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 possibilità 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 possibilità 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.

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…

Il fascino della macchina a vapore da Lanci

MOTORE AD ARIA CALDA

  Funzionamento come motore termico

  Facendo riferimento alla figura, il funzionamento come motore termico può essere schematizzato nella seguente maniera < ammettendo che i pistoni si muovano indipendentemente uno dall'altro):

• fase 1 compressione isoterma
  il pistone 2 è al punto morto superiore ed il pistone solleva comprimendo l'aria a temperatura T₁

• fase 2 riscaldamento isocore
  Il pistone 2 si abbassa trasferendo l'aria dalla zona inferiore del cilindro a bassa temperatura T₁ alla zona superiore ad alta temperatura T₂.

• fase 3 espansione isoterma
  il pistone 1 scende e l'aria si espande isotermicamente (alla temperatura T₂) assorbendo calore dal filamento

• fase 4 raffreddamento isocore
  il pistone 2 si solleva trasferendo l'aria dalla parte inferiore dei cilindro, a temperatura alta, alla parte inferiore a temperatura bassa.

  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.

MOTORE AD ARIA CALDA

  Il motore ad aria calda (Leyboid 388 18) è una macchina
termica reversibile:

• può sfruttare un ciclo termodinamico reale per trasforma energia termica in energia meccanica

• può essere utilizzato, se gli viene fornita energia meccanica per assorbire calore da un corpo e trasferirlo ad un altro temperatura maggiore.

  Il ciclo termodinamico reale del motore ad aria calda deriva dal ciclo ideale di Stirling.
  Questo ciclo consiste di quattro fasi:

• una compressione isoterma a temperatura bassa T₁

• un riscaldamento isocoro fino ad temperatura alta T₂.

• una espansione isoterma alla temperatura T₂ che fa tornare il volume al valore iniziale

• un raffreddamento isocoro che chiude il ciclo riportando la temperatura al valore basso T₂ e la pressione al valore iniziale

  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.

MOTORE AD ARIA CALDA

  Determinazione della potenza

  Proiettando il tracciato del ciclo su carta millimetrata, possibile misurare l'area racchiusa dal ciclo.
  Il valore ottenuto (in cm²) va poi trasformato in unità di misura di lavoro:

• la larghezza massima del grafico va riferita al valore di 150 cc che è la variazione di volume nel cilindro tra i punti morti superiore ed inferiore

• l'altezza massima va invece riferita alla differenza massima di pressione che può essere misurata connettendo un manometro alla connessione sulla biella (al posto della connessione dell'indicatore "p V"). Tale differenza di pressione è dell'ordine di 1 Atm.

  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.

• si misura il numero N di giri/sec del motore in rotazione libera

• si avvolge intorno all'asse del volano la trecciola di rame ad una estremità della quale è fissato un dinamometro da 100 N, mentre l'altra estremità viene tenuta ferma con la mano

• si tira il dinamometro quanto basta per produrre una piccola diminuzione della velocità di rotazione e si misura il valore F della forza

• si misura il nuovo valore della velocità di rotazione in giri al secondo e si calcola la diminuzione del numero di giri δN

d N

La coppia è data da M = - F ---

2 δN

  essendo d il diametro ( 2.5 cm) dell'asse del volano.
  La potenza del motore in watt è data da P = M . N   dove M è espresso in Newton.metro.

  Rendimento

  Dopo aver calcolato, con uno dei metodi precedenti, il valore della potenza fornita dal motore, si può determinarne il rendimento utilizzando la relazione

r = P/P'

  essendo P' la potenza termica fornita al motore.
  Per misurare quest'ultima si può collegare in serie all'alimentazione del filamento un wattmetro.
  Il wattmetro a disposizione potrebbe non sopportare le intensità di corrente elevate (10 - 17 A con tensione di alimentazione di 12 - 20 V ) richieste dal filamento del motore; in tal caso la potenza potrebbe essere calcolata, dato che il conduttore è praticamente ohmico, da P' = I V misurando la tensione ai capi del conduttore e l'intensità di corrente.

MOTORE AD ARIA CALDA

  Funzionamento come macchina frigorifera

  Per far funzionare la macchina come macchina frigorifera, sostituisce la testata dotata del filamento di riscaldamento con altra con giunto vetro-metallo in cui si può introdurre termometro od una provetta.
  Si collega poi, mediante la cinghietta, il volano del motore alla puleggia del motore per esperienze, come mostrato nella figura seguente.
  Se la macchina ruota in senso orario (stesso senso di rotazione di quando essa viene usata come motore), come in figura, l'aria assorbe calore dalla parte superiore fredda del cilindro e lo cede all'acqua di raffreddamento.
  Il termometro indica la diminuzione di temperatura sostituendo al termometro una provetta con un po' (0.5 - 1 cc) d'acqua si può produrre ghiaccio).
  Invertendo il senso di rotazione, l'aria assorbe calore da acqua (che in questo caso ha la funzione di sorgente di calore lo trasferisce alla parte superiore del cilindro che tende riscaldarsi sempre di più.
  Questo modo di funzionamento è quello comunemente chiamato pompa di calore.
  In entrambi i casi la macchina funziona come macchina frigorifera, assorbendo calore da un corpo freddo e cedendolo ad uno caldo, ed il ciclo termodinamico di pagina 1 viene percorso in senso inverso.
  La figura a lato mostra due grafici (quello superiore relativo al funzionamento come pompa di calore e quello inferiore relativo al funzionamento come macchina frigorifera riportanti l'andamento della temperatura alla testata in funzione del tempo di funzionamento.
  Da ciascuno dei grafici si può estrapolare un tratto rettilineo iniziale, che corrisponde all'intervallo di tempo in cui gli scambi di calore con l'esterno non
sono rilevanti.
  Le pendenze di dette rette

δT/δt

sono direttamente proporzionali alla quantità di calore sottratta o fornita dalla macchina nell'unità di tempo.
  Quest'ultima quantità (δQ/δt) è detta "potenza refrigerante " della macchina.

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