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Rigeneratore-economizzatore del motore Stirling

1816-11-16
  • Robert Stirling
Matrice rigeneratrice di un motore Stirling che dimostra l'accumulo di energia termica nella termodinamica.

(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 preraffreddare il gas di lavoro prima che entri nel refrigeratore principale e di preriscaldarlo 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 isocore (a volume costante) del ciclo. In un rigeneratore ideale, il calore trasferito dal gas alla matrice durante il processo di raffreddamento isocoro è esattamente uguale al calore trasferito di nuovo al gas durante il processo di riscaldamento isocoro. Questo riciclo interno del calore è ciò che consente il funzionamento ideale Stirling l'efficienza del ciclo per eguagliare l'efficienza di Carnot.

La progettazione di un rigeneratore efficace richiede un attento equilibrio tra fattori contrastanti. Deve avere un'elevata capacità termica per immagazzinare energia sufficiente, un'ampia superficie interna per un rapido trasferimento di calore e un'elevata conducibilità termica perpendicolare al flusso di gas per facilitare tale trasferimento. Tuttavia, deve anche avere una bassa conducibilità termica parallela al flusso di gas per impedire che il calore bypassi semplicemente il ciclo e si conduca dall'estremità calda a quella fredda. Inoltre, deve avere una bassa resistenza aerodinamica per ridurre al minimo il lavoro necessario per pompa il gas attraverso di esso e deve contenere un volume minimo di gas (volume morto) per massimizzare il rapporto di compressione del motore. I materiali comunemente utilizzati includono pile di reti metalliche a maglia fine, schiume metalliche o matrici ceramiche.

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 energia solare e chp
  • criorefrigeratori e refrigeratori a tubo pulsante dove la rigenerazione è fondamentale per raggiungere criogenico temperature
  • 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

  • materiali rigeneratori funzionalmente graduati con porosità e massa termica variabili
  • Rigeneratori micro-reticolari stampati in 3D per flusso e trasferimento di calore ottimizzati
  • materiali a cambiamento di fase integrati nella matrice del rigeneratore per aumentare la densità di accumulo termico
  • rigeneratori autopulenti per motori alimentati con combustibili di biomassa impura
  • materiali magnetocalorici utilizzati nei rigeneratori per cicli di refrigerazione magnetica
  • regenerators with integrated catalizzatori for internal fuel reforming
  • rigeneratori flessibili a base di fibre che possono adattarsi a forme complesse
  • materiali termoelettrici che rivestono il rigeneratore per generare energia secondaria dal gradiente termico
  • risonatori acustici per migliorare il trasferimento di calore all'interno della matrice del rigeneratore
  • regenerators made from carbon nanotube foams for ultra-low weight and high surface area
Correlato a: rigeneratore, scambiatore di calore, efficienza termica, motore Stirlingprocesso isocoro, accumulo di calore, fluido di lavoro, rendimento di Carnot, perdita di pompaggio, volume morto.

Contesto storico

Rigeneratore-economizzatore del motore Stirling

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

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

decimo anno anniversario

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