il principio di funzionamento di un motore con ciclo stirling è noto da tempo, ma solo recentemente, precisamente nell'ultimo decennio, sono state prese in seria considerazione le possiblità pratiche di tale motore, dando luogo alla realizzazione di prototipi con prestazioni molto promettenti.
L'interesse per questo motore si è destato improvvisamente in seguito al grande processo di miglioramento delle proprietà fisiche, termiche e
meccaniche dei materiali costituenti il motore, alla possibilita' di effettuare il processo di rigenerazione con alti valori di efficacia, e infine all'impiego dell'idrogeno come fluido motore nel ciclo. Tali circostanze hanno permesso di raggiungere in alcune realizzazioni rendimenti di poco inferiori al 0,40("figura 3-1"). Il motore Stirling moderno presenta molte caratteristiche apprezzabili, tra cui quella di poter funzionare con una gamma di combustibili molto vasta (motore a combustione esterna): inoltre i gas di scarico sono emessi a bassa temperatura (sui 250°C) e non producono sensibile smog.
Nel campo d'impiego per grandi potenze, il motore Stirling presenta nel complesso un livello di prestazione, di peso e di rendimento paragonabile a quello dei motori Diesel.
Nel campo delle piccole potenze, al peso e al costo più elevati suppliscono un rendimento elevato, un minor contributo all'inquinamento, una notevole silenziosità di funzionamento, e limitata presenza di vibrazioni.
Il ciclo termodinamico Stirling ("figura 3-2") consiste nella sequenza di due linee di trasformazione isoterme,
una di compressione, linea 1-2, e una di espanzione, linea 3-4, alternate da due linee di introduzione e sottrazione del calore, rispettivamente 2-3 e 4-1, fatte a volume costante. Il ciclo è percorso in senso orario, trattandosi di un ciclo motore.
Le suddette trasformazioni termodinamiche vengono realizzate, praticamente, nel motore Stirling utilizzando i seguenti componenti:
la fig. 3-3a chiarisce che la capacità calda è compresa tra il circuito esterno di combustione e il pistone di trasferimento, mentre la capacità fredda è compresa tra il pistone di trasferimento e il pistone motore.
Date le differenti funzioni che assolvono nel ciclo i due pistoni, risulta evidente che essi devono presentare un diverso cinematismo di comando, tale comunque da garantire una legge di variazione dei volumi nel ciclo secondo la fig. 3-3b: ciò risulta però estremamente difficile perché occorrerebbe annullare per alcuni tratti del ciclo il movimento dell'uno o dell'altro pistone, dando luogo a parecchie discontinuità della legge del moto. Rinunciando allora a tale esigenza in cambio di un più semplice meccanismo di comando, le fasi a volume costante risultano così nel ciclo reale (fig. 3-4) solo approssimate, e il moto dei due pistoni trasformato in un moto alterno con andamento circa sinusoidale.
tale meccanismo viene realizzato trasferendo il moto dei due pistoni a due alberi a gomiti ingranati tra loro e controrotanti, secondo lo schema della fig. 3-5. Il meccanismo cinematico di collegamento è detto romboidale per la sua caratteristica forma simmetrica: tale simmetria di derivazione del moto permette un quasi completo equilibramento dinamico del motore mediante un opportuno contrappesamento degli alberi a gomiti.
Il fluido motore impiegato negli attuali prototipi è tuttora l'idrogeno: la sua bassa densità consente infatti di ridurre al minimo le perdite di natura aerodinamica, dando luogo inoltre a elevati coefficienti di trasmissione del calore nelle vaire fasi del ciclo. L'impiego dell'idrogeno evita infine che si possano ottenere fenomeni di ossidazione dell'olio di lubrificazione (presente eventualmente nel rigeneratore in seguito a trafilamenti attraverso giochi), con la conseguente formazione di ostruzioni e forti abbassamenti del rendimento.
La potenza di uscita del motore Stirling è regolata facendo variare la massa del fluido di lavoro che percorre il ciclo termodinamico e adattando, mediante un organo di controllo della temperatura, la quantità di combustibile utilizzata nel circuito esterno di combustione al carico richiesto.
