armi a co2 perchè le temperature sono basse così mi è venuta questa idea (che a quanto pare nessun altro al mondo aveva mai pensato prima, non so perchè visto che è di una banalità assoluta.)

Ho voluto spiegare meglio la questione, caso mai fosse contrario al regolamento chiudete pure il thread.

grazie.

[Livio Orsini]

Scusa ti firmi ingegnere ma, mi sembra, che tu non stia facendo ragionamenti da ingegnere.

 

Dovresti sapere che pasti gratis in natura non  ne esistono, qualcuno deve sempre pagare.

 

Anche non considerando i vari problemi di termotecnica, hai presente lamassima energia istantanea prelevabile dalla batteria che intendi usare?

Hai un'idea di quanta energia, ed in quanto tempo, sarebbe necessaria per compensare l'assorbimento di calore dovuto all'espansione del gas?

 

Anche con un calcolo molto spannometrico si capisce che le 2 cose sono incompatibili.

[ingegnere]

Buongiorno Livio, la mia laurea in ingegneria vecchio ordinamento risale a 14 anni fa: sii buono 😛

Inoltre questo è più un problema di fisica.

Spiego ancora meglio il problema perché potrebbe aiutare a fare un po' di calcoli anche se spannometrici.

Dunque di armi da sparo alternative a quelle da fuoco ne esistono vari tipi e tutte usano un gas (o miscela) compresso per accelerare il proiettile lungo la canna, liscia o rigata che sia; le ami a molla sono complicatissime da modellare (come anche quelle classiche da fuoco), mentre le armi a co2 (e anche quelle PCP, che cioè usano l'aria compressa generalmente tra i 200 e i 300 bar) sono più semplici, in sostanza finché il proiettile è dentro la canna (=balistica interna) si applica la legge di Boyle per cui il prodotto volume e pressione rimane costante(trascurando le perdite, pistoni di recupero gas per il riarmo dell'otturatore eccetera) e quindi si ottiene analiticamente la velocità del proiettile (v0).

Una volta che il proiettile è uscito dalla canna, si applica la meccanica classica e le leggi di Newton.

Il problema con le armi a co2 è che la pressione dipende sostanzialmente dalla temperatura, e quindi anche la velocità del proiettile.

L'arma a co2 spara "forte" all'inizio e man mano si indebolisce non perché, come quasi tutti pensano, la quantità di gas diminuisce, ma perché la bombola si raffredda man mano che la co2 cambia stato.

La cosa è ancora più "drammatica" per le armi a co2 automatiche, che sono vietate in italia ma legali dove vivo io, come quella su cui sto lavorando, perché in questo caso una parte del co2 viene usata per riarmare l'otturatore e sparare i colpi successivi in sequenza: ancora peggio, quest'arma spara "a otturatore aperto", cioè è l'intera massa dell'otturatore (in acciaio) che deve arretrare per poi percuotere lo stelo della valvola, e non un semplice pistoncino o percussore.

l'arma sui cui lavoro si chiama ZMZ Tyrex PPA-K-02, conversione a co2 della pistola mitragliatrice russa "Kedr" calibro 9 Makarov - vedere il videogioco Escape From Tarkov per maggior dettagli- che esce della stessa linea dell'arma vera, stessi materiali (acciaio brunito) e finiture)

Modificato: 16 ottobre 2019 da ingegnere

[gabri-z]

Ingegnere, mi permetta :se le basi le ha, perché ne salta qualcuna(di basi) ?

Fai un conto alla rovescia, cioè, quanta energia possono erogare le due pile (dimentichiamo la velocità del rilascio)

comparala con l'energia spesa per comprimere il gas (le leggi nominate direbbero che sai come) e vedi se sono almeno vicine. Ti servirà comunque più di quanta è stata spesa, dato l'ambiente ostile....

[Livio Orsini]

6 ore fa, ingegnere ha scritto:

piego ancora meglio il problema perché potrebbe aiutare a fare un po' di calcoli anche se spannometrici.

 

Grazie per la spiegazione; conosco un po' il problema perchè ho usato, quando facevo apnea, un fucile subaqueo a gas (non CO₂), poi son tornato al classico ad aria complessa perchè, nonostante la fatica della pompata, mi dave meno problemi.

 

Ipotizziamo di sorvolare sui problemi dimensionali.

Ipotizziamo che 4W di dissipazione elettrica sia sufficiente a mantenere la temperatura ottimale del gas.

Visto che le dimensioni sono una condizio ridotte "sine qua non" la batteria non può avere grandi dimensioni.

Ipotizziamo una cella al LiPo da 3.7V avente dimensioni 40mm x 30 mm x 5mm avente una capacità di 500mAh (ma si trovano con dimensioni simili ancche da 800 mA e più).

