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 motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento). Il motore entra in funzione quando si raggiunge una opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo.

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 un cilindro 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. Ad esempio la realizzazione di centrali elettriche che impiegano sali fusi e motori Stirling per la produzione di grandi quantità di energia elettrica è tutt'ora in fase di studio e realizzazione.

Gli esemplari più piccoli sono spesso oggetto di curiosità più che utilità pratica. Queste realizzazioni in materiali particolarmente hi-tech sono capaci di sfruttare una differenza termica esigua e quindi in grado di funzionare col calore 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.

[modifica] Configurazioni di funzionamento

Di seguito sono raffigurate le varie configurazioni del motore Stirling (nell'ordine, Alfa, Beta e Gamma):

[modifica] Configurazione alfa

Il motore Stirling in configurazione Alfa risulta forse piu' 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 cosi' 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 + 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:

Il dislocatore (a) copre la parete fredda (e) della camera.
Il gas della camera, essendo riscaldato, si espande .
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.
Il gas si contrae richiamando il pistone.
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