IT8648172A1

IT8648172A1 - Motore stirling perfezionato

Info

Publication number: IT8648172A1
Application number: ITRM1986A048172A
Authority: IT
Original assignee: Comitato Naz Per La Ricerca E Per Lo Sviluppo Dellenergia Nucleare E Delle Energie Alternative
Priority date: 1986-06-24
Filing date: 1986-06-24
Publication date: 1987-12-24
Also published as: EP0252026A1; IT8648172A0; EP0252026B1; US4760698A; IT1191965B; DE3761684D1

Description

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DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "MOTORE STIRLING PERFEZIONATO"

della ditta italiana COMITATO NAZIONALE PER LA RIC?RCA E PER LO SVILUPPO DELLA ENERGIA NUCLEARE E DELLE ENER__ GIE ALTERNATIVE

con sede in ROMA

Viene descritto un motore a ciclo Stirling modi_ ficato in cui si ottiene un incremento di rendimen_ to sfruttando il calore trasmesso per conduzione dal_ le pareti del cilindro di espansione e dal pistone di espansione ed utilizzando una tenuta dinamica a labirinto almeno sul pistone di espansione.

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a motori Stirling e pi? in particolare ad una modifica del ciclo dei motori Stirling per aumentarne il rendi_ mento.

Lo sviluppo del motore Stirling ? stato sino ad oggi ostacolato dalle sue limitate prestazioni rap_ portate al livello tecnologico e quindi al costo.

Incrementare la potenza specifica porta a ricorre_ re a condizioni operative troppo spinte e tali da im_ porre l'adozione di materiali particolari per resiste_ re a temperature e pressioni elevate.

Sono state spesso presentate particolari soluzioni dai ricercatori del settore, ma le sole che consento_ no di aumentare la potenza specifica per unit? di pe_ so e oppure di volume, appartengono alla categoria del doppio effetto.

Secondo la presente invenzione, sfruttando il calo_ re trasmesso per conduzione dalle pareti del cilindro di espansione e dal pistone di espansione ed utilizzan_ do sul pistone di espansione una tenuta dinamica a la_ birinto tale da consentire un trafilamento del fluido tra la pareteinterna del cilindro e la parete esterna del pistone si ricava potenza da un ciclo Stirling che si sviluppa sul lato inferiore del pistone ottenendo un motore Stirling a doppio effetto a cicli contrapposti e comunicanti a differenti densit? e temperature.

A differenza dei veri e propri motori Stirling a doppio effetto convenzionali in cui due fluidi distinti e separati sono sottoposti a rispettivi cicli Stirling indipendenti, nel motore dell'invenzione un'unico flui_ do ? soggetto ad un ciclo Stirling superiore che con_ tribuisce prevalentemente alla produzione di lavoro, nonch? ad un ciclo Stirling inferiore che contribui_ sce in misura minore alla produzione di lavoro ma che aumenta il rendimento del ciclo complessivo mediante sfruttamento di fenomeni normalmente dissipativi che vengono invece utilizzati per ricupero di calore.

Si ricava Quindi potenza da un ciclo non diretta_ mente riscaldato ma sfruttando le dispersioni termi_ che del ciclo superiore.

Questa rappresenta una prima forma di incremento di rendimento; utilizzare cio? il calore disperso per realizzare un ciclo di recupero a bassa temperatura.

Una seconda forma di incremento di rendimento ? la utilizzazione sul pistone di espansione di una tenuta dinamica a labirinto che, oltre ad introdurre il consi? derevole vantaggio dell'eliminazione dei problemi di lubrificazione e di relativa usura, contribuisce a ri_ durre le perdite di lavoro per attrito ed elevare quin_ di al tempo stesso il grado di affidabilit? della mac_ china.

Il problema delle tenute ? infatti uno dei vincoli pi? pesanti nello sviluppo positivo del motore Stirling.

L'introduzione di una tenuta dinamica altera per? non solo la costruzione del motore, ma anche il suo comportamento termodinamico.La tenuta a labirinto rea_ lizza infatti un abbattimento di pressione in virt? del fatto che una vena fluida ? costretta a passare in stretture intervallate da gole dove il fluido pu? riespandersi, generando in conclusione una diminuizio_ ne a gradini della pressione.

