Motore Stirling

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Animazione di un motore stirling

Il motore Stirling è un motore a combustione esterna, inventato da Robert Stirling nel 1816. Il funzionamento del motore è descritto dal ciclo Stirling.

Indice

[modifica] Evoluzione storica

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.

Una seconda applicazione del motore Stirling si ebbe con lo sviluppo dell'elettronica, l’uso dei primi apparecchi radio e lo sviluppo dell'aviazione, prima del 1960. La Philips (industria olandese di produzione di apparecchi radio) per alimentare gli apparecchi radio-trasmittenti e riceventi di sua costruzione realizzò una piccola unità Stirling di generazione elettrica mediante combustione di petrolio, utile per alimentare appunto tali apparecchi in postazioni remote e prive di alimentazione elettrica. L’apparecchio realizzato fu il Philips MP1002CA (detto Bungalow Set) con una potenza di circa 200 watt; la tecnologia usata fu quella allora all’avanguardia con uso anche di leghe leggere (1950), ottenendo un buon compromesso tra praticità e costo. L’esigenza di tale generazione elettrica era particolarmente sentita per alimentare gli apparecchi radio (allora dotati di grosse ed onerose valvole termoioniche), necessari per il collegamento stabile con i campi di aviazione della rete aerea civile in costituzione (in prima fase per il servizio postale) in luoghi remoti e senza attrezzature.

Con l’adozione del transistor nei circuiti elettronici, a partire dal 1960, fu sufficiente l’alimentazione con potenze elettriche limitate, ottenute con le semplici batterie elettriche di accumulatori di piccola dimensione, conseguendo anche buone autonomie, quindi l’uso del motore Stirling fu abbandonato.

Altre applicazioni sono state realizzate in seguito, e sviluppate attualmente con motori di diversa taglia, ottenendo discreti o buoni successi tecnici, ed in qualche caso anche commerciali per mercati di nicchia.

[modifica] 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.

La scoperta di nuovi materiali tecnologici costruttivi in grado di aumentare la differenza di temperatura necessaria al funzionamento, nuovi fluidi termodinamici e le problematiche ambientali degli ultimi anni hanno dato nuovi impulsi alla realizzazione di motori Stirling di largo impiego. Le realizzazioni più significative che iniziano ad avere qualche successo commerciale sono quelle per la generazione elettrica-termica domestica di piccola potenza, unendo semplicità e bassa necessità di manutenzione.

Gli esemplari più piccoli (modelli da tavolo) sono spesso oggetto di curiosità più che utilità pratica. Queste realizzazioni a volte in materiali banali e volutamente di recupero (tubi in vetro, lattine da birra, membrane di gomma, filo di ferro, ecc), ovvero con materiali, tecnologie e finiture di ottimo livello modellistico (bronzo, leghe leggere, legni pregiati ecc.), sono funzionanti e capaci di sfruttare una differenza termica a volte esigua; quindi possono "girare" col calore di una candela, di una mano, di una tazza di caffè o con la luce normale del sole anche in inverno. Addirittura, se appoggiati su un pezzo di ghiaccio, possono sfruttare il calore ambientale come sorgente calda. È evidente però che con dislivelli limitati di temperatura e con dimensioni modellistiche anche se si possono ottenere rendimenti significativi le potenze in gioco sono trascurabili e, nel caso della adozione di dimensioni maggiori, il costo per unità di potenza erogata è comunque sfavorevole, almeno nelle condizioni attuali di mercato energetico.

[modifica] Varianti

Come detto, in effetti il motore Stirling realizza una oscillazione ciclica del fluido confinato che in parte è trasformata in energia meccanica. In applicazione di questo principio esistono varianti del motore Stirling in cui ad esempio il dislocatore si muove trascinato dalla pulsazione senza essere connesso alla parte meccanica (motore Stirling-Ringbom).

Una particolare applicazione del motore Stirling è quella di indurre nel motore una pulsazione del solo fluido tra punto freddo e punto caldo ad una frequenza molto più elevata (motore termoacustico) del movimento alternato di pistoni del motore convenzionale; tale pulsazione, in quasi totale assenza di parti mobili quali pistoni e dislocatori, si autosostiene fino a quando si eroga calore al punto caldo e se ne sottrae al punto freddo; tale pulsazione ha prodotto storicamente gravi problemi quando si è realizzata spontanemente ed in modo incontrollato, tipicamente in camini (camini che cantano), giungendo a fastidiosissimi effetti acustici, violente vibrazioni incontrollate e disastrose rotture. Con lo sviluppo tecnologico il problema si trasferì immutato in devastanti ed inspiegabili incidenti nel funzionamento delle camere di combustione di turbine e dei motori a razzo. Furono eventi soprattutto da evitare più che da utilizzare.

L'effetto motore si ottiene invece con una accuratissima progettazione ed il mantenimento di precise condizioni fisiche controllate, il vantaggio di tale tipo di motore è la estrema semplificazione meccanica e strutturale. Le oscillazioni (pulsazioni) del fluido possono essere trasferite a masse connesse a generatori elettrici lineari o portate a sollecitare piastre piezoelettriche, producendo energia.

Caratteristica peculiare del ciclo Stirling è la sua reversibilità, cioè la macchina può essere realizzata in maniera tale che fornendogli energia meccanica (facendola girare) si ottenga per contro calore ad un capo, e freddo dall'altro; quindi a tutti gli effetti funziona come una pompa di calore; una fortunata applicazione è la macchina frigorifera di Stirling.

