Motore Stirling

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Motore Stirling di tipo alfa. In alto a destra, in rosso la parte riscaldata, in basso a sinistra la parte in blu, alettata - refrigerata. Nel tubo di collegamento tra le due parti è contenuto il rigeneratore. Nello schema è definita la sfasatura tipica tra i due pistoni (90°), calettati sulla stessa manovella

Il motore ad aria calda di Stirling o più semplicemente motore Stirling è un motore a combustione esterna, inventato da Robert Stirling nel 1816. Il funzionamento del motore è descritto dal ciclo Stirling.

Il motore Stirling è una evoluzione dei motori ad aria calda che erano usati in Inghilterra durante la prima rivoluzione industriale. In particolare, l'invenzione di Stirling riguardò l'adozione di un recuperatore di calore, dispositivo che consentì di migliorare notevolmente il rendimento del motore.

Evoluzione storica[modifica | modifica wikitesto]

All'inizio del 1800, in Inghilterra i motori ad aria calda competevano con il motore a vapore per fornire energia meccanica ai macchinari industriali (in opifici e miniere) della prima rivoluzione industriale.

Benché i motori a vapore avessero caratteristiche migliori di quelli ad aria, il motore ad aria presentava il vantaggio di essere meno pericoloso, dato che le prime realizzazioni di motori a vapore, a causa dell'utilizzo di materiali allora disponibili, tecnologicamente scadenti, era soggetto a devastanti esplosioni delle caldaie.

Questo fatto consentì in una prima fase, il successo del motore Stirling nelle applicazioni commerciali, tuttavia il perfezionamento dei motori a vapore e la disponibilità di materiali via via più affidabili resero lo Stirling poco conveniente e, di conseguenza, il suo uso fu abbandonato.

Con lo sviluppo dell'elettronica, l'uso dei primi apparecchi radio e lo sviluppo dell'aviazione, nel 1950 si ebbe una seconda vita del motore Stirling. La Philips, industria olandese produttrice di apparecchi radio, realizzò il Philips MP1002CA (detto Bungalow Set), un piccolo generatore elettrico basato su di una unità Stirling a combustione di petrolio, che veniva usato per alimentare radio-trasmittenti e riceventi dislocate in postazioni remote, prive di alimentazione elettrica. Si trattava di un generatore con una potenza di circa 200 watt, per la cui realizzazione venne utilizzata tecnologia allora all'avanguardia, con uso anche di leghe leggere, ottenendo un buon compromesso tra praticità e costo.

L'esigenza di tale generazione elettrica era particolarmente sentita per alimentare apparecchi radio (allora dotati di valvole termoioniche dal consumo elevato), necessari per collegare stabilmente i campi di aviazione della rete aerea civile in costituzione (in prima fase per il servizio postale) posti in luoghi remoti e senza attrezzature.

Nel 1960 l'adozione del transistor nei circuiti elettronici rese sufficiente l'alimentazione con potenze elettriche limitate, ottenibili con semplici batterie di accumulatori di piccola dimensione e questo causò l'abbandono del motore Stirling.

Altre applicazioni del motore Stirling 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. Tra queste la più promettente sembra essere l'utilizzo del motore Stirling come generatore elettrico abbinato a un campo di specchi a concentrazione come fonte di calore ecologica.

Il motore[modifica | modifica wikitesto]

Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico, solitamente aria o azoto, oppure, nelle versioni ad alto rendimento, elio o idrogeno. Quando è raggiunta una sufficiente differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo, si innesca una pulsazione ciclica (opportunamente avviata all'inizio), normalmente trasformata in moto alternato da pistoni. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.

La rigenerazione[modifica | modifica wikitesto]

L'elemento innovatore dell'invenzione di Stirling del 1816 rispetto ai preesistenti motori ad aria calda è il rigeneratore, che ha reso possibile un utilizzo ragionevole del motore. Si tratta di un accumulatore di calore, interposto nel flusso alternato del fluido tra punto caldo e punto freddo, che limita la perdita di calore nel punto freddo, dove il calore viene disperso dalla refrigerazione.

