Cos'è motore stirling?

Motore Stirling

Il motore Stirling è un motore termico a combustione esterna, ciclico, che opera per compressione ed espansione ciclica di un fluido (aria, elio, idrogeno) a diverse temperature, convertendo l'energia termica in lavoro meccanico. A differenza dei motori a combustione interna (come i motori a benzina o diesel), la fonte di calore è esterna al motore, il che significa che può teoricamente utilizzare qualsiasi fonte di calore per funzionare, inclusa l'energia solare, geotermica, biomasse o persino il calore di scarto industriale.

Principi di Funzionamento

Il ciclo Stirling ideale è composto da quattro processi termodinamici:

1. Riscaldamento isocoro (a volume costante): Il fluido di lavoro viene riscaldato da una fonte esterna, aumentando la sua pressione.
2. Espansione isoterma (a temperatura costante): Il fluido si espande, spingendo un pistone e producendo lavoro.
3. Raffreddamento isocoro (a volume costante): Il fluido viene raffreddato, diminuendo la sua pressione.
4. Compressione isoterma (a temperatura costante): Il fluido viene compresso, richiedendo lavoro, ma in misura minore rispetto al lavoro prodotto durante l'espansione.

Un componente chiave per l'efficienza del motore Stirling è il rigeneratore, uno scambiatore di calore interno che immagazzina temporaneamente il calore dal fluido caldo durante la fase di raffreddamento isocoro e lo rilascia al fluido freddo durante la fase di riscaldamento isocoro. Questo permette di recuperare calore che altrimenti andrebbe perso, migliorando l'efficienza complessiva.

Tipi di Motori Stirling

Esistono diversi tipi di motori Stirling, classificati in base alla disposizione dei pistoni:

• Alpha Stirling: Utilizza due pistoni separati, uno caldo e uno freddo, in due cilindri distinti.
• Beta Stirling: Ha un singolo cilindro contenente sia il pistone di potenza che un dislocatore (displacer). Il dislocatore si muove per spostare il fluido tra la parte calda e la parte fredda del cilindro.
• Gamma Stirling: Simile al Beta Stirling, ma con il pistone di potenza e il dislocatore in cilindri separati collegati.

Vantaggi

• Versatilità: Può utilizzare qualsiasi fonte di calore.
• Basse emissioni: La combustione esterna permette un controllo migliore del processo e, quindi, minori emissioni inquinanti.
• Silenziosità: Non avendo valvole o esplosioni interne, è un motore relativamente silenzioso.
• Alta efficienza teorica: Teoricamente, può raggiungere un'efficienza simile a quella del ciclo di Carnot.

Svantaggi

• Basso rapporto potenza-peso: Rispetto ai motori a combustione interna, il motore Stirling è relativamente pesante e ingombrante per la potenza che produce.
• Costo elevato: La costruzione e i materiali necessari tendono ad essere costosi.
• Difficoltà di controllo: La risposta del motore ai cambiamenti di carico può essere lenta.
• Tenuta: La tenuta dei fluidi di lavoro (elio o idrogeno) ad alta pressione può essere problematica.

Applicazioni

I motori Stirling sono stati utilizzati in diverse applicazioni, tra cui:

• Cogenerazione: Produzione combinata di calore ed elettricità.
• Sistemi di refrigerazione: Utilizzati come refrigeratori criogenici.
• Pompe di calore: Utilizzo del calore di scarto per riscaldare o raffreddare.
• Propulsione sottomarina: La silenziosità li rende adatti per l'uso in sottomarini.
• Centrali solari termodinamiche: Concentrano la luce solare per riscaldare il motore.