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Rigeneratore-economizzatore del motore Stirling

1816-11-16

Robert Stirling

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

Il rigeneratore, o ‘economizzatore’, è il contributo più significativo di Robert Stirling e la chiave dell'elevata efficienza del motore. Si tratta di uno scambiatore di calore interno che immagazzina e rilascia temporaneamente energia termica durante il ciclo. Quando il gas caldo si sposta verso il lato freddo, deposita calore nella matrice del rigeneratore, che viene poi assorbito dal gas freddo durante il suo viaggio di ritorno verso il lato caldo.

La funzione del rigeneratore è quella di pre-raffreddare il gas di lavoro prima che entri nel raffreddatore principale e di pre-riscaldarlo prima che entri nel riscaldatore principale. Ciò riduce drasticamente la quantità di calore che deve essere aggiunta dalla fonte esterna e ceduta al dissipatore esterno durante le fasi isocoriche (a volume costante) del ciclo. In un rigeneratore ideale, il calore trasferito dal gas alla matrice durante il processo di raffreddamento isocorico è esattamente uguale al calore trasferito nuovamente al gas durante il processo di riscaldamento isocorico. Questo riciclo interno del calore è ciò che consente all'efficienza del ciclo Stirling ideale di eguagliare l'efficienza di Carnot.

Designing an effective regenerator involves a careful balance of competing factors. It must have a high heat capacity to store sufficient energy, a large internal surface area for rapid heat transfer, and high thermal conductivity perpendicular to the gas flow to facilitate this transfer. However, it must also have low thermal conductivity parallel to the gas flow to prevent heat from simply bypassing the cycle and conducting from the hot to the cold end. Furthermore, it must have low aerodynamic resistance to minimize the work needed to pump the gas through it, and it must contain a minimal volume of gas (dead volume) to maximize the engine’s compression ratio. Common materials include stacks of fine metal wire mesh, metal foams, or ceramic matrices.

Efficienza, Energia, Trattamento termico, Industria meccanica, Ottimizzazione dei processi, Gestione della qualità, Energia rinnovabile, Pratiche sostenibili, Termodinamica

UNESCO Nomenclature: 2212

- Termodinamica

Tipo

Dispositivo fisico

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

Principi fondamentali del trasferimento di calore (conduzione, convezione)
Comprensione della capacità termica dei materiali
Primi progetti di scambiatori di calore e recuperatori nei forni industriali

Applicazioni

motori Stirling ad alta efficienza per l'energia solare e la cogenerazione
crioraffreddatori e frigoriferi a tubi pulsati in cui la rigenerazione è fondamentale per raggiungere temperature criogeniche
motori e refrigeratori termoacustici
processi di separazione del gas
crioraffreddatori giromill
alcuni tipi di pompe di calore a ciclo di gas

Brevetti:

GB 4081 of 1816

Idee e potenziali innovazioni

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Correlati a: rigeneratore, scambiatore di calore, efficienza termica, motore Stirling, processo isocorico, accumulo di calore, fluido di lavoro, efficienza di Carnot, perdita di pompaggio, volume morto.

Contesto storico

Apparecchio per la miscelazione dei gas in un laboratorio d'epoca per applicazioni termodinamiche.

Legge di Dalton delle pressioni parziali

La legge di Dalton afferma che in una miscela di gas non reagenti, la pressione totale esercitata è uguale alla somma delle pressioni parziali dei singoli gas. La pressione parziale di un gas è la pressione che eserciterebbe se occupasse da solo l'intero volume alla stessa temperatura. La formula è [latex]P_{text{total}} = \sum_{i=1}^{n} p_i[/latex].

Polarizzazione degli elettrodi in un esperimento sulla pila di Volta che dimostra la formazione di idrogeno gassoso.

Limitazione della polarizzazione dell'elettrodo

Uno dei principali difetti della pila di Volta è la polarizzazione degli elettrodi. Durante il funzionamento, l'idrogeno gassoso prodotto dal catodo di rame forma uno strato isolante di bolle sulla sua superficie. Questo strato aumenta la resistenza interna della batteria e riduce la superficie disponibile per la reazione. Di conseguenza, la tensione e la corrente in uscita dalla pila diminuiscono significativamente poco dopo l'inizio dell'utilizzo.

Velocità del suono in un gas perfetto

La velocità del suono ([latex]c[/latex]) in un gas perfetto è determinata dalle sue proprietà termodinamiche, non dalla sola pressione o densità. La formula è [latex]c = \sqrt{\gamma R_s T}[/latex], dove [latex]\gamma[/latex] è il rapporto di capacità termica ([latex]c_p/c_v[/latex]), [latex]R_s[/latex] è la costante specifica del gas e [latex]T[/latex] è la temperatura assoluta. Pertanto, il suono viaggia più velocemente in un gas più caldo.

Rigeneratore-economizzatore del motore Stirling

Macchina per prove di trazione che misura lo stress e la deformazione nella fisica dello stato solido.

Stress and Strain

La sollecitazione ingegneristica ([latex]\sigma[/latex]) è il carico applicato diviso per l'area della sezione trasversale originale ([latex]A_0[/latex]), mentre la deformazione ingegneristica ([latex]\epsilon[/latex]) è la variazione della lunghezza ([latex]\Delta L[/latex]) divisa per la lunghezza originale ([latex]L_0[/latex]). Queste definizioni, [latex]\sigma = \frac{F}{A_0}[/latex] e [latex]\epsilon = \frac{Delta L}{L_0}[/latex], sono fondamentali per tracciare le curve sforzo-deformazione, ma presuppongono che le dimensioni del provino rimangano costanti durante la prova.