Il rigeneratore è fatto di materiale buon conduttore di calore e con una elevata superficie di scambio, così che possa catturare una parte significativa del calore al gas caldo in moto verso il refrigeratore; in virtù della piccola massa può aumentare rapidamente di temperatura. Quando il gas refrigerato di ritorno riattraversa il rigeneratore, questo cede il calore accumulato, ed abbassa in ugual modo la sua temperatura; il gas ritorna così al punto caldo già preriscaldato. In tal modo, il motore, riducendo il calore perso dalla refrigerazione, ha un rendimento decisamente superiore.

Nei motori tecnologicamente più evoluti i rigeneratori sono costituiti da lamine sottili, lane metalliche o "garze" metalliche impilate, costituite da fili molto sottili; i materiali usati sono di norma metalli inossidabili e resistenti al calore, oltre che con alto potere di trasmittanza termica, quali acciaio inossidabile, nickel o sue leghe.

Varianti[modifica | modifica wikitesto]

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, come ad esempio il motore Stirling-Ringbom, in cui il dislocatore si muove trascinato dalla pulsazione senza essere connesso alla parte meccanica.

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 dei pistoni del motore convenzionale; tale pulsazione, in quasi totale assenza di parti mobili, si autosostiene fino a quando si eroga calore al punto caldo e se ne sottrae al punto freddo. Tale fenomeno ha prodotto gravi problemi quando si è verificato 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 è trasferito quasi immutato in devastanti ed inspiegabili incidenti nel funzionamento delle camere di combustione di turbine e dei motori a razzo.

L'effetto motore si ottiene invece con un'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, oppure portate a sollecitare piastre piezoelettriche, per produrre energia.

Caratteristica peculiare del ciclo Stirling è la sua reversibilità: la macchina può essere realizzata in maniera tale che, fornendole energia meccanica (facendo girare l'albero) si ottenga calore ad un capo, e freddo all'altro, funzionando quindi a tutti gli effetti come una pompa di calore. Un'applicazione di tale caratteristica è la macchina frigorifera di Stirling.

Vantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione interna[modifica | modifica wikitesto]

Il motore Stirling è a combustione esterna, il che significa che le parti maggiormente riscaldate dal calore non sono a contatto con le parti in movimento (cuscinetti e pistoni); di conseguenza, vi è una minore usura sia di tali parti sia del lubrificante. Ciò si traduce in minori esigenze di manutenzione.

Il motore inoltre non ha valvole e non subisce scoppi, quindi è costruttivamente più semplice, quasi privo di vibrazioni e, soprattutto, molto meno rumoroso di un motore a combustione interna. L'assenza di scoppi e l'erogazione graduale della spinta riduce enormemente la necessità di lubrificazione.

La somministrazione del calore per il funzionamento deve essere continua, per cui se il calore viene prodotto mediante combustione, questa può avvenire in maniera continua, con rapporto stechiometrico aria-combustibile ottimale e miglior consumo possibile.

Il motore funziona con una qualsiasi somministrazione di calore, che si può ottenere mediante la combustione di legna, carbone, gas, biogas, combustibili liquidi, ma anche da calore solare concentrato: le tecnologie che appaiono più promettenti sono il calore solare ed i combustibili liquidi e gassosi.

Svantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione interna[modifica | modifica wikitesto]

Poiché il calore non è prodotto all'interno del motore ma è applicato dall'esterno, occorre trasferirlo all'interno. Inoltre, dato che il motore utilizza il dislivello di temperatura, occorre sottrarre calore per creare un punto freddo. Ciò comporta che, dato che il fluido agente è all'interno del motore, il suo riscaldamento e il suo raffreddamento rendono necessaria la presenza di estese superfici (fasci tubieri e radiatori) per riscaldarlo e raffreddarlo. Tali radiatori sono grandi e lo rendono più voluminoso e pesante a parità di potenza erogata.