Immaginiamo di voler mantenere la temperatura del gas 25°C.

Non puoi scaldare continuamente la bombola perchè altrimenti la temperatura salirebbe a valori pericolosi; contemporaneamente quando inizia il raffrddamento l'inerzian termica del sistema non è in grado di trasferire istantaneamente la qualtità di calore necessaria a compensare le perdite per evaporazione.

Bisognerebbe avere sistemi differenti di riscaldamento come, per pura ipotesi, un riscaldamento ad induzione, ma questo richiederebbe correnti istantanee che la batteria non può erogare.

 

Un sistema di riscaldo per scambio termico con un resistore non ha i requisiti di rapità necessari. E' senz'altro in grado di mantenere a 25°C il contenitore per parecchi minuti, ma non credo sia in grado di mantenere costante la temperatura durante una raffica, anche di soli 3 colpi. Presumo, ma la mia è solo una sensazione non suffragata da calcoli, che già al terzo colpo il caloo di temperatura sia notevole e che sarebbero necessari parecchi minuti di riscaldamento per riprisitnare i 25°C.

Poi è necessario avere un regolatore serio; concettualmente non è difficile basta un snsore con una piccola NTC posizionato strategicamente sul contenitore. Ma l'elettronica di controllo "mangia" comunque energia,non tanta ma anche questa contribuisce al consumo.

[ingegnere]

Grazie a entrambi. Facciamo due conti, partendo dalla fisica per arrivare all'elettronica.

Per fissare le idee abbiamo la cartuccia di co2 da 12 grammi piena alla pressione di 60 bar, il caricatore pieno,il selettore di tiro su"автоматический" cioè automatico e l'otturatore armato.

Premiamo il grilletto e l'otturatore colpisce lo stelo della valvola, quindi il prodotto pressione * volume resta costante finchè il proiettile non è uscito dalla canna:

P0 * V0 = P(t)*V(t)

 

il t che ci interessa è l'istante in cui il proiettile è uscito dalla canna (cioè l'ha percorsa); in quel preciso istante il volume è il volume iniziale + il volume della canna dell'arma (A*L, dove A è l'area e L la lunghezza della canna ovviamente):

V(t) = V0 + A*L

sto trascurando il volume della presa di recupero gas che riarma l'otturatore, in realtà andrebbe sommato anche questo volume.

 

ora il proeittile è uscito dalla canna ed è soggetto alla meccanica classica; dalla seconda legge di Newton F=ma si ottiene l'accelarazione e risolvendo l'equazione differenziale si ottiene la velocità del proiettile.

La forza agente sul proiettile è ovviamente la pressione della co2 all'istante t moltiplicata per l'area del proiettile (approssimata all'area A..essendo il proeittile una sfera, sarebbe la metà della superficie ma vabbè, semplifichiamo):

F = AP(t)

a questo punto basta sostituire P(t):

F= ( A*P0*V0 ) / ( V0 + A*L)

non abbiamo tenuto conto dell'attrito perchè la canna del Tyrex è liscia e lappata alla perfezione da sembrare uno specchio; in caso di canne rigate "da carabina" andrebbe considerato

 quindi. essendo m la massa del proiettile e v la velocità:

( A*P0*V0 ) / ( V0 + A*L) = m * dv/dt

 

il modo più semplice di risolvere questa equazione è passare attraverso il secondo teorema di Konig:

in sostanza questo teorema ci dice che l'energia cinetica di un proiettile è la somma dell'energia cinetica propriamente detta e della componente rotazionale (omega è la velocità angolare in radianti/secondo e I è il momento di inerzia del proiettile)

Abbiamo detto che la canna è liscia quindi omega è zero e comunque  il momento di inerzia lo trascuriamo per tutti i proiettili eccetto quelli all'uranio impoverito o alle palle di cannone da 50 cm di calibro della corazzata Bismark 😏)

quindi sostituendo otteniamo finalmente la velocità del proiettile all'uscita della canna, detta v0 (da non confondere col V0 che è il volume della co2 un attimo prima dello sparo) 

,sqrt è la radice quadrata e ln è il logaritmo naturale ovviamente

 

v0 = sqrt [     (2/m) *  ( P0*V0 * ln{ 1 + (A*L)/V0   }   ]

 

continua

[ingegnere]

Ora viene la parte più difficile.

Il rateo di fuoco dell'arma è elevatissimo, il caricatore da 25 colpi dura circa tra i 2 e i 3 secondi: diciamo che spara 10 colpi al secondo.

Con una cartuccia di co2 si sparano 2 caricatori e al terzo inizia un po a soffrire, quindi diciamo che con 50 colpi svuotiamo i 12 grammi di co2 della cartuccia; questo vuol dire che a ogni colpo in media vengono rilasciati 0.24 grammi di co2;  per calcolare la variazione di temperatura per ogni colpo sono molto tentato di usare l'equazione dei gas perfetti:

P*V = n*R*T

 

il problema è che la co2 nella cartuccia è in forma liquida quindi applicare questa equazione non ha senso.