Elettromagnete in un laboratorio che dimostra i principi dell'elettromagnetismo.

Elettromagnetismo ed elettromagneti

Un elettromagnete è un tipo di magnete in cui il campo magnetico è prodotto da una corrente elettrica. Il campo scompare quando la corrente viene interrotta. Tipicamente, è costituito da un filo avvolto a formare una bobina. L'intensità del campo magnetico è proporzionale alla corrente e al numero di spire della bobina. Questo principio fu scoperto da Hans Christian Ørsted.

Equazioni di Navier-Stokes

Le equazioni di Navier-Stokes sono un insieme di equazioni differenziali parziali non lineari che descrivono il moto di sostanze fluide viscose. Si tratta di una dichiarazione della seconda legge di Newton, che bilancia le variazioni di quantità di moto con i gradienti di pressione, le forze viscose e le forze esterne. Per un fluido incomprimibile, l'equazione è [latex]\rho (\frac{parziale \mathbf{v}}{parziale t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex].

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Apparecchio in vetro che dimostra la legge di Charles in un ambiente di laboratorio d'epoca.

Legge di Charles (legge Vol-Temp)

Conosciuta anche come legge del volume-temperatura o legge dei volumi, la legge di Charles afferma che per una massa fissa di un gas ideale a pressione costante, il volume che occupa è direttamente proporzionale alla sua temperatura assoluta. Si esprime come [latex]V \propto T[/latex] o [latex]\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}[/latex]. Spiega la tendenza dei gas a espandersi quando vengono riscaldati in condizioni isobariche (pressione costante).

Laboratorio del XIX secolo con scienziati che studiavano la struttura atomica e le reazioni chimiche.

Teoria atomica moderna

La teoria atomica postula che tutta la materia sia composta da unità discrete chiamate atomi. Un elemento è costituito da atomi con un numero specifico di protoni nel nucleo. Sebbene un tempo fossero considerati indivisibili, ora si sa che gli atomi sono composti da particelle subatomiche: protoni, neutroni ed elettroni. Le reazioni chimiche comportano la riorganizzazione di questi atomi, che si conservano durante il processo.

Legge di Avogadro

La legge di Avogadro afferma che volumi uguali di tutti i gas, alla stessa temperatura e pressione, contengono lo stesso numero di molecole. Questo stabilisce una proporzionalità diretta tra il volume di un gas e la quantità di sostanza (numero di moli). La relazione matematica è espressa come [latex]V \propto n[/latex] o, più comunemente, come [latex]V/n = k[/latex], dove k è una costante.

Motore Stirling che dimostra i principi della termodinamica in un ambiente di laboratorio.

Ciclo Stirling

Il ciclo Stirling ideale è un ciclo termodinamico rigenerativo chiuso che comprende quattro processi distinti: espansione isotermica, rimozione isocora del calore, compressione isotermica e aggiunta isocora del calore. Il fluido di lavoro è contenuto in modo permanente. La sua efficienza termica teorica è pari all'efficienza del ciclo di Carnot, data da [latex]\eta_{th} = 1 - \frac{T_C}{T_H}[/latex], dove [latex]T_H[/latex] e [latex]T_C[/latex] sono le temperature assolute dei serbatoi caldo e freddo.

Ricercatore che studia la dinamica dei fluidi in un laboratorio del XIX secolo, concentrandosi sul presupposto del continuo.

Ipotesi del continuum

L'ipotesi del continuo tratta i fluidi come materia continua piuttosto che come molecole discrete. Questa semplificazione è valida quando la scala di lunghezza del problema è molto più grande della distanza intermolecolare, consentendo di definire proprietà come densità e velocità in punti infinitesimamente piccoli. Ciò consente l'uso di equazioni differenziali per descrivere il comportamento macroscopico del flusso di fluidi.

Momento di dipolo magnetico

Il momento magnetico di un magnete è una quantità vettoriale che caratterizza le sue proprietà magnetiche complessive. Può essere visualizzato come un dipolo magnetico, un'ipotetica coppia di poli nord e sud separati da una certa distanza. Il momento punta dal polo sud al polo nord. Per un anello di corrente, il momento magnetico [latex]\vec{\mu} = I \vec{A}[/latex], dove I è la corrente e A è il vettore area.

Effetto Seebeck

L'effetto Seebeck è la conversione diretta di una differenza di temperatura in una tensione elettrica. Quando un gradiente di temperatura viene applicato attraverso una giunzione di due conduttori o semiconduttori dissimili, si produce una tensione. Questa tensione è proporzionale alla differenza di temperatura, con una costante di proporzionalità nota come coefficiente di Seebeck ([latex]V = S cdot Delta T[/latex]).

Ingegnere strutturale che analizza lo stress nella progettazione di ponti utilizzando i principi del tensore di sforzo di Cauchy.

Tensore dello stress di Cauchy

Il tensore delle sollecitazioni di Cauchy, indicato con [latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex], è un tensore del secondo ordine che definisce completamente lo stato di sollecitazione in un punto all'interno di un materiale. Mette in relazione il vettore trazione (forza per unità di area) [latex]\mathbf{T}[/latex] su qualsiasi superficie passante per quel punto con il vettore normale della superficie [latex]\mathbf{n}[/latex] attraverso la relazione lineare [latex]\mathbf{T} = \boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{n}[/latex].

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)