Modello numerico e attività di sperimentazione su un microcogeneratore Stirling a gas naturale

The development of innovative energy saving technologies plays a role of great interest. The thesis proposes a theoretical study propaedeutic for the construction of a prototype Stirling engine powered by natural gas, intended for domestic micro-CHP. The main focus consists of defining the guidelines for the development of a thermo-fluid dynamic design of the engine, and is pursued through the analysis of the state of art numerical simulation methods for Stirling engines, and following a reverse engineering process. The recent model WhisperGen EU1 is proposed as case study. The developed calculation model has been calibrated on the specific case study, empirical correlations have also been updated to include the evaluation of the heat transfer coefficient and the coefficient of friction. The results of numerical simulation obtained by adapting the finite volume methods to the case study, are discussed in a sensitivity analysis, which aims at the optimization of design parameters for maximizing energy efficiency. The variables considered are the working fluid and the geometric data of the engine. Finally, the energy performance estimated by the calculation model are compared with the results of the experimental campaign, conducted at the Department of Energy of Politecnico di Milano. The proposed study defines a basic modus operandi: when further experimental data concerning the aspect of construction and heat transfer analysis become available, the predictive accuracy of the calculation model will be refined.

Lo sviluppo di tecnologie innovative di risparmio energetico riveste un ruolo di grande interesse. La tesi propone uno studio teorico propedeutico alla realizzazione di un prototipo di motore Stirling alimentato a gas naturale, destinato alla micro-cogenerazione domestica. L’obiettivo principale consiste nella definizione di linee guida per lo sviluppo di un progetto termo-fluidodinamico del motore, ed è perseguito mediante l’analisi dello stato dell’arte dei metodi di simulazione numerica per motori a ciclo Stirling, e secondo un processo di reverse engineering. Viene presentato come caso di studio, il recente modello WhisperGen EU1. Il modello di calcolo sviluppato è stato tarato sulle specifiche del caso di studio, inoltre sono state incluse correlazioni empiriche aggiornate per la valutazione del coefficiente di scambio termico e del coefficiente di attrito. I risultati ottenuti adattando gli strumenti dell’analisi numerica a volumi finiti al caso di studio, sono discussi in un’analisi di sensitività finalizzata all’ottimizzazione dei parametri di progetto per la massimizzazione dell’efficienza energetica. Le variabili prese in considerazione sono il fluido di lavoro e i dati geometrici del motore. Infine, le prestazioni energetiche stimate mediante il modello numerico sono confrontate con i risultati della campagna sperimentale, condotta presso il laboratorio LMC del Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Lo studio proposto definisce un modus operandi di riferimento: l’accuratezza previsionale del modello numerico adottato potrà essere affinata una volta disponibili ulteriori dati sperimentali relativi agli aspetti costruttivi e all’analisi dello scambio termico.