Idee per calcolare la variazione di temperatura a ogni colpo sparato???

(a parte ovviamente misurare empiricamente la temperatura della cartuccia dopo aver sparato un intero caricatore di fila e assumere che la temperatura della co2 sia la stessa del suo contenitore cosa su cui ho parecchi dubbi.........)

perchè quella è la variazione che il regolatore dovrebbe compensare in un decimo di secondo (cioè nel tempo tra uno sparo e l'altro)

 

Modificato: 16 ottobre 2019 da ingegnere

[Livio Orsini]

1 ora fa, ingegnere ha scritto:

perchè quella è la variazione che il regolatore dovrebbe compensare in un decimo di secondo (cioè nel tempo tra uno sparo e l'altro)

Per me non è possibile.

[ingegnere]

Caro livio, può darsi che sia impossibile, tuttavia io sarei già MOLTO felice di contrastare (nei limiti del possibile) il raffreddamento della bomboletta, senza arrivare alla compensazione totale; come puoi vedere dall'equazione della velocità, essa dipende direttamente della pressione, quindi poter sparare a pressione costante significa sparare a velocità costante (d'accordo, ci sono gli attriti, le guide più o meno lubrificati eccetera per cui il percussore non colpirà mai la valvola con la stessa identica forza) e questo si traduce in una migliore precisione. Questa carabina:

si chiama Hammerli Airmagnum 850 ed è molto famosa perchè a 50 metri prendi una moneta da 1 euro: eppure è a co2, sebbene usa le bombole da 88 grammi e non da 12 grammi. Per usarla in inverno si usa un accorgimento, cioè quello di avvolgere il cosiddetto "scaldaculo" alla bombola (che è posta nell'astina, poco sopra il bipiede); lo "scaldaculo" è un riscaldatore chimico delle dimensioni un tovagliolo, lo stropicci un po' e lui ti scalda per un certo tempo; io vorrei fare qualcosa di simile ma elettrico e più "in piccolo"

Modificato: 16 ottobre 2019 da ingegnere

[ingegnere]

tieni anche conto che il Kedr (da cui deriva direttamente il mio Tyrex) è un'arma per il combattimento praticamente " corpo a corpo" come una normale pistola: è fatto per colpire bersagli a breve distanza (tra i 5 e i 10 metri).

 E' stato progettato niente meno che da Eugeny Dragunov (l'inventore del celebre fucile da cecchino Dragunov detto anche SVD) per cui non vorrei fare modifiche invasive (visto anche il suo costo che fuori dalla Russia è spropositato).

Comunque dai un'occhiata alle batterie per sigarette elettroniche: in uno spazio ridottissimo hai una batteria da 3000 mAh, 3.7 volt e corrente di corcocircuito 30 A

[gabri-z]

2 ore fa, ingegnere ha scritto:

Idee per calcolare la variazione di temperatura a ogni colpo sparato???

 

2 ore fa, ingegnere ha scritto:

P*V = n*R*T

Da qui puoi trovare il delta T nella fase di liquefazione , poi usi Q =m*c*(T₂-T₁) e ti trovi l'energia liberata come calore nel tempo della compressione che in grosso modo è quella che assorbirà adesso per tornare gas. Fai conto per massa andata in '' colpi '' e credo che ti devi avvicinare a quel che ti serve 

Modificato: 16 ottobre 2019 da gabri-z

[gabri-z]

Forse conviene riscaldare non la bomboletta ,ma solo la zona interessata ....

[ingegnere]

1 ora fa, gabri-z ha scritto:

Forse conviene riscaldare non la bomboletta ,ma solo la zona interessata ....

Ci avevo pensato: avrebbe il vantaggio che l'elemento riscaldante (resistenza o qualunque altra cosa sia) potrebbe essere fissato per sempre, mentre invece se lo collego alla bomboletta, va staccato ogni volta che la bomboletta viene sostituita (le bombolette di co2 sono usa e getta, non so se l'avevo specificato:

se osservi lo schema (scusate, ne ho aggiunti 2 e non sembra che gli allegati si possono togliere!)

vedrai che c'è un tubetto di metallo che collega la cartuccia di co2 (12) al gruppo valvola (A): quel tubetto sembra un buon punto dove piazzare l'elemento riscaldante anche se lo spazio è poco perchè pochi millimetri sopra il tubo scorre l'otturatore: il gruppo batteria, un led di stato e l'interruttore si potrebbero alloggiare nell'impugnatura e far passare i fili.

