Motore Stirling Nel 1816 Stirling invent un motore ad aria
calda dotato di un economizzatore, o pi comunemente chiamato
rigeneratore. 2
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Vantaggi e svantaggi VANTAGGI Motore a combustione esterna
(assenza di valvole di aspirazione e di scarico). Unampia scelta
della fonte di calore esterna (solare, geotermica, biomassa,
combustibili liquidi e gassosi, CDR, ecc.). Sistema chiuso (il
fluido di lavoro allinterno del motore deciso dal progettista). Il
limite teorico del rendimento di un motore Stirling coincide con il
rendimento di Carnot. Manutenzione ridotta rispetto ai MCI. 3
SVANTAGGI Pressione di pressurizzazione elevata (problemi di
tenuta). Il calore scambiato dal fluido di lavoro con lambiente
dipende dalle caratteristiche tecniche degli scambiatori di calore
(componenti critici per le prestazioni dei motori Stirling).
Lavviamento a freddo del motore presenta dinamiche molto pi lente
rispetto ai MCI. La progettazione di questi motori molto
complessa.
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Componenti costitutivi - 1 4 Spazio di espansione: spazio
allinterno del quale il gas di lavoro espande a seguito dellaumento
di temperatura e di pressione determinata dal calore fornito dal
riscaldatore. Spazio di compressione: rappresenta lo spazio
allinterno del quale il gas di lavoro si comprime a seguito del
raffreddamento del gas di lavoro determinato dal calore sottratto
dal raffreddatore.
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Componenti costitutivi - 2 5 Il dislocatore (displacer): un
componente costituito da un corpo cilindrico metallico e la sua
mansione quella di trasferire il fluido di lavoro dal volume di
espansione al volume di compressione e viceversa, in modo da
permettere lespansione e la compressione del gas ciclicamente.
Rigeneratore: un componente di natura metallica costituito da una
piccola massa e da unelevata superficie di scambio. Precisamente,
la sua funzione quella di assorbire energia termica dal gas di
lavoro, quando questultimo diretto dal riscaldatore al
raffreddatore, e cederla quando il gas di lavoro diretto in senso
opposto.
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Motore Stirling : configurazioni alpha, beta e gamma 6 Alpha
BetaGamma
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Classificazione dei modelli termodinamici Modelli del I ordine:
sono relativi ad una macchina di Stirling operante in condizioni di
idealit (Analisi isoterma o di Schmidt, 1871). Modelli del II
ordine: si basano sullipotesi di adiabaticit degli spazi di lavoro
(espansione e compressione) e considerando un comportamento
isotermico degli scambiatori di calore. I modelli del secondo
ordine sono anche noti come modelli disaccoppiati. Infatti, essi si
basano su una prima analisi semplificata del ciclo termodinamico
(es.: modello adiabatico), determinando in prima approssimazione il
lavoro e il calore scambiato dal sistema termodinamico (macchina
Stirling) con lambiente. In seguito, si andranno a valutare le
perdite termiche dovute allinefficienza degli scambi termici, e
quelle meccaniche legate principalmente alle perdite di carico
causate dal passaggio del fluido di lavoro nel volume morto (Ureli,
1984). Modelli del III ordine: a differenza dei modelli del secondo
ordine tengono in conto delle perdite in modo dinamico, ci comporta
ad un sistema di equazioni algebriche differenziali (DAE)
accoppiate. La risoluzione di questi modelli presenta notevoli
problemi di stabilit numerica. 7
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Il motore Stirling : il sistema termodinamico. Lo schema
presentato quello di Schmidt, ripreso in seguito da molti autori.
Il modello termodinamico qui presentato quello realizzato da
Normani (2009) sulla base del modello presentato da Banduric
(1984), il quale rientra nella classe dei modelli del terzo ordine.