[modifica] 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.

[modifica] 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.

[modifica] Utilizzi moderni

Il motore Stirling non è adatto per il suo ingombro, per la sua inerzia all'avvio ed alla variazione di regime, ad usi diversi dalla erogazione continua di energia e calore, non è quindi adatto alla autotrazione.

Il motore Stirling è adatto alla generazione domestica o per piccole comunità in postazione fissa (è relativamente grosso e pesante) per potenze dai 5 ai 100 kW elettrici, (tipicamente dal consumo domestico familiare a quello di un piccolo condominio), al di fuori di tali valori altri tipi di generazione sono maggiormente convenienti, ciclo Otto (motori a benzina), ciclo Rankine, e derivati (turbine a vapore), ciclo Brayton-Joule (turbina a gas).

Data la adozione di materiali e tecniche costruttive sofisticate, e la miniaturizzazione delle parti con tecnologia consolidate, la turbina a gas è un micidiale concorrente.

La convenienza del motore Stirling è soprattutto legata alla possibilità, oltre che della energia elettrica generata, di utilizzare sul luogo il calore "di scarto", (ad uso riscaldamento, in valore di circa il triplo o il quadruplo del valore della potenza elettrica), e trova congiuntura favorevole nella possibilità di usare combustibili o sorgenti di calore a disposizione localmente ed altrimenti non utilizzati (biogas, solare).

Utilizzi tecnici di media potenza si sono avuti con moduli produttivi per mantenere su tempi lunghi il livello di accumulo della energia elettrica in sommergibili militari svedesi a propulsione convenzionale. La produzione di calore con combustione in ambiente controllato (usando in immersione come comburente scorte di ossigeno liquido) permette la continua erogazione di energia elettrica ad usi di propulsione e di altro tipo tali da permettere di prolungare la autonomia delle immersioni profonde da poche ore a diverse settimane. È evidente che il peso del motore in questo caso non è fattore negativo, la disponibilità dell'acqua quale refrigerante è ovvia.

Utilizzi di altissima tecnologia del motore termoacustico Stirling sono stati realizzati dalla NASA allo scopo di fornire energia elettrica a satelliti nello spazio profondo in carenza di radiazione solare, in tal caso la sorgente di calore è la emissione termica di radioisotopi, il punto freddo è semplicemente lo spazio.

Il vero grandissimo successo del ciclo Stirling (inverso) si ha con la macchina frigorifera di Stirling, che è l'unica macchina veramente adatta per la refrigerazione di fluidi nel campo di temperatura che va dai −30, −40 °C fino ai −200 °C (73 K) perché non si avvale di evaporazione di fluidi.

[modifica] Configurazioni di funzionamento

Di seguito sono raffigurate le varie configurazioni del motore Stirling (nell'ordine, alfa, beta e gamma):

Alfa Beta Gamma

[modifica] Configurazione alfa

Il motore Stirling in configurazione Alfa risulta forse più comprensibile nel suo funzionamento, che si può considerare basato su 4 fasi:

  • spinta
  • riscaldamento
  • espansione
  • raffreddamento

Il passaggio da una fase all'altra è reso possibile dalla presenza, sull'asse del motore, di un volano, che accumula energia durante le fasi e la rilascia tra una fase e l'altra, impedendo così che il motore si arresti quando i pistoni si trovano a fine corsa.

Nel dettaglio:

il pistone in basso spinge l'aria verso il pistone in alto, che quindi si sposta, lasciando entrare l'aria;

l'aria si scalda, si espande,e quindi "torna" indietro verso il pistone in basso, che quindi si sposta;

lo spostamento del pistone in basso fa arrivare l'aria calda a contatto col dissipatore di calore, che quindi si raffredda, e di conseguenza si contrae, facendo spostare verso destra il pistone in alto;

lo spostamento verso destra del pistone in alto, aiutato dall'inerzia accumulata dal volano, fa sì che il perno, continuando a girare, faccia abbassare il pistone inferiore, spingendo di nuovo l'aria verso il pistone in alto, e il ciclo ricomincia.

[modifica] Configurazione beta

Esistono differenti possibilità per la configurazione relativa tra pistone motore e dislocatore. Nella più semplice il ciclo di funzionamento può essere riassunto nelle fasi illustrate di seguito (configurazione beta).

Consideriamo un sistema cilindro più pistone. La testata del cilindro è collegata ad una camera dotata di una parete calda mentre il corpo del cilindro ad una parete fredda.

All'interno della camera è collocato il dislocatore, che è costituito da un materiale isolante, non a tenuta, in grado di coprire alternativamente la parete calda e la parete fredda.

Il ciclo compiuto dal motore è allora il seguente:

  1. il dislocatore (a) copre la parete fredda (e) della camera.
  2. Il gas della camera, essendo riscaldato, si espande.
  3. Il pistone (b) si muove verso l'esterno della camera (in questo caso verso l'alto): nel suo moto spinge la giunzione (c) che ruota e che a sua volta sposta il dislocatore sulla parete calda (d), isolando dal calore la camera che inizia a raffreddarsi.
  4. Il gas si contrae richiamando il pistone.
  5. Il pistone si muove verso l'interno (in questo caso verso il basso): analogamente a prima, nel suo moto, sposta il dislocatore sulla parete fredda
fase 1 fase 2-3 fase 3 fase 4-5

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