Il motore ad aria calda o motore Stirling è una macchina ecologica che riesce a trasformare l'energia termica in energia meccanica o energia elettrica tramite una dinamo, oppure sfruttando l'energia gratuita del sole. Te lo segnalo perché le possibili applicazioni sono tante e può essere una valida alternativa ai pannelli solari fotovoltaici.
Il suo principio di funzionamento è interessante, perché è possibile ricavare energia dal sole sfruttando il suo calore. Alla Base del principio di funzionamento del motore di Stirling c'è la differenza di temperatura tra due superfici: una calda e una fredda.
In questo sito: digilander.libero.it/digitalrino/motore%20Stirling.htm , è possibile osservare un motore di Stirling che sfrutta l'energia solare per funzionare. Collegandogli un generatore di corrente, un alternatore o una dinamo puoi ottenere corrente elettrica, gratuitamente e senza grossi sforzi.
Qui ci sono alcuni video di modellini trovati su Google Video che ti fanno vedere il motore di Stirling in funzione. Basta prendere un bicchiere d'acqua, scaldarlo nel forno a microonde (per generare una differenza di temperatura) e metterci sopra il motore e lui incomincia a funzionare. Sullo stesso principio puoi concentrare la radiazione solare su una delle due superfici che si scalderà di più rispetto all'altra superficie, generando una differenza di temperatura che mette in moto il motore.
Con questo motore, opportunamente dimensionato e progettato, puoi sfruttare il calore di una stufa o di un camino per produrre corrente elettrica mentre ti stai scaldando, posizionandolo su una piastra in ghisa calda di una stufa a legna o di un termosifone, per esempio. Il motore Stirling sfrutta la combustione esterna, come quella del sole, non fa fumo, non inquina ed è silenzioso.
Video amatoriali sul funzionamento del motore Stirling:
domenica 16 gennaio 2011
venerdì 14 gennaio 2011
motore stirling
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.
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 circa 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; la combustione non è vincolata a combustibili specifici.
È possibile anche utilizzare il calore della radiazione 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.
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 fornendole 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.
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.
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 (e la potenza) erogata è proporzionale al dislivello di temperatura tra sorgente calda e punto freddo, con il limite di temperatura per il freddo dato dalla temperatura ambiente. Aumentare quindi il dislivello significa innalzare la temperatura del punto caldo, con limite dovuto essenzialmente ai limiti tecnici ed 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 mole del fluido di lavoro. L'uso di apparecchiature chiuse, in pressione (pressurizzate), rende però necessario un attento dimensionamento strutturale e tecnologico del motore che deve essere robusto e più 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) se 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) come fluidi di lavoro, più sicuri ma molto meno comuni e più costosi. E' stato anche ipotizzato e realizzato un ridottissimo uso di lubrificanti usando materiali si altissima tecnologia, che però sono molto costosi.
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.
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), e ciclo Diesel (motore diesel)
Data la adozione di materiali e tecniche costruttive sofisticate, e la miniaturizzazione delle parti con tecnologie 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 (legna, carbone, 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.
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 della stessa pula di riso o di altri cereali trebbiati, sterco di bovini seccato, paglia, torba, sterpi, segatuta di legno o cippato. Tali combustibili presenti in loco 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.
E' 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 "core" 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.
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 prodotta nel 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 140 kW termici.
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.
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 rinnovabile e del risparmio energetico con l’obiettivo finale di creare il Distretto delle energie Sostenibili dell’Appennino bolognese.
(α)
(β) 
(γ) 
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:
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.
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.
Il motore [modifica]
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. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al 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 circa 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; la combustione non è vincolata a combustibili specifici.
È possibile anche utilizzare il calore della radiazione 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.
Varianti [modifica]
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 fornendole 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.
Vantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione interna [modifica]
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 [modifica]
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 (e la potenza) erogata è proporzionale al dislivello di temperatura tra sorgente calda e punto freddo, con il limite di temperatura per il freddo dato dalla temperatura ambiente. Aumentare quindi il dislivello significa innalzare la temperatura del punto caldo, con limite dovuto essenzialmente ai limiti tecnici ed 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 mole del fluido di lavoro. L'uso di apparecchiature chiuse, in pressione (pressurizzate), rende però necessario un attento dimensionamento strutturale e tecnologico del motore che deve essere robusto e più 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) se 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) come fluidi di lavoro, più sicuri ma molto meno comuni e più costosi. E' stato anche ipotizzato e realizzato un ridottissimo uso di lubrificanti usando materiali si altissima tecnologia, che però sono molto costosi.
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.
Utilizzi moderni [modifica]
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), e ciclo Diesel (motore diesel)
Data la adozione di materiali e tecniche costruttive sofisticate, e la miniaturizzazione delle parti con tecnologie 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 (legna, carbone, 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.
Tecnologie per il mondo sviluppato, per il terzo mondo, e per alte tecnologie [modifica]
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 della stessa pula di riso o di altri cereali trebbiati, sterco di bovini seccato, paglia, torba, sterpi, segatuta di legno o cippato. Tali combustibili presenti in loco 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.
E' 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 "core" 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]
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 interessate 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:- deposito della biomassa
- gassificatore
- caldaia
- motore Stirling
- accumulatore termico o volano termico
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 prodotta nel 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 140 kW termici.
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.
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 rinnovabile e del risparmio energetico con l’obiettivo finale di creare il Distretto delle energie Sostenibili dell’Appennino bolognese.
Configurazioni di funzionamento [modifica]
Di seguito sono raffigurate le varie configurazioni del motore Stirling:(α)
(β) 
(γ) 
Configurazione Alfa [modifica]
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 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.
Configurazione Beta [modifica]
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:
- 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
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Configurazione Gamma [modifica]
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 (senza assi coassiali) semplifica la lubrificazione degli assi, e diminuisce le perdite per trafilamenti ed attriti delle tenute, con un modestissimo 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]
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 strasformato in funzionale mediante la adozione di motori pluricilindrici con carter in comune.Voci correlate [modifica]
- Motore a combustione esterna
- Cogenerazione
- Ciclo Otto
- Ciclo Diesel
- Ciclo di Brayton-Joule
- Motore a combustione interna
Altri progetti [modifica]
Wikimedia Commons contiene file multimediali su Motore Stirling
Collegamenti esterni [modifica]
- (IT) Motore Stirling - Spiegazione del principio di funzionamento
- (IT) Motore Stirling - Spiegazione dettagliata sul principio fisico
- (IT) Impianto cogenerativo con motore Stirling e gassificatore del Comune di Castel d'Aiano- Dettagli tecnici di un progetto realizzato
- (FR) Alcuni esempi di modelli amatoriali
- (DE) Generatore Stirling da 9 kW
- (EN) modello commerciale per cogenerazione (calderina + elettricità)
- (EN) Impianto a biomassa con motore Stirling (Biomass plant with a Stirling engine)
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