Motore Stirling
principio di funzionamento e caratteristiche di un motore Stirling di tipo α con i pistoni disposti a V
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.
In 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.
Una descrizione dettagliata del motore Stirling della SOLO si può trovare all'indirizzo:
http://dma.ing.uniroma1.it/LAB_MACCHINE/V160.pdf
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