innovation.world
Product Design, Manufacturing & Innovation Resources
Lar » Regenerador/economizador de motor Stirling

Regenerador/economizador de motor Stirling

1816-11-16
  • Robert Stirling
Regenerator matrix of a Stirling engine demonstrating thermal energy storage in thermodynamics.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

O regenerador, ou "economizador", é a contribuição mais significativa de Robert Stirling e a chave para a alta eficiência do motor. Trata-se de um trocador de calor interno que armazena e libera temporariamente energia térmica durante o ciclo. À medida que o gás quente se move para o lado frio, ele deposita calor na matriz do regenerador, que é então absorvido pelo gás frio em seu retorno ao lado quente.

A função do regenerador é pré-resfriar o gás de trabalho antes de sua entrada no resfriador principal e pré-aquecê-lo antes de sua entrada no aquecedor principal. Isso reduz drasticamente a quantidade de calor que precisa ser adicionada da fonte externa e rejeitada para o dissipador externo durante as fases isocóricas (volume constante) do ciclo. Em um regenerador ideal, o calor transferido do gás para a matriz durante o processo de resfriamento isocórico é exatamente igual ao calor transferido de volta para o gás durante o processo de aquecimento isocórico. Essa reciclagem interna de calor é o que permite o funcionamento ideal do regenerador. Stirling A eficiência do ciclo deve corresponder à eficiência de Carnot.

Projetar um regenerador eficaz envolve um equilíbrio cuidadoso de fatores conflitantes. Ele deve ter alta capacidade térmica para armazenar energia suficiente, uma grande área de superfície interna para rápida transferência de calor e alta condutividade térmica perpendicular ao fluxo de gás para facilitar essa transferência. No entanto, também deve ter baixa condutividade térmica paralela ao fluxo de gás para evitar que o calor simplesmente contorne o ciclo e se conduza da extremidade quente para a fria. Além disso, deve ter baixa resistência aerodinâmica para minimizar o trabalho necessário para... bombear O gás passa por ele e deve conter um volume mínimo de gás (volume morto) para maximizar a taxa de compressão do motor. Materiais comuns incluem pilhas de malha de arame metálico fino, espumas metálicas ou matrizes cerâmicas.

UNESCO Nomenclature: 2212
Termodinâmica

Tipo

Dispositivo físico

Interrupção

Revolucionário

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Princípios básicos de transferência de calor (condução, convecção)
  • Compreensão da capacidade térmica dos materiais
  • Projetos iniciais de trocadores de calor e recuperadores em fornos industriais

Aplicações

  • motores Stirling de alta eficiência para energia solar e chp
  • Criocongeladores e refrigeradores de tubo de pulso, onde a regeneração é fundamental para atingir o objetivo. criogênico temperaturas
  • motores e refrigeradores termoacústicos
  • processos de separação de gases
  • criocongeladores giromill
  • certos tipos de bombas de calor de ciclo a gás

Patentes:

  • GB 4081 of 1816

Ideias de Inovação Potencial

  • functionally graded regenerator materials with varying porosity and thermal mass
  • 3d-printed micro-lattice regenerators for optimized flow and heat transfer
  • phase-change materials integrated into the regenerator matrix to increase thermal storage density
  • self-cleaning regenerators for engines running on impure biomass fuels
  • magnetocaloric materials used in regenerators for magnetic refrigeration cycles
  • regenerators with integrated catalisadores for internal fuel reforming
  • flexible, fiber-based regenerators that can conform to complex shapes
  • thermoelectric materials coating the regenerator to generate secondary power from the thermal gradient
  • acoustic resonators to enhance heat transfer within the regenerator matrix
  • regenerators made from carbon nanotube foams for ultra-low weight and high surface area
Relacionado a: regenerador, trocador de calor, eficiência térmica, motor Stirling, processo isocórico, armazenamento de calor, fluido de trabalho, eficiência de Carnot, perda por bombeamento, volume morto.

Contexto histórico

Gas mixing apparatus in a vintage laboratory for thermodynamics applications.