Il passaggio del calore dalla sorgente termica al fluido interno non è istantaneo: ciò rende l'avviamento lento; inoltre anche la modifica del calore è ugualmente lenta: di conseguenza il motore non è adatto ad applicazioni che richiedano avviamenti rapidi o consistenti variazioni di regime.

La potenza erogata è proporzionale al dislivello di temperatura tra sorgente calda e punto freddo; se il limite di temperatura per il freddo viene dato dalla temperatura ambiente, aumentare il dislivello significa innalzare la temperatura del punto caldo che è legata essenzialmente ai limiti tecnici e al costo dei materiali capaci di resistere a temperature elevate.

Una maniera per aumentare la potenza erogata è quella di aumentare la pressione del fluido interno, aumentando così la quantità del fluido di lavoro. L'uso di apparecchiature chiuse, ad alta pressione, rende però necessario un attento dimensionamento strutturale e tecnologico del motore, che così dev'essere più robusto e pesante.

Pur essendo definito tradizionalmente "motore ad aria calda" (il fluido di lavoro è abitualmente l'aria), l'uso dell'aria pone un grave problema: mescolare in pressione all'interno del motore aria e liquidi lubrificanti derivati da idrocarburi può produrre miscele esplosive. Il problema è stato risolto preferendo l'utilizzo di gas riducenti (idrogeno) o neutri (elio, azoto) come fluidi di lavoro, che risultano più sicuri ma anche molto molto più costosi. Si sono anche realizzati motori in grado di funzionare senza l'uso di lubrificanti convenzionali usando materiali ad alta tecnologia, che però ancora una volta risultano molto costosi.

La progettazione è complessa ed è solo in parte legata a parametri accuratamente calcolati: la circolazione del fluido perfetta e senza volumi morti è difficile da realizzare: trattandosi di un flusso alternato in ambiente chiuso, ogni architettura di motore ottimizza alcuni parametri e ne penalizza altri.

Infine, le possibilità di modifica del regime ottimale di funzionamento sono difficili: in condizioni diverse dalla ottimale il rendimento crolla, ed al limite il motore si ferma; quindi il motore sostanzialmente è adatto a funzione ad un unico regime, con limitate possibilità di variazione e di utilizzo.

Utilizzi moderni[modifica | modifica wikitesto]

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

Essendo molto voluminoso e pesante, il motore Stirling è adatto alla generazione in postazione fissa per potenze dai 5 ai 100 kW elettrici, intervallo di consumo che lo rende adatto ad un'utenza domestica o per piccole comunità, da una famiglia ad 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), e ciclo Diesel (motore diesel). In particolare, l'adozione di materiali e tecniche costruttive sofisticate e la miniaturizzazione delle parti con tecnologie consolidate hanno reso la turbina a gas un micidiale concorrente.

La convenienza del motore Stirling è soprattutto legata alla possibilità di utilizzare in loco, oltre che l'energia elettrica generata, il calore "di scarto" prodotto - in valore di circa il triplo o il quadruplo del valore della potenza elettrica - ad uso riscaldamento; trova inoltre congiuntura favorevole nella possibilità di usare combustibili o sorgenti di calore a disposizione localmente ed altrimenti non utilizzabili quali legna, carbone, biogas e energia solare.

Sommergibili[modifica | modifica wikitesto]

Utilizzi tecnici di media potenza si sono avuti con moduli produttivi per mantenere su tempi lunghi il livello di accumulo dell'energia elettrica nei sommergibili militari svedesi a propulsione convenzionale della Classe Västergötland[1]: 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, consentendo di prolungare la autonomia delle immersioni profonde da poche ore a diverse settimane. È evidente che in queste applicazioni il peso del motore non è fattore negativo; inoltre è un ulteriore vantaggio la disponibilità dell'acqua quale refrigerante.

Tecnologie per il mondo sviluppato, per il terzo mondo, e per alte tecnologie[modifica | modifica wikitesto]

La sorgente di calore può essere di qualsiasi natura, il che rende il motore Stirling utilizzabile in un gran numero di contesti.

