Motor termoacústico - Motor Stirling sem pistões

Motor Stirling - um motor com suprimento externo de calor. O suprimento de calor externo é muito conveniente quando é necessário usar combustíveis não orgânicos como fonte de calor. Por exemplo, você pode usar energia solar, energia geotérmica, desperdiçar calor de várias empresas.


Uma característica interessante do ciclo de Stirling é que sua eficiência é igual à eficiência do ciclo de Carnot [1]. Naturalmente, os motores Stirling reais têm menor eficiência e muitas vezes muito mais. O motor Stirling começou sua existência com um dispositivo que possui muitas partes móveis, como pistões, bielas, virabrequim, rolamentos [2]. Além disso, o rotor do gerador estava girando (Figura 1).


Figura 1 - Tipo alfa do motor Stirling

Veja o mecanismo do tipo Stirling Alpha. Quando o eixo gira, os pistões começam a destilar o gás do cilindro frio para o quente, ou vice-versa, do quente para o frio. Mas eles não apenas destilam, mas também comprimem e expandem. Um ciclo termodinâmico está ocorrendo. Pode-se imaginar na figura que, quando o eixo gira para que o eixo no qual as bielas estão montadas fique no topo, este será o momento da maior compressão do gás e, abaixo, da expansão. É verdade que isso não é inteiramente verdade devido a expansões térmicas e contrações de gás, mas aproximadamente tudo isso é verdade.

O coração do motor é o chamado núcleo, que consiste em dois trocadores de calor - quente e frio, e entre eles existe um regenerador. Os trocadores de calor geralmente são feitos lamelares, e o regenerador geralmente é uma pilha de malha de metal. Por que precisamos de trocadores de calor? Está claro - para aquecer e resfriar o gás, e por que precisamos de um regenerador? E o regenerador é um verdadeiro acumulador de calor. Quando o gás quente se move para o lado frio, ele aquece o regenerador e o regenerador armazena energia térmica. Quando o gás se move do lado frio para o quente, o gás frio é aquecido no regenerador e, portanto, esse calor, que sem o regenerador seria irrevogavelmente gasto no aquecimento do ambiente, é economizado. Portanto, um regenerador é uma coisa absolutamente necessária. Um bom regenerador aumenta a eficiência do motor em cerca de 3,6 vezes.

Fãs que querem construir esse mecanismo por conta própria, quero falar mais sobre trocadores de calor. A maioria dos motores Stirling de fabricação própria, daqueles que eu vi, não possui trocadores de calor (estou falando de motores do tipo alfa). Os trocadores de calor são os próprios pistões e cilindros. Um cilindro é aquecido, o outro é resfriado. Além disso, a área da superfície de troca de calor em contato com o gás é muito pequena. Portanto, é possível aumentar significativamente a potência do motor colocando trocadores de calor na entrada dos cilindros. E mesmo na Figura 1, a chama é direcionada diretamente para o cilindro, o que não é exatamente o caso nos motores de fábrica.

Voltemos à história do desenvolvimento dos motores Stirling. Portanto, deixe o motor funcionar de várias maneiras, mas a presença de anéis e rolamentos do raspador de óleo reduziu a vida útil do motor e os engenheiros estavam trabalhando duro pensando em como melhorá-lo, e eles vieram com ele.

Em 1969, William Bale investigou os efeitos de ressonância na operação do motor e, mais tarde, conseguiu fabricar um motor para o qual nem uma biela nem uma cambota são necessárias. A sincronização do pistão ocorreu devido a efeitos de ressonância. Esse tipo de motor ficou conhecido como motor de pistão livre (Figura 2).


Figura 2 - Motor de pistão livre de Stirling

A Figura 2 mostra um mecanismo de pistão sem pistão beta. Aqui o gás passa da região quente para a fria e vice-versa, graças ao corpo imerso (que se move livremente), e o pistão de trabalho faz um trabalho útil. O corpo imerso e o pistão oscilam nas molas helicoidais, que podem ser vistas no lado direito da figura. A dificuldade é que suas vibrações devem estar na mesma frequência e com uma diferença de fase de 90 graus, tudo devido a efeitos ressonantes. Isso é bastante difícil de fazer.

Assim, o número de peças foi reduzido, mas, ao mesmo tempo, os requisitos para a precisão dos cálculos e fabricação foram reforçados. Mas, sem dúvida, a confiabilidade do motor aumentou, especialmente em projetos em que as membranas flexíveis são usadas como deslocador e pistão. Nesse caso, o motor não possui peças de atrito. Se desejado, a eletricidade pode ser removida de um motor desse tipo usando um gerador linear.

Mas isso não foi suficiente para os engenheiros, e eles começaram a procurar maneiras de se livrar não apenas de peças de atrito, mas também de peças em geral em movimento. E eles encontraram esse caminho.