Spazio morto d 9
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Modello termodinamico: Ipotesi lo spazio morto isotermo;
efficienza del riscaldatore e del raffreddatore unitaria; non ci
sono gradienti di pressione allinterno dello spazio morto; gli
spazi di compressione ed espansione sono considerati adiabatici
(questa una buona approssimazione poich tali componenti del motore
non sono progettati per lo scambio termico); il volume di ciascuno
spazio di lavoro varia con legge sinusoidale; gli effetti
dellinerzia del fluido di lavoro sono trascurabili.; il fluido di
lavoro trattato come se fosse un gas ideale; assenza di perdite del
fluido di lavoro (sistema chiuso); per ogni ciclo l80% delle
perdite di carico totale si verificano allinterno del rigeneratore
(Chen, 1983). 10
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Spazio di compressione c Raffreddatore k Spazio morto d
Bilancio di massa Bilancio di energia Temperatura di interfaccia (o
condizionale) 11
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Spazio di compressione Dallequazione dei gas ideali si
ottiene:
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Spazio di compressione c Raffreddatore k Spazio morto d
Bilancio di massa Bilancio di energia Temperatura condizionale
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Spazio di espansione Bilancio di massa Bilancio di energia
Temperatura di interfaccia (o condizionale) Riscaldatore h Spazio
di espansione e Spazio morto d 14
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Spazio di compressione Dallequazione dei gas ideali si
ottiene:
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Spazio di espansione Bilancio di massa Bilancio di energia
Temperatura condizionale Riscaldatore h Spazio di espansione e
Spazio morto d 16
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Spazio morto Si parte dal bilancio di massa sullintero volume
interno alla macchina:. Ipotesi: Sistema chiuso Temperatura media
dello spazio morto Temperatura effettiva del rigeneratore 17
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Legame delle perdite di carico con i flussi di massa I flussi
di massa relativi allo spazio di compressione ed a quello di
espansione possono essere espressi in funzione della caduta di
pressione (Incropera, 1996), ovvero: I parametri K dc, K de, n dc e
n de sono legati allequazioni di trasporto della massa. n dc e n de
: sono pressoch costanti con le condizioni operative. (Normani,
2009) suggerisce il valore di 5/9 per entrambi. Queste equazioni
rendono il modello del terzo ordine, ovvero accoppiato. 18
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Sistema di equazioni algebriche differenziali. 19
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Metodo risolutivo 20 K dc, K de (Kd_coeff.m) modello
(stirling_model.m) ode15s(....) (risolve il modello per un ciclo
motore) rel < 1e-3 Falso Vero Input (parametri, I.C., B.C.)
soluzione y
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Caso Studio: Gamma Stirling Engine. Cilindrata dello spazio di
espansione (cm^3)97 Cilindrata dello spazio di compressione
(cm^3)87 Minimo volume dello spazio di espansione (cm^3) 5 Minimo
volume dello spazio di espansione (cm^3)9 Sfasamento tra il pistone
ed il displacer (CAD) 90 Volume morto del rigeneratore (cm^3) 57
Sezione di passaggio dei tubi del riscaldatore (cm^2) 0.04 Sezione
di passaggio dei tubi del raffreddatore (cm^2) 0.035 Perimetro
bagnato dei tubi del riscaldatore (cm) 0.8 Perimetro bagnato dei
tubi del raffreddatore (cm) 0.75 Lunghezza media dei tubi del
riscaldatore (cm) 20 Lunghezza media dei tubi del raffreddatore
(cm) 18 Numero di tubi nel riscaldatore 36 Numero di tubi nel
raffreddatore 40 Fluido di lavoroAria Inefficienza del rigeneratore
lato riscaldatore (eps1) 0.05 Inefficienza del rigeneratore lato
raffreddatore (eps2)0.06 21
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Simulazione: ciclo @(10 Hz, T h =1000 K, T k =293 K, P init =
50 bar) Quindi, il lavoro netto per ciclo reso dalla macchina
rappresentato dalla differenza tra area racchiusa dalla linea rossa
(lavoro prodotto relativo allo spazio di espansione, W e > 0) e
quella dalla linea blu (lavoro prodotto relativo allo spazio di
compressione, W c < 0). 22
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23 Simulazione: ciclo @(10 Hz, T h =1000 K, T k =293 K, P init
= 50 bar)