Mentre appaiono evidenti i vantaggi di utilizzare, nei paesi maggiormente sviluppati, combustibili ottenuti da gassificatori (tecnologia attualmente matura) e biogas, con filiere di materiali ampiamente disponibili e ad oggi spesso non utilizzati, per il terzo mondo appare di enorme importanza avere comunque anche solo una modesta forza motrice, (per trebbiare, per pompare acqua, ecc.), quando i prodotti che alimentano il motore possono essere la combustione di materiali eterogenei disponibili in loco come pula di riso o di altri cereali trebbiati, sterco di bovini seccato, paglia, torba, sterpi, segatura di legno o cippato. Tali combustibili svincolano completamente la tecnologia dai combustibili fossili convenzionali.

Sono numerosissimi i dispositivi di riscaldamento domestico ed industriale di piccola. media o grande taglia che producono calore come prodotto di scarto, tipicamente sotto forma di gas combusti con temperature dai 100 ai 500 °C. L'energia sotto forma di calore contenuta in tali gas può essere almeno in parte ricuperata da scambiatori e generatori Stirling. Con macchinari Stirling di maggior mole, ma tecnologicamente più economici, è possibile valutare la praticabilità del ricupero energetico anche di effluenti a temperature inferiori.

È stata proposta la applicazione di motori Stirling alla generazione elettrica ottenuta da calore di centrali nucleari. Il raffreddamento del nocciolo del reattore è previsto, in alcune "filiere" nucleari, che sia ottenuto con circolazione di sodio liquido, che ha un elevato contenuto calorico, ma è radioattivo per induzione, ed inoltre incendiario, esplosivo ed aggressivo in caso di accidentale contatto con aria atmosferica (umida) o con l'acqua. La pericolosità intrinseca ha portato all'abbandono di tale filiera, preferendo il raffreddamento del nocciolo radioattivo con acqua, gas, o acqua pesante. L'adozione di motore Stirling ad aria o a gas secchi in luogo di motori a vapore d'acqua (turbine a vapore), eviterebbe almeno il rischio dell'accidentale contatto tra sodio ed acqua negli scambiatori di calore.

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.

Motore Stirling con gassificatore[modifica | modifica wikitesto]

L'integrazione fra il motore Stirling e il processo della gassificazione permette l'utilizzo della biomassa come combustibile per la produzione di energia. L'utilizzo della biomassa permette di avere un ciclo di produzione ad impatto nullo sulle emissioni di CO2, (si rilascia in atmosfera il carbonio che biologicamente era stato inglobato, prelevandolo dalla atmosfera, nelle sostanze che vengono combuste); questo diviene molto interessante dato che non è introdotto nel sistema nuovo carbonio di origine fossile. Il motore Stirling può diventare così una tecnologia da valorizzare per facilitare il raggiungimento degli obiettivi fissati dal Protocollo di Kyoto. L'organizzazione di questo tipo di impianto prevede l'articolazione di cinque componenti principali:

Tramite un sistema di coclee la biomassa (cippato legnoso) viene portata all'ingresso del gassificatore in cui la biomassa viene trasformata in syngas che, estratto dall'alto viene portato alla camera di combustione.
Nella camera di combustione si raggiungono temperature tra gli 800 e i 1250 °C e il motore Stirling è a diretto contatto con la fiamma stessa, andando a costituire un corpo unico fra caldaia e motore Stirling.
L'ultimo elemento è costituito dall'accumulatore termico che permette di utilizzare l'energia termica del ciclo di produzione per la produzione di acqua calda sanitaria e per il riscaldamento, ottimizzando così la resa energetica. La massima ottimizzazione si ottiene facendo funzionare l'impianto solo nei periodi in cui c'è la richiesta di energia termica. Per impianti di piccola taglia, si riesce ad avere una potenza elettrica di 35 kW e una potenza termica di 140 kW.