Lei de Dalton das Pressões Parciais

A Lei de Dalton afirma que, em uma mistura de gases não reagentes, a pressão total exercida é igual à soma das pressões parciais dos gases individuais. A pressão parcial de um gás é a pressão que ele exerceria se ocupasse todo o volume sozinho, à mesma temperatura. A fórmula é [latex]P_{text{total}} = sum_{i=1}^{n} p_i[/latex].
Electrode polarization in a Voltaic pile experiment demonstrating hydrogen gas formation.

Limitação da polarização do eletrodo

Uma das principais falhas da pilha voltaica é a polarização dos eletrodos. Durante o funcionamento, o gás hidrogênio produzido no cátodo de cobre forma uma camada isolante de bolhas em sua superfície. Essa camada aumenta a resistência interna da bateria e reduz a área de superfície disponível para a reação. Como resultado, a tensão e a corrente de saída da pilha caem significativamente logo após o início de seu uso.
Experimental setup for measuring speed of sound in a perfect gas in acoustics.

Velocidade do som em um gás perfeito

A velocidade do som ([latex]c[/latex]) em um gás perfeito é determinada por suas propriedades termodinâmicas, e não apenas por sua pressão ou densidade. A fórmula é [latex]c = sqrt{gamma R_s T}[/latex], onde [latex]gamma[/latex] é a razão entre as capacidades térmicas ([latex]c_p/c_v[/latex]), [latex]R_s[/latex] é a constante específica do gás e [latex]T[/latex] é a temperatura absoluta. Portanto, o som se propaga mais rapidamente em gases mais quentes.

Regenerador/economizador de motor Stirling

Tensile testing machine measuring stress and strain in solid state physics.

Estresse e tensão

A tensão de engenharia (σ) é a carga aplicada dividida pela área da seção transversal original (A₀), enquanto a deformação de engenharia (ε) é a variação no comprimento (ΔL) dividida pelo comprimento original (L₀). Essas definições, σ = F/A₀ e ε = ΔL/L₀, são fundamentais para a construção de curvas tensão-deformação, mas pressupõem que as dimensões do corpo de prova permaneçam constantes durante o ensaio.
Electromagnet in a laboratory demonstrating electromagnetism principles.

Eletromagnetismo e Eletroímãs

Um eletroímã é um tipo de ímã no qual o campo magnético é produzido por uma corrente elétrica. O campo desaparece quando a corrente é desligada. Normalmente, consiste em um fio enrolado em uma bobina. A intensidade do campo magnético é proporcional à corrente e ao número de espiras da bobina. Esse princípio foi descoberto por Hans Christian Ørsted.
Fluid dynamics researcher analyzing flow patterns using Navier–Stokes equations.

Equações de Navier-Stokes

As equações de Navier-Stokes são um conjunto de equações diferenciais parciais não lineares que descrevem o movimento de substâncias fluidas viscosas. Elas são uma formulação da segunda lei de Newton, equilibrando as mudanças de momento com os gradientes de pressão, as forças viscosas e as forças externas. Para um fluido incompressível, a equação é [latex]rho (frac{partial mathbf{v}}{partial t} + mathbf{v} cdot nabla mathbf{v}) = -nabla p + mu nabla^2 mathbf{v} + mathbf{f}[/latex].
1802
1810
1816
1816-11-16
1820
1820
1822
1802
1808
1811
1816-11-16
1820
1820
1821
1822
Glass apparatus demonstrating Charles's Law in a vintage laboratory setting.

Lei de Charles (Lei Vol-Temp)

Também conhecida como lei volume-temperatura ou lei dos volumes, a Lei de Charles afirma que, para uma massa fixa de um gás ideal a pressão constante, o volume que ele ocupa é diretamente proporcional à sua temperatura absoluta. Isso é expresso como [latex]V propto T[/latex] ou [latex]frac{V_1}{T_1} = frac{V_2}{T_2}[/latex]. Ela explica a tendência dos gases de se expandirem quando aquecidos sob condições isobáricas (pressão constante).
19th-century laboratory with scientists studying atomic structure and chemical reactions.

