Motore Stirling
Storia
L'invenzione del motore Stirling, detto anche motore ad aria calda di Stirling, è una evoluzione dei motori ad aria calda preesistenti, che all'inizio del 1800 competevano con il motore a vapore per fornire energia meccanica ai macchinari industriali (in opifici e miniere) della prima rivoluzione industriale in Inghilterra. In particolare l’invenzione di Stirling riguardò l'adozione di un recuperatore di calore che effettivamente risultò essere il dispositivo adatto per migliorare in modo notevole il rendimento del motore.
La competizione tra motore ad aria e quello a vapore aveva motivo nel tentativo di avere un’alternativa al motore a vapore stesso che, nelle sue prime realizzazioni, pur avendo caratteristiche superiori di quello ad aria, a causa dell’utilizzo di materiali tecnologicamente scadenti allora a disposizione era estremamente pericoloso per le devastanti esplosioni delle caldaie. Dopo una prima fase di applicazione con buon successo del motore Stirling di dimensioni commerciali, il perfezionamento del motore a vapore con materiali più affidabili rese lo Stirling poco conveniente, in conseguenza il suo uso fu abbandonato.
Il motore
Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento). Quando è raggiunta una opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo ed è opportunamente avviata, si innesca una pulsazione ciclica, di norma trasformata in moto alternato dei pistoni, che perdura fin quando si continua a fornire calore.
Una particolarità di questo motore è quella di funzionare senza fare ricorso a valvole. Le sole parti in movimento sono il pistone ed il dislocatore che agiscono collegati ad un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di 90 gradi.
È probabilmente uno dei più interessanti motori a combustione esterna per la sua bassa manutenzione, la sua silenziosità e la possibilità teorica di raggiungere rendimenti vicini a quello teorico per cicli termodinamici.
È possibile utilizzare la luce solare concentrata, ad esempio tramite uno specchio parabolico, per produrre la differenza di temperatura necessaria.
Addirittura, se appoggiati su un pezzo di ghiaccio, possono sfruttare il calore ambientale come sorgente calda.
Vantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione interna
Il motore Stirling è a combustione esterna, questo significa che le parti maggiormente riscaldate dal calore (che può essere prodotto da combustione) non sono a contatto con le parti scorrenti o rotanti, (cuscinetti, pistoni), di conseguenza tali parti ed il lubrificante non sono particolarmente sollecitati, le parti hanno quindi esigenze di manutenzione ridotte.
Il motore non ha valvole e non subisce scoppi, quindi è costruttivamente più semplice, quasi privo di vibrazioni e molto meno rumoroso di un motore a combustione interna.
La somministrazione del calore per il funzionamento è continua, quindi in caso che il calore sia prodotto mediante combustione questa avviene in maniera continua, con rapporto stechiometrico aria-combustibile che può essere ottimale, in assoluto la migliore possibile.
La somministrazione di calore può avvenire con qualsiasi mezzo: calore solare concentrato, ma anche mediante la combustione di legna, carbone, gas, biogas, combustibili liquidi. Al di fuori di possibilità particolari, le tecnologie che appaiono meglio gestibili sono il calore solare ed i combustibili liquidi e gassosi.
Svantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione interna
Il calore non è prodotto all'interno del motore ma è applicato dall'esterno, quindi occorre trasferirlo all'interno; ugualmente, dato che il motore utilizza il dislivello di calore, occorre sottrarre calore per creare un punto freddo. In sintesi: il fluido agente è all'interno del motore, il suo riscaldamento o il suo raffreddamento rendono necessaria la presenza di estese superfici (fasci tubieri o radiatori) per riscaldarlo e raffreddarlo. Tali radiatori sono grandi, appesantiscono il motore, e lo rendono voluminoso a parità di energia erogata.
All'avviamento del motore il flusso del calore dalla sorgente termica al fluido interno non è improvviso, quindi l'avviamento è lento, Inoltre la modifica di tale trasferimento è ugualmente lenta: per conseguenza il motore non è adatto ad avviamenti rapidi né a consistenti variazioni di regime.
L'energia erogata è proporzionale al dislivello di temperatura tra sorgente calda e punto freddo. Esiste un ovvio limite per il freddo nella temperatura ambiente, per contro l'innalzamento della temperatura della sorgente calda rende necessaria l'adozione di materiali particolari, dal costo molto elevato.
Una maniera per aumentare la potenza erogata è quella di aumentare la pressione del fluido interno, aumentando così la mole del fluido di lavoro. L'uso di apparecchiature in pressione rende però necessario un attento dimensionamento strutturale e tecnologico del motore che deve essere robusto e pesante.
Pur essendo definito tradizionalmente "motore ad aria calda" (il fluido di lavoro è l'aria) l'uso dell'aria pone un grave problema: la mescolanza in pressione di aria e liquidi lubrificanti (derivati di idrocarburi) racchiusi all'interno del motore può produrre miscele esplosive. Il problema è stato risolto preferendo l'utilizzo di gas riducenti (idrogeno) o neutri (elio, azoto), più sicuri ma meno comuni.
La progettazione è complessa ed è solo in parte legata a parametri certamente calcolati, la circolazione del fluido perfetta e senza volumi morti è difficile da realizzare, (è un flusso alternato in ambiente chiuso), ogni architettura di motore ottimizza alcuni parametri e ne penalizza altri.
Fonte wikipedia
Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento). Quando è raggiunta una opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo ed è opportunamente avviata, si innesca una pulsazione ciclica, di norma trasformata in moto alternato dei pistoni, che perdura fin quando si continua a fornire calore.
Una particolarità di questo motore è quella di funzionare senza fare ricorso a valvole. Le sole parti in movimento sono il pistone ed il dislocatore che agiscono collegati ad un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di 90 gradi.
È probabilmente uno dei più interessanti motori a combustione esterna per la sua bassa manutenzione, la sua silenziosità e la possibilità teorica di raggiungere rendimenti vicini a quello teorico per cicli termodinamici.
È possibile utilizzare la luce solare concentrata, ad esempio tramite uno specchio parabolico, per produrre la differenza di temperatura necessaria.
Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento). Quando è raggiunta una opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo ed è opportunamente avviata, si innesca una pulsazione ciclica, di norma trasformata in moto alternato dei pistoni, che perdura fin quando si continua a fornire calore.
Una particolarità di questo motore è quella di funzionare senza fare ricorso a valvole. Le sole parti in movimento sono il pistone ed il dislocatore che agiscono collegati ad un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di 90 gradi.
È probabilmente uno dei più interessanti motori a combustione esterna per la sua bassa manutenzione, la sua silenziosità e la possibilità teorica di raggiungere rendimenti vicini a quello teorico per cicli termodinamici.
È possibile utilizzare la luce solare concentrata, ad esempio tramite uno specchio parabolico, per produrre la differenza di temperatura necessaria.
