Motore stirling termoacustico

Stirlingtermoacustico

In questa pagina si costruirà un motore termico in grado di convertire energia termica in energia meccanica.

Questo motore sfrutta il ciclo di Stirling e le onde acustiche, più precisamente è un motore termoacustico, come contenitore e pistone sono state usate due siringhe in vetro (da 1ml o 1cm3 o 1cc), sia per il basso attrito sia per la maggior temperatura sopportata, si possono trovare su eBay o probabilmente anche in negozi di materiale da laboratorio, come raccordo fra le siringhe è stato usato un tubo di silicone resistente alla alte temperature con diametro interno di circa 2mm, si può trovare in negozi di modellismo come tubo per miscela per motori a scoppio o su eBay, come sorgente di calore ho usato la candela a vapori d’acol perchè evita di sporcare il vetro, come rigeneratore una comune paglietta di acciaio per pulire, per fissare le due siringhe sono state usate una staffa e una fascetta in metallo e un po’ di colla a caldo.

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Il ciclo di Stirling si basa su quattro trasformazioni, nella realtà non ci saranno delle fasi nette ma il grafico potrebbe assomigliare ad un uovo, le trasformazioni sono le seguenti:

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(1-2) espansione isoterma: il gas un po’ caldo si scalda e si espande ulteriormente, ricevendo calore dalla candela tramite le pareti in vetro.

(2-3) raffreddamento iscoro: il gas caldo viene spostato, incontra il rigeneratore a cui cede calore, raffreddandosi un po’, il rigeneratore si scalda (accumula calore).

(3-4) compressione isoterma: il gas un po’ caldo cede calore al dissipatore tramite le pareti di vetro, raffreddandosi e comprimendosi ulteriormente.

(4-1) riscaldamento iscoro: il gas freddo viene richiamato alla posizione iniziale, durante questa fase incontra nuovamente il rigeneratore da cui assorbe il calore prestatogli nella fase 2-3, questo calore riscalda un po’ il gas e raffredda il rigeneratore.

Il gas si ritroverà alla posizione iniziale e il ciclo ricomincerà.

Il rigeneratore è fondamentale per il funzionamento del motore, infatti permette il preriscaldamento e preraffreddamento, e il gas in questo modo è come se venisse in contatto con quattro scambiatori di calore, senza il rigeneratore è come se ce ne fossero solo due, con il rigeneratore quindi il gas potrà raggiungere differenze di temperatura più elevate e quindi un maggior rendimento, il rigeneratore dovrebbe avere una capacità termica più grande possibile ma allo stesso tempo non dovrebbe ostruire il passaggio del gas.

Come fa il gas ad essere spostato se non c’è il dislocatore? In questo caso si sfrutta la risonanza delle onde d’aria nel tubo, infatti una volta abbassato il pistone questo oscillerà come una molla (o un pendolo), alla frequenza di risonanza del tubo (moto armonico in regime adiabatico), questo moto verrà smorzato dagli attriti fra le molecole di gas mentre verrà sostenuto dalla potenza generata dal motore.

Teoricamente il pistone una volta spostato, modificherebbe il volume interno del tubo, modificando la frequenza di risonanza, il funzionamento di questo motore è permesso dai tempi del moto armonico stesso, infatti durante i picchi o punto morto superiore e inferiore l’aria sta ferma per più tempo, permettendo gli scambi termici, invece durante il movimento vi è poco tempo per scambiare calore con il vetro o rigeneratore, in questo caso è quasi una trasformazione adiabatica, quindi un misto fra ciclo di Carnot e Stirling.

Rispetto ai motori Stirling tradizionali si evita il peso del dislocatore, si evitano gli attriti fra pistone e cilindro, quindi anche l’usura, il rumore e le perdite d’aria, questo motore è indicato per tutte le applicazioni in cui serve affidabilità, assenza di manutenzione ed un moto lineare, per esempio abbinato ad un motore lineare per ricavare energia elettrica, in questo modo si evita il sistema di conversione meccanico lineare/rotativo (biella manovella) che riduce il rendimento, ovalizza il pistone e aggiunge altri attriti.

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Il motore teoricamente dovrebbe avere un buon rendimento, ovviamente inferiore al limite di Carnot (1-Tb/Ta) (temperature in Kelvin), nulla vieta di usarlo al contrario cioè come pompa di calore, semplicemente muovendo il pistone alla frequenza di risonanza del tubo con un motore lineare (per esempio con una cassa audio).

Per realizzare un motore più performante, bisognerebbe usare al posto dell’aria, gas più performanti come Elio o Azoto, per gli scambi di calore un conduttore di calore al posto del vetro e realizzare il rigeneratore in modo da non condurre calore direttamente tra zona calda e fredda, per esempio a sezioni isolanti e ad elevata capacità termica, inoltre con una termocamera si potrebbero individuare le zone calde e fredde così da costruirci attorno il dissipatore, probabilmente un termometro ad infrarossi potrebbe aiutare, io non avendo strumenti, sono andato un po’ per via sperimentale, misurando l’escursione e cambiando forma e dimensione del rigeneratore e posizione del dissipatore di volta in volta, un saluto e alla prossima.

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