Unità di potenza con motore Stirling a bassa temperatura e tubo vortex. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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La conversione dell'energia termica a bassa temperatura in calore industriale è possibile utilizzando una pompa di calore o un motore a ciclo Stirling. Le pompe di calore a ciclo Stirling sono ampiamente trattate in letteratura; qui si considera l'utilizzo di un tubo vortex, che permette, per effetto Ranque-Hilsch, di ottenere calore ad una temperatura sufficiente per il riscaldamento e freddo per i gruppi frigoriferi.

Lo schema generale dell'impianto è riportato in fig. 2.4.1. Come fonte di calore si può utilizzare il calore delle acque reflue, il calore dei serbatoi, il calore della terra (pozzi). Il trasferimento di calore alla parte riscaldata del motore Stirling viene effettuato da un tubo di calore. Il refrigeratore è un ambiente a bassa temperatura: aria atmosferica in inverno, massa di ghiaccio immagazzinata in estate.

Il motore a ciclo Stirling può essere un motore a pistoni senza Beale o un motore a diaframma. Le caratteristiche di tali motori differiscono dai motori con meccanismo a manovella; sono completamente ermetici, il che consente l'uso di quasi tutti i fluidi di lavoro.

Ris.2.4

Motore fig. 2.4.2. è costituito da tre elementi principali: un pistone di lavoro pesante, un dislocatore leggero e un cilindro con guarnizioni. La cavità di lavoro si trova sopra il pistone ed è divisa in una cavità di compressione tra il pistone di lavoro e il dislocatore e una cavità di espansione - sopra il dislocatore. La cavità di espansione interagisce con il riscaldatore, la cavità di compressione interagisce con il radiatore.

Il motore (in questo schema) viene utilizzato come compressore del gas, ad es. il pistone di lavoro oscillante funge anche da pistone compressore. Gli studi effettuati su questo tipo di motore (Agbi, 1971) ne hanno dimostrato il funzionamento abbastanza soddisfacente.

Ancora più promettente per questo schema è un motore compressore a membrana con tenuta assoluta della cavità del motore.

Un'analisi dell'efficienza termodinamica del ciclo di un motore Stirling a bassa temperatura rispetto alle condizioni normali rivela, come previsto, bassi parametri operativi: ad esempio, a una temperatura del riscaldatore di 300 K e una temperatura del liquido di raffreddamento di 250 K, efficienza termica ciclo è solo del 17%, ma tenendo conto del fatto che qui viene elaborato il calore rinnovabile a bassa temperatura di scarto, il sistema diventa abbastanza competitivo.

Fig.2.4.2. Motore Stirling a pistoni liberi (schema di Beale W.): 1. Heat pipe del riscaldatore; 2. Riscaldatore; 3. Dislocatore; 4. Alloggio; 5. Dispositivo di raffreddamento; 6. Asta del dislocatore; 7. Pistone; 8. Uscita aria compressa; 9. Ingresso aria; 10. Pistone pesante; 11. Carter

Di particolare interesse è l'uso di un fluido di lavoro a due fasi nel motore. La teoria del motore Stirling mostra che per aumentare la potenza specifica del motore è necessario aumentare la pressione media del processo di lavoro. Il rapporto tra i volumi di lavoro per tali motori raramente supera 2-2,5 e le variazioni di pressione sono interamente determinate da queste cifre. A una pressione inferiore uguale o vicina a quella atmosferica, la pressione superiore non supera 0,3-0,5 MPa. Tuttavia, i fluidi di lavoro a due fasi, ad esempio (butadiene-1,3, il cui punto di ebollizione è 4,4°C; ammoniaca - 33°C; cis- e trans-Butene-2 ​​​​+3 e 0, rispettivamente°C, ecc.) consentono di ottenere una pressione media di ciclo più elevata.

Per qualsiasi fluido di lavoro, il volume specifico del liquido è molto inferiore al volume del vapore saturo. Con un aumento della pressione media, la potenza erogata aumenta e migliora il trasferimento di calore attraverso i processi di evaporazione e condensazione.

Pertanto, quando si utilizza un fluido di lavoro bifase, è possibile aumentare la potenza di lavoro di 2-3 volte agli stessi limiti di temperatura.

I noti vantaggi del motore Stirling - funzionamento silenzioso, assenza di emissioni nocive, tenuta e assenza di vibrazioni - sono particolarmente preziosi in questo schema, poiché consentono di posizionare l'unità di potenza in prossimità degli alloggi .

Il tubo vortice è oggi lo strumento più semplice e studiato per la produzione simultanea di caldo e freddo. Il rapporto tra i flussi di gas caldo e freddo è regolato in modo molto semplice, vale a dire In inverno, la maggior parte dell'energia viene spesa per il riscaldamento, in estate per il raffreddamento.

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