Nel 2008, in Provincia di Bologna si è realizzato il primo progetto italiano sperimentale di questo tipo, a servizio del complesso scolastico del comune di Castel d'Aiano, che utilizza il cippato come combustibile di partenza. Il percorso intrapreso prevede la realizzazione di altri impianti analoghi nello stesso comune.
L'impianto è stato realizzato grazie all'azione del centro CISA che, nato nel 2005 come consorzio fra Provincia di Bologna, Fondazione Cassa di Risparmio di Bologna e ISSI (Istituto Sviluppo Sostenibile Italia), si propone come promotore di iniziative legate alla diffusione delle energie rinnovabili e del risparmio energetico, con l'obiettivo finale di creare il Distretto delle Energie Sostenibili dell'Appennino bolognese.

Configurazioni di funzionamento[modifica | modifica wikitesto]

Configurazione Alfa[modifica | modifica wikitesto]

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

Nel dettaglio:

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

Alpha Stirling frame 6.png Alpha Stirling frame 8.svg

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

Alpha Stirling frame 10.png Alpha Stirling frame 12.svg

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;

Alpha Stirling frame 16.svg Alpha Stirling frame 3.png

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.

Alpha Stirling frame 4.svg Alpha Stirling frame 5.png

Configurazione Beta[modifica | modifica wikitesto]

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

Configurazione Gamma[modifica | modifica wikitesto]

Gamma

La configurazione Gamma è sostanzialmente analoga alla Beta, ma con la variante di non avere i pistoni coassiali, che invece possono essere a corsa parallela affiancata ovvero (come descritto in schema delle configurazioni) perpendicolare, ma comunque cercando di minimizzare gli spazi volumetrici "morti" tra i due pistoni. La configurazione Gamma (ad assi paralleli) semplifica la lubrificazione degli assi, e diminuisce le perdite per trafilamenti ed attriti delle tenute, con un modesto incremento degli spazi volumetrici morti rispetto al Beta. Il leverismo rappresentato per il Gamma (a perno imboccolato su asola) non è necessariamente quello ottimale, esistendo comunque la possibilità di adottare sistemi biella-manovella, o di altro tipo.

In tutte le configurazioni descritte si utilizza sempre un volano posizionato sull'asse di rotazione, che accumula energia durante le fasi attive e la rilascia in quelle passive, cioè nelle quali il motore fa il lavoro passivo di trasferimento del fluido. Il volano rende possibile il moto rotatorio sostanzialmente uniforme.

Impianti pressurizzati[modifica | modifica wikitesto]

La pressurizzazione aumenta semplicemente la massa del gas di lavoro, e quindi il possibile trasferimento di calore, a parità di cilindrata; l'aumento di pressione (con un adeguato aumento di energia termica) è approssimativamente proporzionale all'aumento di energia erogabile.

La adozione di motori in pressione, (pressurizzati) presume una perdita dovuta alla compressione passiva di pompaggio del fluido presente nel carter, che obbligatoriamente, in tal caso, deve essere confinato; tale pompaggio, se pure limitato, è minimizzato ed addirittura trasformato in funzionale mediante la adozione di motori pluricilindrici con carter in comune.

L'uso dei vari gas[modifica | modifica wikitesto]

L'uso dei vari gas come fluidi di lavoro è determinato da due criteri di notevole importanza:

  • dimensione delle molecole del gas
  • inerzia del gas

Il motore Stirling utilizza una oscillazione ciclica di un gas in ambiente confinato; in tali condizioni appare evidente la necessità di ridurre al massimo il volume del gas di lavoro, (riduzione degli spazi morti) per rendere più incisiva la azione dell'onda di pulsazione. D'altra parte nel volume dove avviene la pulsazione devono verificarsi importanti scambi di calore, con l'esterno e con le superfici di rigenerazione (ricupero del calore); in soluzioni non banali tali scambi sono resi possibili (senza aumentare i volumi), aumentando notevolmente le superfici di scambio, con l'adozione di finissime alettature, metalli porosi, radiatori a tubi sottili.