Il fascino della macchina a vaporeda Lanci
POTREBBE ESSERE una macchina a vapore dell'Ottocento il motore del futuro? Lo pensano i ricercatori di varie aziende, americane, svedesi e neozelandesi. La macchina in questione è “il motore Stirling”, costruito all'inizio dell'Ottocento dal reverendo scozzese Robert Stirling. Si tratta essenzialmente di una camera piena d'aria con due pistoni. Un lato della camera è costantemente riscaldato, mentre l'altro è costantemente tenuto freddo. L'espansione del gas determinata dal calore è tale da spingere il primo dei due pistoni che muove un albero a gomiti che a sua volta può mettere in azione un generatore che produca elettricità. Il gas caldo, poi, viene mosso dal movimento del pistone nella zona fredda della camera, dove si comprime e viene spostato nuovamente nella zona calda dal movimento del secondo pistone. Questo tipo di motore, se si usano combustibili tradizionali per scaldarlo, raggiunge un'efficienza del 50 per cento, rispetto al 25 per cento dei motori a combustione interna. È molto più silenzioso, perché non c'è nessun tipo di esplosione e molto semplice da sottoporre a manutenzione, perché non ci sono nè complessi sistemi di valvole nè molte parti in movimento. Alcune aziende stanno inoltre studiando la possibilità di usare il calore del sole al posto dei combustibili tradizionali per riscaldare la camera, cosa che eliminerebbe dal motore Stirling anche ogni emissione inquinante.
La Whisper Tech, un'azienda neozelandese, ritiene che questo tipo di motore potrebbe essere usato nelle abitazioni. Collocato al posto della tradizionale centralina a gasolio, potrebbe bruciare sia questo combustibile che metano, produrre elettricità e riscaldare l'acqua domestica. La marina svedese, invece, ha già tre sottomarini il cui sistema di propulsione si basa sul “motore Stirling”. Il vantaggio offerto da questo propulsore è tale da rendere i sottomarini i migliori al mondo, almeno fra quelli non nucleari. Sono infatti particolarmente silenziosi e quindi difficili da individuare dal nemico. Inoltre hanno una lunga autonomia, grazie al fatto che il combustibile è un miscuglio di gasolio e ossigeno liquido. Ma l'obiettivo è costruire una variante del “motore Stirling” in grado di spingere le automobili. Da questo punto di vista, però, ci sono due grandi svantaggi. Serve tempo per riscaldare la camera e quindi la macchina non potrebbe partire all'istante. Inoltre, per lo stesso motivo, non sarebbe in grado di accelerare molto. Ostacoli che si potrebbero superare usando leghe metalliche che si riscaldano in fretta, oppure usando un motore elettrico fino a che quello Stirling non si è riscaldato a sufficienza da poter muovere l'automobile. Un nuovo tipo di “ibrido”, insomma…
Volume, pressione e temperatura riacquistano i valori iniziali ed il ciclo è concluso. Nel funzionamento reale i due pistoni si muovono contemporaneamente e quindi le diverse fasi non sono nettamente separate. Il motore ad aria calda può essere corredato dell'indicatore di "p V" che va collegato con un filo sottile al pistone 1 e con un tubicino di plastica all'apposita connessione sulla biella ( come mostrato nella figura).
L'indicatore di "p V" permette di proiettare su di uno schermo il tracciato del ciclo reale eseguito dal motore. L'utilizzo dell'indicatore di "p V" permette di effettuare facilmente il confronto tra ciclo ideale di Stirling e ciclo reale del motore e di mostrare l'influenza della temperatura T2 sulla potenza fornita (ricordiamo che l'area del ciclo di una macchina termica, rappresentato nel piano pV, costituisce il valore del lavoro meccanico che la macchina esegue ad ogni rotazione). La figura a lato mostra i diagrammi corrispondenti a diverse temperature T2, ottenute variando la tensione di alimentazione sul filamento del motore ad aria calda.
Il ciclo termodinamico reale del motore ad aria calda deriva dal ciclo ideale di Stirling. Questo ciclo consiste di quattro fasi:
La figura a fianco mostra il motore ad aria calda. La testa del cilindro porta un filamento elettrico che serve a fornire l'energia termica. La parte inferiore del cilindro è raffreddata mediante una camicia di raffreddamento nella quale scorre acqua e costituisce la zona a temperatura bassa T1. La parte superiore non è raffreddata e costituisce la zona a temperatura alta T2. Nel cilindro scorrono due pistoni il cui movimento è sfasato di 90°. Il pistone inferiore serve per comprimere e far espandere l'aria. Il pistone superiore, dotato di un foro assiale riempito di lana di rame, ha il compito di trasferire l'aria dalla parte superiore a quella inferiore del cilindro e viceversa.
La potenza è data dal prodotto dell'area del ciclo per il numero di giri al secondo del motore. Un altro metodo per determinare la potenza passa attraverso la determinazione della coppia massima mediante un freno dinamometrico.
d N
La coppia è data da M = - F ---
2 dN
xxxxx129