MOTORE DI STIRLING

1. MOTORE DI STIRLING

2. STORIA DEL MOTORE Inventato da Robert Stirling nel 1816, il motore che prende il nome dal suo inventore, o detto anche motore ad aria calda, si presenta come un’evoluzione degli altri motori ad aria calda di quel periodo che si trovavano a competere con il più utilizzato motore a vapore.L’innovazione apportata da Stirling fu il montare un recuperatore di calore, innovazione che si mostrò esatta aumentando notevolmente il rendimento della macchina.Questo motore si mostrò inizialmente più conveniente del motore a vapore in quanto il secondo veniva costruito con materiali scadenti e molto spesso le caldaie esplodevano, così il motore di Stirling venne utilizzato maggiormente. Con il miglioramento del motore a vapore, però, il motore ad aria venne messo da parte in quanto si dimostrò molto meno conveniente.Fu la Philips a riutilizzare questo motore nel 1960 per far funzionare le radio-trasmittenti anche in zone prive di energia elettrica, ma con l’invenzione dei transistor fu sufficiente l’utilizzo di batterie elettriche per far funzionare questi apparecchi, ed il motore di Stirling venne ancora lasciato da parte. Negli anni avvenire il motore è stato riproposto più volte ottenendo anche buoni successi tecnici.

3. VANTAGGI E SVANTAGGI DEL MOTORE VANTAGGI • Combustione esterna che determina il fatto che le parti più riscaldate non siano in diretto contatto con le parti mobili o rotanti, e dunque hanno un minore bisogno di manutenzione; • Privo di valvole e non subisce scoppi, dunque si presenta costruttivamente meno complesso, con una quantità di vibrazioni pressoché nulle e decisamente più silenzioso di altri motori; • Nel caso in cui il calore sia prodotto per combustione, la somministrazione di questo per il funzionamento della macchina avviene in modo continuo, con un rapporto stechiometrico tra aria e combustibile ottimale; • La somministrazione di calore può avvenire in qualunque modo (combustione di legna, carbone, etc.), fatta eccezione per il calore solare e di combustibili gassosi o liquidi, con i quali di mostra essere più difficile fornire calore. • Il calore è prodotto all’esterno del motore, dunque deve essere trasferito all’interno, e per lo stesso motivo dato che il motore lavora con la differenza di calore, è necessario raffreddare e riscaldare l’aria all’interno del motore; per fare ciò c’è bisogno di superfici esterne estese che facciano raffreddare e riscaldare l’aria all’interno della macchina; • Il motore ha un avvio lento in quanto il flusso del calore non avviene in modo improvviso; • La potenza della macchina è direttamente proporzionale al dislivello di calore del sistema, dunque per aumentarla è necessario alzare la soglia del punto caldo, in quanto quella del punto fredda è data dalla temperatura ambiente, e per poter innalzare la temperatura del punto caldo si deve avere la macchina costruita con materiali che possano resistere a tali temperature; • Per poter aumentare la potenza della macchina è possibile aumentare la pressione all’interno, ma per l’uso di apparecchiature pressurizzate è necessario che la struttura del motore sia robusta e resistente; • L’uso di aria all’interno della macchina, assieme ai liquidi lubrificanti è stato discusso in quanto questi se mescolati ad alte pressioni, possono portare alla creazione di miscele esplosive; si è pensato di sostituire l’aria con l’idrogeno o l’elio, ma sono gas più costosi, ed anche l’eliminazione dei lubrificanti sarebbe un dispendio elevato di soldi in quanto la macchina dovrebbe essere costruita con materiali più tecnologici, e quindi più costosi; • La progettazione è complessa e non è completamente supportata da parametri certamente calcolati, infatti ogni macchina ottimizza alcuni parametri e ne penalizza altri. SVANTAGGI

4. APPLICAZIONI DEL MOTORE DI STIRLING OGGI A causa del suo ingombro, della suo lento avvio ed ai suoi usi diversi dell’erogazione di calore il motore non è adatto all’autotrazione, e quindi ad essere utilizzato come motore di un’automobile. E’ però adatto alla generazione domestica, o di piccole comunità fisse, di energia elettrica, con potenze che vanno dai 5 ai 100 kW. Un pregio di questa macchina è che il suo calore di “scarto” può essere riutilizzato (sottoforma di riscaldamento è circa il quadruplo del valore della potenza elettrica), ed è possibile utilizzare forme di combustibile altrimenti inutilizzate (legno, carbone, gas, etc.) Esempio di utilizzo del motore di Stirling: Modellino di un’auto spinta da un motore Stirling in configurazione Beta

5. I MOTORI DI STIRLING Esistono due tipi di motori di Stirling: • Motore tipo Alfa • Motore tipo Beta Motore di Stirling costruito da noi

6. MOTORE in CONFIGURAZIONE ALFA Il motore di Stirling in configurazione Alfa si basa su 4 fasi ben distinte: • spinta • riscaldamento • espansione • raffreddamento Più precisamente all’inizio il pistone in basso spinge l’aria fredda verso quello alto (dove si trova l’aria calda) che si sposterà per far entrare l’aria fredda (1).In seguito l’aria si riscalda e tende ad espandersi, tornando anche al pistone inferiore che inizia a spostarsi (2). In seguito l’aria calda arriva a contatto con il dissipatore di calore in basso, e quindi il pistone in alto spinge fuori l’aria (3). Infine l’inerzia accumulata dal volano (il disco) fa sì che il ciclo ricominci (4). (1) (2) (3) (4)

7. MOTORE IN CONFIGURAZIONE BETA Consideriamo il motore di stirling in configurazione Beta costituito da un sistema cilindro più pistone. La testata del cilindro è collegata ad una camera dotata di una parete calda, mentre il corpo del cilindro è collegato ad una parete fredda. All’interno della camera è posizionato un dislocatore costituito da un materiale isolante, in grado di coprire alternativamente la parete calda e la parete fredda. Il ciclo che va a compiere è: 1. il dislocatore (a) copre la parete fredda (e) della camera; 2. il gas della camera, riscaldato, si espande; 3. il pistone (b) si muove verso l’esterno della camera e nel suo moto spinge la giunzione (c) che ruota e a suo volta sposta il dislocatore sulla parete calda (d) così da isolare la camera dal calore che va a raffreddarsi; 4. Il gas freddo si contrare facendo riabbassare il pistone; 5. Il pistone si muove verso l’interno della camera e nel suo moto sposta il dislocatore sulla parete fredda.

8. MOTORE COSTRUITO DA NOI Sì è tentato di costruire un motore di Stirling in configurazione Beta utilizzando come materiali: • Legno • Barre di metallo • Lattina • Palloncino • Peso Con il legno e le barre di metallo si è costruito il montaggio per il motore, mentre con la lattina, il palloncino ed il peso, legato ad un filo e connesso alla barra orizzontale di metallo, si sono prodotti il pistone e la camera esterna al pistone.