Motore Stirling

Motrice ad aria calda (ciclo Stirling)

Generalità

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.

ciclo Stirling, funzionamento e costruzione del motore

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:

1. una camera di riscaldamento (capacità calda) del fluido motore, per esempio idrogeno, in cui questo riceve calore, mediante uno scambiatore tubolare, da un opportuno circuito esterno di combuztione, munito di preriscaldatore d'aria;
2. una camera di raffreddamento (capacità fredda) dell'idrogeno, utilizzando a tale scopo un opportuno circuito esterno di refrigerazione ad acqua;
3. uno scambiatore per la rigenerazione del calore, inserito nella tubazione che mette le due camere permanentemente in comunicazione (fig 3-3a): tale scambiatore assorbe calore dal gas allorché questo si trasferisce dalla capacità calda alla capacità fredda, nella fase 4-1 a volume costante, e lo restituisce al gas, allorché questo ritorna alla capacità calda nella fase 2-3 a volume costante;
4. un pistone di trasferimento che ha il compito di comandare il movimento dell'idrogeno tra le due capacità, e quindi consentire il passaggio dalle fasi di introduzione a quelle di sottrazione del calore e viceversa (fig 3-3b);
5. un pistone motore (fig. 3-3b) che consente lo svolgimentod elle fasi di compressuione e di espansione del gas, facendo variaire ciclicamente il volume totale entro cui l'idrogeno è contenuto [Nota: il volume totale entro cui è contenuto l'idrogeno è la somma, fatta istante per istante, del volume della capacità calda, compreso il volume interno allo scambiatore tubolare del circuito di combustione, della capacità fredda, compreso il volume interno al circuito di refrigerazione, del volume relativo al rigeneratore, e del volume di tutti i collegamenti (N.d.A.)]

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.

meccanismo di derivazione del moto e regolazione

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.

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