Nos anos setenta do século XX, Peter Zeperli percebeu que as oscilações sinusoidais da pressão e velocidade do gás no motor Stirling, bem como o fato de essas oscilações estarem em fase, são incrivelmente fortemente remanescentes das flutuações na pressão e velocidade do gás em uma onda sonora em movimento (Fig. 3 )


Figura 3 - Gráfico de pressão e velocidade de uma onda acústica itinerante em função do tempo. É mostrado que as flutuações de pressão e velocidade estão em fase.

Essa idéia chegou a Zeperli não por acaso, pois antes dele havia muitas pesquisas no campo da termoacústica, por exemplo, o próprio Lord Rayleigh em 1884 descreveu qualitativamente esse fenômeno.

Assim, ele propôs abandonar completamente os pistões e os deslocadores e usar apenas uma onda acústica para controlar a pressão e o movimento do gás. Isso resulta em um motor sem partes móveis e teoricamente capaz de atingir a eficiência do ciclo de Stirling e, portanto, Carnot. Na realidade, os melhores indicadores são de 40 a 50% da eficiência do ciclo de Carnot (Figura 4).


Figura 4 - Diagrama de um motor termoacústico com uma onda móvel

Você pode ver que um motor termoacústico em ondas contínuas é exatamente o mesmo núcleo, composto por trocadores de calor e um regenerador, mas, em vez de pistões e bielas, existe apenas um tubo em loop chamado ressonador. Mas como esse mecanismo funciona se não possui partes móveis? Como isso é possível?

Primeiro, responda à pergunta: de onde vem o som? E a resposta é que surge por si só quando ocorre uma diferença de temperatura suficiente entre os dois trocadores de calor. O gradiente de temperatura no regenerador permite aprimorar as vibrações sonoras, mas apenas um determinado comprimento de onda igual ao comprimento do ressonador. Desde o início, o processo se parece com o seguinte: quando um trocador de calor quente é aquecido, ocorre um micro farfalhar, possivelmente rachando por deformações térmicas, isso é inevitável. Esses sussurros são ruídos com uma ampla gama de frequências. De todo esse rico espectro de freqüências sonoras, o mecanismo começa a amplificar essa vibração sonora, cujo comprimento de onda é igual ao comprimento do ressonador de tubo. E, por menor que seja a flutuação inicial, ela será amplificada para o valor máximo possível. O volume máximo de som dentro do motor ocorre quando a potência de amplificação sonora por meio de trocadores de calor é igual à potência de perda, ou seja, a potência de amortecimento das vibrações sonoras. E esse valor máximo às vezes atinge valores enormes de 160 dB. Então, dentro de um motor como esse é realmente alto. Felizmente, o som não pode sair, já que o ressonador é estanque e, portanto, próximo ao motor em funcionamento, quase não é audível.

A amplificação de uma certa frequência de som ocorre devido ao mesmo ciclo termodinâmico - o ciclo Stirling, que é realizado no regenerador.


Figura 5 - As etapas do ciclo são difíceis e simplificadas.

Como já escrevi, em um motor termoacústico não há partes móveis, ele gera apenas uma onda acústica dentro de si, mas, infelizmente, é impossível remover a eletricidade do motor sem partes móveis.

Normalmente, a energia é gerada a partir de motores termoacústicos usando geradores lineares. A membrana elástica oscila sob a pressão de uma onda sonora de alta intensidade. Dentro da bobina de cobre com o núcleo, os ímãs montados na membrana vibram. Eletricidade é gerada.

Em 2014, Kees de Blok, Pawel Owczarek e Maurice Francois, da Aster Thermoacoustics, mostraram que uma turbina de impulso bidirecional conectada a um gerador é adequada para converter a energia das ondas sonoras em eletricidade [3].


Figura 6 - Diagrama de uma turbina de pulso

A turbina de impulso gira na mesma direção, independentemente da direção do fluxo. A Figura 6 mostra esquematicamente as pás do estator nos lados e as pás do rotor no meio.
E assim a turbina parece na realidade neles:


Figura 7 - Vista externa de uma turbina de impulso bidirecional

Espera-se que o uso de uma turbina em vez de um gerador linear reduza significativamente o custo de construção e aumente a potência do dispositivo até a potência das usinas térmicas típicas, o que é impossível em geradores lineares.

Também desenvolvo meu próprio mecanismo termoacústico, sobre o que pode ser encontrado no vídeo abaixo, bem como neste artigo: "Criando e iniciando um mecanismo termoacústico"


Lista de fontes usadas

[1] M.G. Kruglov. Motores Stirling. Moscou "Engenharia", 1977.
[2] G. Leitor, C. Hooper. Motores Stirling. Moscou "Mir", 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Conversão de energia acústica para elétrica, 2014.