[ingegnere]

2 ore fa, gabri-z ha scritto:

Forse conviene riscaldare non la bomboletta ,ma solo la zona interessata ....

ecco una foto della zona:

ho tolto il coperchio, l'asta guidamolla, la molla e l'otturatore: il tubetto è quello color rame.

l'asta color acciaio è la guida dell'otturatore: dentro è cava e il gas si espande anche lì per il riarmo dell'otturatore 

[Livio Orsini]

11 ore fa, ingegnere ha scritto:

eppure è a co2, sebbene usa le bombole da 88 grammi e non da 12 grammi. Per usarla in inverno si usa un accorgimento, cioè quello di avvolgere il cosiddetto "scaldaculo" alla bombola (che è posta nell'astina, poco sopra il bipiede); lo "scaldaculo" è un riscaldatore chimico

 

Queste son differenze fondamentali: la bombola ha un volume di oltre 7 volte e, soprattutto il riscaldamento è chimico, quindi senza inerzia del riscaldatore.

 

Si potrebbe ipotizzare un riscaldamento simile al termostato per quarzi.

Transistor di media potenza in contenitore simil TO220, con un carico di un resistore di potenza, il tutto alimentato da una cella da 3.7V

Si applica fisicamente il case del transistor sul fondo della bomboletta, così come il resistore.

Facendo circolare una corrente di collettore compresa, e variabile, tra 100mA e 200mA scalderebbe il fondo della bombola; dovrebbe funzionare con un principio simile a quello degli scaldacqua da bagno. L'elemento riscaldante è in basso, il liquido caldo tende a salire ed a disporsi nella parte superiore da dove avviene il prelievo.

Non ho fatto alcun calcolo; il valore di corrente è solo frutto di una sensazione.

Ovviamente si dovrebbe alimentare il circuito, tramite interruttore, un attimo prima dell'inizio della raffica.

 

Non so se questo ti sembra fattibile, dal punto di vista meccanico. Se pensi sia fattibile sviluppare il circuitino è abbastanza semplice.

 

 

P.S. Per pura curiosità: in che paese vivi?

[ingegnere]

Buongiorno Livio, vivo nel nord della Francia ma gravito nella zona Lussemburgo, Belgio e Germania.

L'esigenza di riscaldare il co2 a quanto pare esiste anche a livello industriale:

https://tecnista.it/products/preriscaldatore-per-co2

Preriscaldatore per CO2 industriale
Si applica all'uscita della bombola prima del riduttore per evitare che l'erogazione del diossido di carbonio raffreddi il riduttore compromettendone il regolare flusso e quindi le operazioni di saldatura.
Si applica alla presa 230 volts monofase assorbendo 65 watt
Temperatura massima della resistenza 85°C
Attacco UNI 4406 W21,7 1 1/14"

Lunghezza cavo 2 metri
 

con 65 watt deve essere un po' più facile riscaldare  e anche loro alla fine usano una resistenza par di capire.

 

[Darlington]

3 ore fa, ingegnere ha scritto:

 e anche loro alla fine usano una resistenza

 

beh, se vuoi ottenere calore tramite la corrente elettrica non hai altra via che usare una resistenza... il problema è che la cosa non funziona tanto bene quando la corrente viene da delle batterie, nel senso che per ottenere tanto calore ti occorre tanta energia, 65W sono uno sputo di mA se hai a disposizione la corrente di rete, ma diventano decine di A se li vuoi prelevare da una batteria a basso potenziale, per quello in applicazioni portatili viene privilegiato il riscaldamento chimico oppure che fa uso di una qualche forma di combustione, perché il rapporto potenza/peso è favorevole rispetto a qualsiasi batteria 

[gabri-z]

Se non riesce a scaldare la cannuccia o anche la bomboletta con qualche metodo chimico, deve passare alle pallottole vere, che se ne fregano della temperatura, anzi... la fanno alzare. Le pile, anche se potrebbero risolvere il problema per qualche colpo, si fermeranno lì.

 

[ingegnere]

5 ore fa, Livio Orsini ha scritto:

 

Queste son differenze fondamentali: la bombola ha un volume di oltre 7 volte e, soprattutto il riscaldamento è chimico, quindi senza inerzia del riscaldatore.

 

 

Certamente, l'inerzia termica di 88 grammi di co2 è decisamente superiore a quella di 12 grammi; tieni inoltre conto che una carabina di questo tipo (ma ne esistono tante altre simili) viene usata nel tiro lento e mirato a distanze dai 25 ai 100 metri, per la caccia (vietata ovviamente in italia con armi a aria compressa...che ve lo dico affà) o per il "pest control"... per cui tra un colpo e l'altro possono passare anche 4 o 5 secondi, tempo probabilmente sufficiente per la bombola (che ha una notevole superficie) per assestare la temperatura assorbendo calore dall'ambiente (o dallo "scaldaculo" quando fa freddo)