Come si rileva per? il sistemaha come imprescin_ dibile la presenza di fuga di massa.

*L'uso di tale sistema di tenuta in un ciclo chiu__ so a doppio effetto comporter? il travaso di massa alternativo fra i due cicli: essendo per? il motore in oggetto funzionante con i due cicli a diversa tem__ peratura media, ne risulter? una diversa pressione media di funzionamento e, conseguentemente, una per_ dita di massa ciclica diretta dal ciclo superiore al_ l'inferiore sino a che non sar? raggiunto un regime. A tale regime si verificher? un piccolissimo travaso di massa tra i due cicli, in grado di sviluppare lo stesso lavoro, perch? funzionanti con la stessa pres_ sione media effettiva, ma caratterizzati da temperatu re diverse e densit? medie conseguentemente diverse.

Si ottiene quindi una macchina di elevata sempli_ cit? costruttiva, avente il ciclo superiore ad alta temperatura e bassa densit? e quello inferiore a bas_ sa temperatura ed alta densit?.

La presente invenzione verr? meglio illustrata in appresso dalla descrizione di sue realizzazioni, date a titolo esemplificativo e non limitativo, con riferimento ai disegni annessi, in cui:

la figura 1 ? una vista schematica in sezione di un motore Stirling dell'invenzione;

la figura 2 ? un grafico del ciclo totale realiz_ zato con il motore Stirling dell'invenzione; e

la figura 3 ? una vista schematica in sezione di un tipo di pistone da impiegare nel motore Stirling dell 'invenzione.

Facendo riferimento alla figura 1, in cui ? mostra_ to schematicamente il motore Stirling della presente invenzione con una configurazione a due cilindri in li_ nea, vengono indicati rispettivamente con 1 e 2 il pi_ stone di espansione ed il pistone di compressione atti a scorrere in rispettivi cilindri 3 e 4.

Sull'estremit? superiore del cilindro 3 ed in comu_ nicazione con il suo interno ? disposto un riscaldatore 5 per il riscaldamento del fluido nel ciclo superiora raen_ tre al di sopra del cilindro 4 ed in comunicazione con il suo interno ? situato un refrigeratore 6 per il raf_ freddamento del fluido nel ciclo superiore. Tra il ri_ scaldatore 5 ed il refrigeratore 6 ? posizionato,in co_ municazione con entrambi, un rigeneratore 7 del ciclo superiore.

Sull'estremit? inferiore dei cilindri 3 e 4 ? situa_ to un rigeneratore 8 del ciclo inferiore.

I pistoni di espansione e di compressione 1 e 2 so_ no dotati di tenute a labirinto, di cui una sola mostra_ ta schematicamente ed indicata con 9, la cui caratteri_ stica principale ? determinata dal fatto di non aver contatto tra le parti in moto relativo consentendo cos? il *trafilamento del fluido dal ciclo superiore al ci_ ci? inferiore.

N.el funzionamento, il fluido trafilato attraverso le tenute dinamiche a labirinto 9 dalla parte superio_ re nella parte inferiore del motore assorbe il calore trasmesso per conduzione dalle pareti del cilindro 3 e dal pistone di espansione 1 per cui si genera un ci_ ci? Stirling inferiore con un'azione a doppio effetto. Ci? rappresenta un recupero di calore prodotto dal ri_ scaldatore 5 che si traduce in un incremento di lavoro e che in un motore Stirling convenzionale andrebbe di_ sperso.

Da misurazioni effettuate ? stato ricavato il gra_ fico del ciclo reale del motore dell'invenzione espres so attraverso i parametri di pressione e di volume co_ me mostrato nella figure 2.

Come si osserva nella figura suddetta, il ciclo to tale si suddivide in un ciclo superiore a) principale, ottenuto in seguito al riscaldamento del fluido median te la prevista sorgente di calore ed in un ciclo infe_ riore b), racchiudente un'area minore, ottenuto in se_ guito al recupero di calore trasmesso per conduzione dalle pareti del cilindro di espansione e dal pistone di espansione da parte del fluido trafilato attraverso le tenute dinamiche a labirinto previste sul pistone di espansione.