Pur essendo l'aria e l'azoto ambedue gas a peso molecolare elevato (e quindi ottimi vettori per il calore) la loro notevole dimensione molecolare eleva l'attrito per il flusso del gas in vani molto stretti, tale attrito, con vani di passaggio inferiori a misure dell'ordine del millimetro ad alta velocità, finisce col vanificare le possibilità di alto potenziale di trasporto del calore di tali gas.

Per contro l'elio ed ancor più l'idrogeno con dimensione molecolare molto piccola, fluiscono in fori o vani sottilissimi con attriti molto ridotti; il flusso in tali vani permette quindi di elevare moltissimo la superficie di scambio senza aumentare i volumi; lo scambio di calore, così grandemente elevato, può ampiamente compensare il modesto peso molecolare (e contenuto termico) di tali gas. L'adozione di gas diversi dall'aria rende peraltro obbligatorio il confinamento (pressurizzato) dei gas; il confinamento in pressione aumenta la densità del gas, e quindi anche la loro capacità termica.

Il confinamento del fluido di lavoro (specie quando non è l'aria) rende in ultima analisi conveniente la realizzazione di un motore "in guscio" cioè completamente racchiuso (motore e generatore elettrico) in un involucro pressurizzato, dato che le tenute meccaniche di eventuali assi motori fuoruscenti dall'involucro produrrebbero continue perdite di fluido. Altra possibilità è la realizzazione sempre in guscio chiuso, ma con giunto magnetico e generatore esterno.

Per quanto concerne l'elio, la sua inerzia costituzionale lo rende sicuro nel caso di contatto con lubrificanti oleosi, anche l'idrogeno purché sia evitato il contatto con l'aria, essendo riducente, è relativamente inerte con lubrificanti oleosi. Anche l'azoto è inerte. L'aria è ossidante, e ad alta temperatura è comburente.

Particolarità[modifica | modifica wikitesto]

Il motore Stirling è di difficilissima progettazione teorica. È senz'altro meglio "progettabile" procedendo in maniera empirica, usando come base motori esistenti e funzionanti con buon rendimento; ne esiste una buona varietà (spesso coperti da brevetti di maggiore o minore validità). Questo significa che i costruttori raggiungono la tecnologia adeguata per approssimazioni successive, per cui i modelli costruiti sono essi stessi i depositari della tecnologia, in assenza di una possibile teoria dichiarata soddisfacente, se si eccettuano i normali principi della termodinamica, che in tali termini descrivono ben poco.

Una ulteriore difficoltà è data dalla "non scalabilità" della tecnologia, trattandosi di una pulsazione ciclica di un gas confinato, per massa, pressioni e temperature variabili, la modifica di alcuni parametri, non ultimo quello dimensionale, porta fatalmente a risultati inattesi, come la compromissione del funzionamento efficace.

La gamma di "configurazioni possibili" è notevolissima, sia per campo di temperatura, che per forma; quindi non è possibile definire una struttura schematica di base come avviene ad esempio per il motore a combustione interna, nei casi estremi la forma e la struttura completamente diversi rendono molto difficile credere che si tratti di cose anche solo lontanamente paragonabili.

La costruzione sperimentale di motori efficienti e di buon rendimento, e l'accurato esame dei parametri empirici in gioco, essendo in possesso di discrete conoscenze termodinamiche, metallurgiche e meccaniche, "indirizza" comunque drasticamente alla necessità di procedere con materiali e tecnologie di alto profilo (materiali speciali, alte temperature, alte pressioni).

In sintesi: è poco praticabile e spesso anche ben poco competitivo, se si vogliono raggiungere rendimenti significativi (rispetto ad altre tecnologia di motori), procedere con materiali e tecnologie modeste. Se viceversa ci si accontenta di risultati molto modesti e che non inferiscano neppure marginalmente col concetto di potenza, si possono molto facilmente costruire motori "con lattine e filo di ferro".

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ http://www.kockums.se/sv/produkter-tjanster/marin-teknik/ Il sistema Stirling sul sito del produttore Kockums

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

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