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Funzionamento: motore stirling
La Macchina di Stirling a Ciclo Diretto
Alla categoria di macchine a ciclo chiuso a gas caldo appartiene l’ingegnosa invenzione del ministro della
chiesa del rito scozzese, Robert Stirling, il quale in collaborazione con il fratello James, ingegnere
meccanico, e dopo una prima elaborazione completata nel 1815, perfezionò la sua proposta di macchina
funzionante in ciclo chiuso rigenerativo nel 1816; il brevetto fu poi depositato nel 1817.
Un lungo cilindro A, disposto verticalmente, è riscaldato nella
parte superiore dai gas combusti provenienti dal focolare B. La
parte inferiore del cilindro è raffreddata con acqua o aria. Il
cilindro A contiene uno “stantuffo-separatore” C, detto
displacer: si tratta di un elemento che sposta ciclicamente il
fluido di lavoro senza variarne il volume totale a disposizione.
Lo stantuffo separatore C è di diametro sensibilmente minore
rispetto al diametro interno di A e centrato a questo mediante
rulli. Lo stantuffo di potenza D permette la variazione totale dei volumi di lavoro. Al moto alterno del
displacer corrisponde il flusso dell’aria che attraversa alternativamente nei due sensi di marcia, un
rigeneratore termico, passando così dallo spazio freddo inferiore E, posto tra il fondo di C e la testa di D, e
lo spazio caldo superiore F e viceversa. Il rigeneratore (non visibile in figura) è posto nello spazio anulare
compreso tra il displacer e la parete interna del cilindro A, e svolge il ruolo di spugna termica,
accumulando il calore cedutogli dal fluido di lavoro in un passaggio e restituendolo nel passaggio inverso.
Passando dallo spazio caldo a quello freddo, tale fluido viene alternativamente riscaldato e refrigerato,
subendo variazioni di temperatura e di pressione che danno luogo alla produzione di lavoro meccanico
raccolto dallo stantuffo D.
La macchina di Stirling nasce dall’esigenza di poter disporre di un motore che potesse eludere il problema
principale di tutti i primi impianti con macchine a vapore: il pericolo di scoppio della caldaia. Fu proprio
Robert Stirling il primo ad utilizzare il suo motore per un sistema idraulico di pompaggio dell’acqua; la sua
proposta presentava degli accorgimenti del tutto nuovi ed innovativi, tra questi la presenza del displacer e
del rigeneratore. Le dimensioni delle parti principali del motore erano ragguardevoli: il cilindro aveva uno
sviluppo in altezza di 3.048 mm ed il diametro di 609 mm. L’impianto rimase in funzione per circa due
anni, fornendo circa 2 CV (1,5 kW), prima che la testa calda del motore cedesse per surriscaldamento. A
parte la ridotta potenza specifica, il maggiore inconveniente riscontrato nell’uso pratico fu appunto
rappresentato dallo stress termico sulla testa calda del motore, sottoposta con continuità ad elevate
temperature. Questo inconveniente non poteva essere risolto se non con acciai a bassissimo tenore di
carbonio che all’epoca non erano reperibili, mentre fin al 1824, per aumentare la bassa potenza specifica si
poté fare ricorso alla pressurizzazione del fluido di lavoro, introdotta su proposta del fratello James.
Lo studio proseguì fino al 1843 in cui i fratelli Stirling convertirono un motore a vapore in uno ad aria
calda a doppio effetto; il consumo specifico era decisamente minore di quello dell’analogo motore a vapore
originario. Purtroppo, dopo sette mesi di servizio, la testa calda cedette di nuovo per l’incapacità di
sopportare il surriscaldamento e l’ossidazione. Alla terza sostituzione di questo componente, l’impianto fu
convertito di nuovo a vapore. L’abbassamento delle temperature medie di lavoro risolse così il problema
anche se a migliori prestazioni termodinamiche della macchina di Stirling corrispondevano maggiore
affidabilità e durata di quelle a vapore.
Verso il 1850 la rivalità tra il motore Stirling e quello a vapore si era di fatto risolta a favore di quest’ultimo
lasciando al motore Stirling solo una contenuta nicchia di mercato.
Fu alla fine del XIX secolo che il motore elettrico e quello a combustione interna si affermarono in maniera
completa per la loro alta potenza specifica e per la semplicità costruttiva, di impiego e manutenzione,
prendendo il posto dei motori a vapore e Stirling. Tuttavia, il motore ad aria calda continuò ad essere
commercializzato fino al 1920, data che segnò il suo declino. Per ironia della sorte, di lì a poco iniziò lo
sviluppo degli acciai inossidabili, quei materiali che avrebbero potuto costituire la chiave del successo per
le macchine ad aria calda.
La ripresa della ricerca, nel 1937, nel campo delle macchine ad aria calda, si deve alla Philips olandese, che
avviò un progetto di sviluppo di un motore che avesse queste proprietà:
1. assenza di accessori o componenti elettrici che provocassero radiodisturbi;
2. minima emissione acustica;
3. policombustibilità.
Ci si rese presto conto che la macchina di Stirling avrebbe potuto facilmente soddisfare queste richieste con
l’aggiunta di un buon rendimento. Il gruppo di ricerca della Philips si orientò verso la realizzazione di un
gruppo trasportabile elettrogeno funzionante secondo il ciclo Stirling, attratti dalle enormi possibilità di
sviluppo che le nuove tecnologie consentivano se applicate ai vecchi motori ad aria calda.