Nello schema proposto del motore Stirling a dop__ pio effetto a cicli contrapposti e comunicanti a differenti densit? e temperature acquistano fonda_ mentale importanza le caratteristiche geometriche del pistone di espansione al fine di rispondere ai se_ guenti requisiti:

- poter ospitare tenute dinamiche a labirinto di particolare profilo e numero idoneo allo specifico campo di funzionamento del motore (a seconda del flui_ do operante, della velocit? di funzionamento, delle pressioni di lavoro, della temperatura alta del ciclo, dei materiali utilizzati, ecc);

- riduzione del peso della massa alterna;

- dimensione longitudinale del pistone sufficiente a separare le due zone di lavoro a temperature diver_ se con funzioni tipiche da dispiacer.

Nella figura 3 ? mostrato un esempio di pistone, indicato genericamente con 10, da impiegare in un mo_ tore Stirling della presente invenzione, che soddisfa i requisiti su menzionati.

Il pistone 10 ? costituito da un corpo cavo 11 ci_ lindrico scorrevole in un cilindro 12.

Sulla superficie perimetrale esterna del pistone 10 sono previste tenute dinamiche a labirinto 12 co_ stituite essenzialmente da una successione alternata di strozzature 13 e di camere anulari 14 a forma di gole triangolari aventi lo scopo di far seguireal flui_ do un percorso tortu?so tra due ambienti a pressioni diverse, cio? lo spazio di espansione del ciclo supe_ riore, indicato con 15,e lo spazio di espansione del ciclo inferiore, indicato con 16, in maniera tale da ottenere la dissipazione di energia necessaria per ave_ re un calo di pressione. Infatti, nelle strozzature par te dell'energia di pressione del fluido ? convertita? in energia cinetica e nelle cavit? seguenti tale ener_ gi? cinetica viene dissipata per attrito nel fluido. Questo processo ripetuto in serie d? luogo a caduta di pressione ed alla tenuta.

In corrispondenza del fondo delle camere anulari 14 sono ricavati fori 17 calibrati per l'equilibrio delle pressioni statiche interna ed esterna nel pisto_ ne 10 in maniera tale da consentirgli di resistere alle sollecitazioni cui viene sottoposto.

La presente invenzione non ? limitata agli esempi di realizzazione descritti ma ne comprende qualsiasi variante di esecuzione.

RIVENDICAZIONI

1. Motore Stirling perfezionato avente un pisto_ ne di espansione ed un pistone di compressione scorre_ voli in rispettivicilindri, un riscaldatore ed un re_ frigeratore nella parte superiore di detti cilindri, un rigeneratore in comunicazione tra detto riscalda_ tore e detto refrigeratore, il quale motore ? caratte_ rizzato dal fatto di comprendere: un'asta di pistone solidale con ciascun pistone e mobile parallelamente all'asse del cilindro; un fondo nella parte inferiore di ciascun cilindro per formare rispettive camere in_ feriori, dette aste passando a scorrimento a tenuta attraverso detti fondi; tenute dinamiche a labirinto disposte su almeno detto pistone di espansione tali da consentire un trafilamento del fluido dalla parte superiore a quella inferiore del motore in modo che in seguito ad assorbimento da parte di detto fluido in detta parte inferiore del motore del calore trasmes so per conduzione dalle pareti di detto cilindro e da detto pistone di espansione si determina un ciclo Stirling inferiore atto a creare un'azione a doppio effetto con recupero di calore nonch? produzione di lavoro; un secondo rigeneratore in comunicazione con dette due camere inferiori.

2. Motore Stirling secondo la rivendicazione 1, in cui dette tenute dinamiche a labirinto sono costitu?^ te da una successione alternata di strozzature e di gole.

Claims

3. Motore Stirling secondo le rivendicazioni 1 e 2 in cui detti pistoni sono costituiti da corpi ci lindrici cavi nei quali sono previsti fori calibra^ ti radiali per l'equilibrio delle pressioni statiche interna ed esterna.

4. Motore Stirling perfezionato sostanzialmente come descritto in precedenza con rifeirmento ai di_ segni annessi.

p.p. COMITATO NAZIONALE PER LA RICERCA E PER LO

SVILUPPO DELLA ENERGIA NUCLEARE E DELLE ENERGIE

ALTERNATIVE

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