Motore Stirling: principio di funzionamento e caratteristiche

Il motore Stirling è un motore a combustione esterna, inventato da Robert Stirling nel 1816.
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 ricuperatore 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.
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Nel disegno sono rappresentate sia la superficie riscaldata dalla radiazione solare, proveniente da un concentratore solare (ma il riscaldamento può essere ottenuto dalla combustione della biomassa) sia la superficie raffreddata mediante acqua.

Come saperne di più sul motore Stirling

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Principio di funzionamento del Motore Stirling

imageIn funzione delle posizioni assunte dalla manovella collegata all'albero motore abbiamo:
Fase 1) l'aria calda del cilindro verticale viene trasferita al cilindro orizzontale tramite lo scambiatore di calore S; la piastra collegata al radiatore ad acqua provvede al raffreddamento dell'aria;
Fase 2) l'aria fredda nel cilindro orizzontale viene compressa, con un lavoro Lc;
Fase 3) l'aria fredda del cilindro orizzontale ritorna nel cilindro verticale, dopo essere riscaldata sia dallo scambiatore di calore S sia dalla piastra riscaldatrice esposta alla radiazione solare, e subisce un'espansione che produce un lavoro Le;
Fase 4) espansione dell'aria fredda nel cilindro orizzontale.

La somma del lavoro ottenuto durante la fase di espansione dell'aria calda e di espansione successiva dell'aria fredda è maggiore del lavoro di compressione dell'aria fredda e delle perdite di energia dovute all'attrito e si ottiene quindi la trasformazione dell'energia termica in energia meccanica con un determinato rendimento. Il rendimento di conversione complessivo può essere espresso, in modo analogo ai motori a combustione interna, come il prodotto del rendimento meccanico per il rendimento termodinamico:

ηt = ηmeccanico * ηtermodinamico
Il rendimento meccanico risente sia degli attriti delle parti in movimento sia dell'attrito del gas con le pareti delle piastre riscaldante e raffreddante, dello scambiatore di calore e del tubo di collegamento e può essere migliorato montando l'albero motore su cuscinetti a sfera.
Il rendimento termodinamico è collegato invece sia al rapporto di compressione sia all'efficienza dello scambiatore di calore S, oltre al tipo di gas utilizzato per il ciclo termodinamico, ed è ben espresso dall'equazione tratta da uno scritto del Prof.Fette: http://home.germany.net/101-276996/etatherm.htm

dove ηc è il rendimento teorico del ciclo di Carnot funzionante tra le temperature minima e massima considerate;
K è l'esponente adiabatico del fluido di lavoro:
    K = 1,6 per i gas come l'elio e l'argon;
    K = 1,4 per gas come l'idrogeno e l'aria
    K = 1,3 per gas come l'anidride carbonica
RV = 1 - ηscambiatore ; se lo scambiatore di calore ha un'efficienza dell'80%,

ηscambiatore  = 0,8        RV = 0,2
Vmax è il volume massimo complessivo quando la manovella è tra la fase 1 e la fase 4;
Vmin  è il volume complessivo minimo, quando la manovella è tra la fase 2 e la fase 3.
A parità di altre condizioni è evidente che il miglior fluido di lavoro è l'elio, sia per il basso attrito con le pareti dello scambiatore di calore e delle piastre riscaldante e raffreddante sia per il maggior valore di K, oltre che per la sicurezza derivante dall'essere un gas inerte. Anche con l'aria il rendimento si mantiene elevato se lo scambiatore di calore ha una buona efficienza.

In un prossimo post parleremo dei Paraboloidi concentratori solari che possono essere utilizzati per fornire calore al motore di Stirling.

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