La seconda guerra mondiale, però, ostacolò le ricerche che non poterono che rimanere prevalentemente
teoriche, con qualche piccola realizzazione (tenuta in questo modo meglio nascosta ai tedeschi che stavano
occupando l’Olanda). Alla fine del 1947, alcuni famosi articoli pubblicati dai tecnici della Philips
sancivano definitivamente la rinascita della macchina di Stirling. Nei nuovi motori realizzati la potenza
specifica per l’unità di peso era stata aumentata di un fattore 50, mentre l’aumento per l’unità di volume era
pari addirittura ad un fattore 125. La velocità di rotazione, infine aveva raggiunto i 3000 giri al minuto. La
progettazione e la costruzione di un refrigeratore da parte della Philips destò la comunità scientifica del
tempo; esso consisteva in una macchina di Stirling accoppiata ad un motore elettrico il cui funzionamento
poteva essere riportato a quello di una pompa di calore. Altro progetto importante della Philips fu il
“Philips 102C Bungalow Set”, un gruppo elettrogeno portatile con una potenza di 250 W idonea
all’alimentazione delle radio.
Intorno al 1954 ancora una volta lo sviluppo della macchina di Stirling veniva stroncato dagli eventi; infatti
la nascita del transistor, che di fatto riduceva drasticamente le richieste di potenza elettrica (in termini di
corrente e tensione) per l’alimentazione delle apparecchiature radio, e la grandissima disponibilità di
petrolio, non consentirono la valorizzazione di un motore policombustibile e ad alto rispetto ambientale.
Tuttavia ci fu una leggera ripresa della ricerca da parte della Philips, anche se a ritmo ridotto e alterno, che
ha portato nel 1953 all’introduzione della guida rombica.
Dal 1957 cominciarono ad interessarsi al successivo sviluppo del progetto anche General Motors , che
focalizzò il suo interesse sulla propulsione ferroviaria, navale sottomarina e sull’autotrazione (Stir-Lec-1,
Stir-Lec-2, Calvari) e successivamente la Ford, finanziando nel 1972 la produzione di un motore Stirling da
impiegare per il modello di media cilindrata “Torino”. All’inizio del 1976 due Ford Torino Stirling Special,
perfettamente funzionanti, stavano per dare il via alla produzione di serie; eventi come la guerra dello Yom
Kippurn e la crisi petrolifera conseguente mutarono nuovamente ed improvvisamente lo scenario tecnicocommerciale
decretando per la macchina di Stirling un nuovo declino.
Attualmente diverse aziende nel mondo commercializzano motori basati sul ciclo di Stirling sia a scopo
didattico che per usi in gruppi cogenerativi. Tra le tante ricordiamo la SunPower specializzata in modelli
didattici o la WhisperGen con il loro modello WhisperGen Personal Power Station un piccolo gruppo
cogenerativo della potenza di 750 W. Negli anni ’70 venne realizzato ad opera della Forenade
Fabriksverken (Svezia) un motore in configurazione alfa, bicilindrico di 90° che successivamente la
Stirling Power Systems USA denominò V160. Da quella realizzazione attualmente la Solo Kleinmotoren
gmbh commercializza il modello V161 sia in versione solare che a gas naturale.
Stirling Criogenico a Ciclo Inverso
Attualmente desta elevato interesse l’impiego dello Stirling a ciclo inverso (refrigeratore Stirling). Il
sistema è in grado di fornire temperature pari a 77 K, necessarie al funzionamento di sistemi che
impieghino HTS (High Temperature Superconductor), raggiungendo valori inferiori ai 4K con
apparecchiature più complesse costituite da più stadi. Costituito essenzialmente da uno scambiatore caldo,
un rigeneratore ed uno scambiatore freddo in corrispondenza del quale sono raggiunte le temperature
criogeniche, presenta due pistoni in moto relativo disposti reciprocamente a monte e a valle del sistema.
Adeguatamente sfasati i pistoni vanno a caratterizzare il moto oscillatorio dell’onda di pressione indotta nel
fluido evolvente (generalmente elio). Di norma in pistone adiacente alla testa fredda è costituito da un
displacer che scorre all’interno di un proprio cilindro. Nel caso dei dispositivi miniaturizzati impiegati per
sensori criogenici e per l’elettronica fredda, il rigeneratore ed il displacer sono congiuntamente abbinati a
formare un displacer rigenerativo. Si tratta di un criorefrigeratore miniaturizzato Stirling integrale a modulo
comune con capacità refrigerante di 0.25 ed 1 watt ad 80 K. La macchina è prodotta da alcuni costruttori sia
in Germania che negli Stati Uniti al ritmo di 20 mila unità all’anno. Altro esempio relativo di produzione in
larga scala è la macchina Stirling-split: la parte fredda contenente il displacer rigenerativo, è separata dal
compressore e dal motore di trascinamento per ridurre le vibrazioni meccaniche e le emissioni
elettromeccaniche e il collegamento è assicurato da un tubo flessibile di trasferimento di piccolo diametro.
La macchina è utilizzata per applicazioni come i supporti a cardani girevoli per sensori ad infrarossi dove
la prerogativa è la massa ridotta della parte fredda per ridurre al minimo l’inerzia e le forze necessarie a
muovere il sistema cardanico. I criorefrigeratori Stirling sono impiegati laddove si richieda un
criorefrigeratore miniaturizzato, veloce, compatto, efficiente e a basso costo e dove è tollerata una vita
operativa limitata. Forniscono efficienze maggiori degli altri sistemi criogenici attualmente in uso (Gifford-
McMahon, Turbo-Brayton, Mixed-gas JT) per un ampio range di valore della potenza in ingresso al
compressore.
Questo testo è tratto da Uniroma1
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