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Studio parametrico sullinfluenza di T h @(10 Hz, T k =293 K, P
init = 50 bar) 24
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Studio parametrico sullinfluenza di T h @(10 Hz, T k =293 K, P
init = 50 bar) 25
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26 Studio parametrico sullinfluenza di P init @( 10 Hz, T h
=1000 K,T k =293 K ) P init = 3 bar
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27 Studio parametrico sullinfluenza di P init @( 10 Hz, T h
=1000 K,T k =293 K ) P init = 20 bar
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28 Studio parametrico sullinfluenza di P init @( 10 Hz, T h
=1000 K,T k =293 K ) P init = 50 bar
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29 Studio parametrico sullinfluenza di P init @( 10 Hz, T h
=1000 K,T k =293 K ) P init = 100 bar
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30 Studio parametrico sullinfluenza di P init @( 10 Hz, T h
=1000 K,T k =293 K )
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Ottimizzazione Multi-Obiettivo Finora sono stati affrontati
problemi caratterizzati da ununica funzione obiettivo. I problemi
di ottimizzazione reali sono spesso caratterizzati da diversi
obiettivi in conflitto tra di loro. Tali problemi sono chiamati
problemi di ottimizzazione multi obiettivo (Multi-Objective
Problems, MOPs). Esempio: progettazione di un MCI: Potenza
Rendimento Emissioni acustiche Emissioni inquinanti Affidabilit
Ecc. 32
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Formulazione di un MOP 33
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Approccio Paretiano 34 Tradizionalmente, un MOP viene ridotto
ad un problema mono-obiettivo introducendo la funzione di
preferenza, ad esempio la somma pesata degli obiettivi: APPROCCIO
PARETIANO Lapproccio alternativo introdotto dallingegnere italiano
Vilfredo Pareti si basa sul concetto del cosiddetto ottimo
paretiano o efficienza paretiana. Si parla di ottimo paretiano
quando non possibile migliorare il valore di una funzione obiettivo
senza peggiorare almeno uno delle altre. Invece, il fronte di
Pareto linsieme delle soluzioni ottime secondo Pareto, ovvero
linsieme delle soluzioni non dominate.
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Dominanza 35 Dato il MOP definito in precedenza: Dati i due
vettori due soluzioni ammissibili per il MOP, si dice che: x 1
domina x 2 se : x 1 indifferente rispetto a x 2 se x 1 domina
fortemente x 2 se
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36 Ottimo e fronte di Pareto OTTIMO DI PARETO Un punto si dice
Pareto-ottimale se non esiste nessun punto tale che domina. FRONTE
DI PARETO Linsieme viene chiamato Fronte di Pareto, mentre linsieme
viene chiamato Insieme di Pareto.
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modefrontier Sistema aperto per l'ottimizzazione
multi-obiettivo e multi-disciplinare, basato sull'impiego della
frontiera limite di Pareto nello spazio degli obiettivi costruito
sulle esigenze dell'industria. Il sistema permette: l'integrazione
di applicazioni (software commer- ciali es. Matlab);
l'ottimizzazione multi-obiettivo (per problemi a variabili
continue, discrete o miste, e rispetto a limiti/condizioni che
possono evolvere nel corso del processo); la formulazione di scelte
personali e consistenti tra le infinite soluzioni di ottimo
ricavate (tecniche di MCDM - metodi di decisione multicriterio per
l'individuazione della funzione di utilit).
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Ottimizzazione Multi-Obiettivo del motore Stirling 38
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Bubble chart 4d 39
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Scatter plots 40 Spazio delle funzioni obiettivo Spazio delle
variabili di decisione
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Bibliografia Banduric, R.D. and Chen, N. C, J (1984). Nonlinear
analysis of Stirling engine thermodynamics. Oak Ridge National
Laboratory. Chen, N. C. J. and Griffin, E. P. (1983). Effects of
pressure- drop correlations on Stirling engine predicted
performance. Oak Ridge National Laboratory. Incropera, F. P. and
DeWitt, D. P. (1996).Fundamentals of heat and mass transfer. Fourth
Edition, School of Mechanical Engineering, Purdue University.
Normani, F. (2009). Stirling engine manual. Urieli, I. and
Berchowitz, D. M. (1984). Stirling cycle engine analysis. 41