Il motore stirling: vecchia tecnologia, nuove possibilità
Il motore Stirling è uno dei motori termodinamici più antichi, essendo nato nell’11.816 EU (1816 d.C.). Viene presentato in questo periodo come una valida alternativa ai motori a combustione interna. Si tratta, infatti, di un motore a combustione esterna, e con questa caratteristica si differenzia dai motori a cui siamo oggi abituati.
Il funzionamento del motore Stirling
Il funzionamento del motore Stirling è molto diverso da quello dei motori a combustione interna (quali ad esempio il motore otto, diesel o Joule-Brayton). Come detto è, infatti, un motore a combustione esterna e questo significa che la combustione, e quindi il riscaldamento del fluido all’interno del ciclo, avviene all’esterno del motore.
Inoltre, questo significa che il fluido all’interno del ciclo non esce mai dal ciclo, aumentandone l’efficienza. Comunque, però, essendo una macchina termica, la sua efficienza non supererà mai quella del ciclo di Carnot associato alle due temperature di lavoro.
Il ciclo del motore Stirling è sempre lo stesso, anche se vi sono diverse configurazioni costruttive. Partendo dal punto “1” nel grafico, vediamo che il ciclo è composto da una espansione isotermica, un raffreddamento isocorico (a volume costante), una compressione isoterma e un riscaldamento isocorico. Si tratta quindi di un ciclo simmetrico: le trasformazioni sono a due a due uguali.
Il ciclo termodinamico del motore Stirling, quando ideale, ha la stessa efficienza del ciclo di Carnot ideale. Ma, quando si valuta il ciclo reale, la sua efficienza scende considerevolmente.
La configurazione del motore
Ci sono due principali modi di funzionamento di questo tipo di motore. Il primo è il motore Stirling alfa. In questo caso vi sono due pistoni indipendenti attaccati allo stesso volano. In questo caso i due pistoni sono tutti e due di potenza.
Ve ne sarà uno caldo e uno freddo, quello mantenuto caldo (la fonte di calore è attorno a questo cilindro) funziona in espansione, mentre quello freddo (accostato a una fonte fredda) agirà in compressione. Tra i due vi è un collegamento meccanico che permette al fluido di lavoro di passare tra i due, e contiene il rigeneratore (uno scambiatore di calore che permette anche di conservare al suo interno del calore).
L’altro tipo di motore è il motore beta. Questo è molto più semplice del tipo alfa: vi sono due cilindri coassiali, uno a tenuta e uno no. Quello a tenuta serve per estrarre lavoro dal sistema, ed è a contatto con la fonte fredda. La fonte calda è vicina al pistone non a tenuta, che comprime l’aria calda e la sposta nella camera fredda, dove vi è il pistone a tenuta. Questo viene mosso dal volano mosso dal pistone a tenuta.
L’utilizzo del motore Stirling
L’utilizzo di questo motore sta vivendo una nuova rinascita. Il motore Stirling veniva sostanzialmente usato sempre per applicazioni stazionarie, sia per impianti industriali che in casa, soprattutto fino alla fine dell’Ottocento, prima dell’uso più generalizzato dei motori a combustione interna per le applicazioni medio piccole.
Il suo impiego è stato soggetto a crescita da quando le energie alternative sono diventate importanti.
Il motore Stirling ha infatti alcune problematiche, motivo per cui non è mai stato utilizzato, per esempio, su automobili o nei trasporti. Infatti, ha qualche problema nelle applicazioni di bassa energia. Il motivo dei suoi problemi risiede nella sua architettura. Il motore Stirling richiede temperature alte per un periodo continuativo, di conseguenza richiede molta manutenzione. Inoltre, non è pensato per avere un’alta densità di energia, per produrre alta energia con questo motore servono motori di grandi dimensioni e alti pesi.
Le tecnologie moderne di motori elettrici e ibridi potrebbero risolvere alcuni problemi di questo motore. Infatti, sono state effettuate sperimentazioni con motori ibridi Stirling ed elettrici sulle automobili, ma ancora non ci sono risultati definitivi.
Il vero utilizzo per cui il motore Stirling sta vivendo una nuova primavera sono le applicazioni di grandi dimensioni. Infatti, viene utilizzato dagli anni ’70 per una propulsione indipendente dall’aria dei sottomarini svedesi della classe Gotland e Sodermanland e i giapponesi della classe Soryu. Inoltre, viene utilizzato per la produzione di energia elettrica, sia in applicazioni mosse da combustibili fossili che in applicazioni verdi. Infatti, viene spesso usato bruciando biomasse oppure attraverso il riscaldamento dato da specchi solari.
Fonti
Çengel, Y. A., Termodinamica e Trasmissione del calore, McGraw-Hill Education, 2016
Sono studente di ingegneria aeronautica full time, e altrettanto full time posso perdermi a parlare di tutto lo scibile umano, con una predilezione per i mezzi veloci o che hanno un grosso motore, per arrivare fino a cose che non c’entrano granché, come la filosofia o la letteratura.
