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Regenerador y economizador de motor Stirling

1816-11-16
  • Robert Stirling
Matriz regeneradora de un motor Stirling que demuestra el almacenamiento de energía térmica en termodinámica.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

El regenerador, o «economizador», es la contribución más importante de Robert Stirling y la clave de la alta eficiencia del motor. Se trata de un intercambiador de calor interno que almacena y libera energía térmica temporalmente durante el ciclo. A medida que el gas caliente se desplaza hacia el lado frío, deposita calor en la matriz del regenerador, que luego es absorbido por el gas frío en su viaje de regreso al lado caliente.

La función del regenerador es preenfriar el gas de trabajo antes de que entre en el enfriador principal y precalentarlo antes de que entre en el calentador principal. Esto reduce drásticamente la cantidad de calor que debe añadirse desde la fuente externa y disiparse al sumidero externo durante las fases isocóricas (de volumen constante) del ciclo. En un regenerador ideal, el calor transferido del gas a la matriz durante el proceso de enfriamiento isocórico es exactamente igual al calor transferido de vuelta al gas durante el proceso de calentamiento isocórico. Este reciclaje interno de calor es lo que permite el funcionamiento ideal. Stirling La eficiencia del ciclo debe coincidir con la eficiencia de Carnot.

El diseño de un regenerador eficaz implica un cuidadoso equilibrio de factores contrapuestos. Debe tener una alta capacidad calorífica para almacenar suficiente energía, una gran superficie interna para una rápida transferencia de calor y una alta conductividad térmica perpendicular al flujo de gas para facilitar esta transferencia. Sin embargo, también debe tener una baja conductividad térmica paralela al flujo de gas para evitar que el calor simplemente evite el ciclo y se conduzca del extremo caliente al frío. Además, debe tener una baja resistencia aerodinámica para minimizar el trabajo necesario para bomba El gas pasa a través de él y debe contener un volumen mínimo de gas (volumen muerto) para maximizar la relación de compresión del motor. Los materiales comunes incluyen pilas de malla de alambre metálico fino, espumas metálicas o matrices cerámicas.

UNESCO Nomenclature: 2212
- Termodinámica

Tipo

Dispositivo físico

Ruptura

Revolucionario

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Principios básicos de la transferencia de calor (conducción, convección)
  • Comprensión de la capacidad térmica de los materiales.
  • Primeros diseños de intercambiadores de calor y recuperadores en hornos industriales

Aplicaciones

  • motores Stirling de alta eficiencia para energía solar y chp
  • criorefrigeradores y refrigeradores de tubo de pulso donde la regeneración es fundamental para alcanzar criogénico temperaturas
  • motores y refrigeradores termoacústicos
  • procesos de separación de gases
  • refrigeradores criogénicos giromill
  • ciertos tipos de bombas de calor de ciclo de gas

Patentes:

  • GB 4081 of 1816

Ideas para posibles innovaciones

  • Materiales regeneradores funcionalmente graduados con porosidad y masa térmica variables
  • Regeneradores de microredes impresos en 3D para optimizar el flujo y la transferencia de calor
  • Materiales de cambio de fase integrados en la matriz del regenerador para aumentar la densidad de almacenamiento térmico
  • Regeneradores autolimpiantes para motores que funcionan con combustibles de biomasa impuros
  • Materiales magnetocalóricos utilizados en regeneradores para ciclos de refrigeración magnética.
  • regenerators with integrated catalizadores for internal fuel reforming
  • Regeneradores flexibles basados ​​en fibra que pueden adaptarse a formas complejas
  • Materiales termoeléctricos que recubren el regenerador para generar energía secundaria a partir del gradiente térmico.
  • Resonadores acústicos para mejorar la transferencia de calor dentro de la matriz del regenerador
  • regenerators made from carbon nanotube foams for ultra-low weight and high surface area
Relacionado con: regenerador, intercambiador de calor, eficiencia térmica, motor Stirling, proceso isocórico, almacenamiento de calor, fluido de trabajo, eficiencia de Carnot, pérdida por bombeo, volumen muerto.

Contexto histórico

Regenerador y economizador de motor Stirling

1802
1810
1816
1816-11-16
1820
1820
1822
1802
1808
1811
1816-11-16
1820
1820
1821
1822

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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