Teoria Atômica Moderna

A teoria atômica postula que toda a matéria é composta de unidades discretas chamadas átomos. Um elemento consiste em átomos com um número específico de prótons em seu núcleo. Embora antes considerados indivisíveis, os átomos são hoje conhecidos por serem compostos de partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons. As reações químicas envolvem o rearranjo desses átomos, que são conservados durante o processo.
Laboratory setup demonstrating Avogadro's Law in physical chemistry with gas measurements.

Lei de Avogadro

A lei de Avogadro afirma que volumes iguais de todos os gases, à mesma temperatura e pressão, contêm o mesmo número de moléculas. Isso estabelece uma proporcionalidade direta entre o volume de um gás e a quantidade de substância (número de moles). A relação matemática é expressa como [latex]V propto n[/latex] ou, mais comumente, como [latex]V/n = k[/latex], onde k é uma constante.
Stirling engine demonstrating thermodynamic principles in a laboratory setting.

Ciclo de Stirling

O ciclo Stirling ideal é um ciclo termodinâmico regenerativo fechado que compreende quatro processos distintos: expansão isotérmica, remoção de calor isocórica, compressão isotérmica e adição de calor isocórica. O fluido de trabalho está permanentemente contido. Sua eficiência térmica teórica é igual à eficiência do ciclo de Carnot, dada por [latex]eta_{th} = 1 - frac{T_C}{T_H}[/latex], onde [latex]T_H[/latex] e [latex]T_C[/latex] são as temperaturas absolutas dos reservatórios quente e frio.
Researcher studying fluid dynamics in a 19th-century laboratory, focusing on continuum assumption.

Suposição de continuidade

A hipótese do contínuo trata os fluidos como matéria contínua, em vez de moléculas discretas. Essa simplificação é válida quando a escala do problema é muito maior que a distância intermolecular, permitindo que propriedades como densidade e velocidade sejam definidas em pontos infinitesimalmente pequenos. Isso possibilita o uso de equações diferenciais para descrever o comportamento macroscópico do fluxo de fluidos.
Laboratory setup for studying magnetic dipole moment in electromagnetism.

Momento de dipolo magnético

O momento magnético de um ímã é uma grandeza vetorial que caracteriza suas propriedades magnéticas gerais. Ele pode ser visualizado como um dipolo magnético, um par hipotético de polos norte e sul separados por uma distância. O momento aponta do polo sul para o polo norte. Para uma espira de corrente, o momento magnético [latex]vec{mu} = I vec{A}[/latex], onde I é a corrente e A é o vetor área.
Thermoelectric generator demonstrating Seebeck effect in solid state physics.

Efeito Seebeck

O efeito Seebeck é a conversão direta de uma diferença de temperatura em uma tensão elétrica. Quando um gradiente de temperatura é aplicado à junção de dois condutores ou semicondutores diferentes, uma tensão é produzida. Essa tensão é proporcional à diferença de temperatura, sendo a constante de proporcionalidade conhecida como coeficiente de Seebeck ([latex]V = S cdot Delta T[/latex]).
Structural engineer analyzing stress in bridge design using Cauchy stress tensor principles.

Tensor de tensão de Cauchy

O tensor de tensão de Cauchy, denotado por [latex]boldsymbol{sigma}[/latex], é um tensor de segunda ordem que define completamente o estado de tensão em um ponto dentro de um material. Ele relaciona o vetor de tração (força por unidade de área) [latex]mathbf{T}[/latex] em qualquer superfície que passa por esse ponto com o vetor normal da superfície [latex]mathbf{n}[/latex] através da relação linear [latex]mathbf{T} = boldsymbol{sigma} cdot mathbf{n}[/latex].

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

Últimas adições

Postagens e artigos mais populares

Todos os outros artigos sobre design

Ferramentas originais de alta qualidade

Todas as outras ferramentas originais da innovation.world
10º ano aniversário

Imagens em tamanho real e downloads estão disponíveis apenas, 100% gratuitos, para membros registrados.

> Conecte-se <