Un motore Stirling è un motore termico alternativo che utilizza il calore proveniente da una fonte esterna per creare energia per il ciclo di lavoro. Questo calore è spesso ottenuto dalla combustione esterna, quindi è un motore a combustione esterna.

Questo tipo di motore utilizza energia chimica ottenuta bruciando carburante per riscaldare la sostanza di lavoro, che successivamente esegue lavoro nel motore. La combustione avviene sempre all'esterno del motore e la sostanza di lavoro è molto spesso gas.

La storia del motore Stirling in poche parole

Lo sviluppo del motore Stirling iniziò all'inizio del XIX secolo, quando l'ingegnere e pastore scozzese Robert Stirling cercò di creare un'alternativa più sicura ai motori a vapore, noti per l'esplosione. Il motore Stirling fu brevettato nel 1816. Negli anni successivi subì diversi miglioramenti per aumentarne l'efficienza. I fratelli Stirling brevettarono anche un motore ad aria calda nel 1827.

Durante il XIX e il XX secolo, i motori Stirling hanno sperimentato un crescente interesse e innovazione, in particolare durante la carenza di carburante o periodi di rapido progresso tecnologico. Al giorno d'oggi, i motori Stirling stanno tornando alla ribalta come alternativa ecologica ai tradizionali motori a combustione.

La costruzione del motore Stirling

In termini di design, il motore Stirling presenta molti vantaggi rispetto ad altri motori a combustione. Il motore è robusto e ha una costruzione semplice, che lo rende molto affidabile.

Questo motore è incapsulato e a tenuta stagna, il che ne consente l'utilizzo, ad esempio, sott'acqua o sotto vuoto. Poiché il carburante non brucia all'interno del motore, non si verificano rumori o vibrazioni inutili.

Il motore è quindi più silenzioso, più raffinato e ha una durata maggiore rispetto ai classici motori a combustione interna perché le sue parti sono meno sollecitate. L'efficienza del motore Stirling è la stessa, a volte anche superiore, dei migliori motori diesel. Tuttavia, il suo più grande vantaggio è che diversi tipi di carburante possono essere utilizzati per azionare il motore.

Come funziona un motore Stirling monocilindrico?

Inizialmente, il gas è a bassa temperatura e quindi la pressione si trova tra i pistoni di lavoro inferiore (perdita) e superiore (a tenuta), che sono interconnessi. Il pistone inferiore si sposta nella parte superiore del cilindro ed espelle il gas, che scorre attorno al pistone nella parte inferiore del cilindro, che viene riscaldato da una fonte di calore esterna.

Grazie al riscaldamento, la temperatura del gas all'interno della bombola aumenta. Il gas aumenta così il suo volume e la sua pressione e si espande verso l'alto mentre scorre nuovamente attorno al pistone che perde.

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Nella parte superiore del cilindro, il gas viene raffreddato, riducendone il volume e la pressione, il che fa sì che il pistone di lavoro si sposti verso il basso, sollevando verso l'alto il pistone che perde e consentendo al gas di tornare nella parte inferiore del cilindro, che viene riscaldato. Questo ciclo continua a ripetersi.

Come funziona un motore Stirling a due o più cilindri?

Una fonte di calore esterna riscalda il cilindro rosso. Il gas nel cilindro aumenta il suo volume e la sua pressione, spingendo il pistone del cilindro (rosso) verso l'alto. Dopo che il pistone raggiunge il limite superiore del cilindro, il gas fluisce attraverso il tubo nel secondo cilindro (blu).

Lì viene raffreddato, grazie al quale ne riduce il volume e la pressione, provocando la caduta del pistone, che spinge il gas raffreddato nel cilindro riscaldato.

Vantaggi del motore Stirling

Il motore Stirling ha un uso versatile e un'efficienza paragonabile ai motori spark o diesel. Come detto si tratta di un motore a combustione esterna, che crea meno sostanze nocive.

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Poiché nessuna sostanza entra o esce dal motore, è possibile utilizzare il riempimento delle bombole più idoneo. I principali vantaggi del motore Stirling includono quanto segue:

1. Versatilità del carburante: i motori Stirling possono funzionare praticamente con qualsiasi fonte di calore, rendendoli adattabili a un'ampia gamma di combustibili, comprese le fonti di energia rinnovabile come l'energia solare.
2. Elevata efficienza: Grazie al rigeneratore e ai processi isotermici, i motori Stirling possono raggiungere una maggiore efficienza termica rispetto ai motori a combustione.
3. Basse emissioni: il processo di combustione esterna si traduce in minori emissioni e meno inquinamento, rendendo i motori Stirling una soluzione rispettosa dell'ambiente. Meno sostanze nocive entrano nell'aria a causa dell'assenza di olio nel carburante.
4. Funzionamento silenzioso: i motori Stirling funzionano con rumore e vibrazioni minimi perché non c'è combustione interna e nessuna rimozione rapida dei gas di scarico.

Combustibili per il motore Stirling

Come già accennato, un enorme vantaggio del motore Stirling rispetto ad altri motori a combustione è che è possibile utilizzare un'ampia gamma di combustibili diversi per alimentare il motore, come ad esempio:

• Gas naturale (consegue i migliori risultati dal punto di vista economico ma anche ecologico)
• Combustibili liquidi e gassosi
• Combustibile solido
• Biomasse (cippato, residui vegetali e altro...) • • • Biogas (gas da discariche, depuratori, coke gas)
• Energia solare
• molti altri...

A parte il motore Stirling, nessun altro motore può utilizzare un gruppo così ampio di fonti diverse per la sua propulsione.

Svantaggi del motore Stirling

Come ogni altro dispositivo, il motore Stirling ha pro e contro. Possiamo includere i seguenti tra gli svantaggi di questo motore:

• Rapporto potenza/peso inferiore: rispetto ai motori a combustione, i motori Stirling hanno un rapporto potenza/peso inferiore.
• Design complesso: i motori Stirling hanno un design più complesso, che comporta costi di produzione più elevati e una manutenzione più problematica.
• La complessità dei materiali: un efficiente trasferimento di calore tra la camera calda e quella fredda è essenziale per prestazioni ottimali. Pertanto, i requisiti per i materiali di tenuta sono elevati e quindi i costi di produzione.

Utilizzo del motore Stirling

Il motore Stirling è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni grazie alla sua versatilità e proprietà uniche:

• Generazione di energia: il motore Stirling può generare elettricità in aree remote utilizzando il calore residuo o fonti di energia rinnovabile come l'energia solare.
• Cogenerazione: nei sistemi combinati di calore ed elettricità (CHP), un motore Stirling può recuperare il calore residuo da processi industriali o edifici, aumentando l'efficienza energetica.
• Propulsione marina: il motore Stirling viene utilizzato nei sottomarini e in altre navi militari per un funzionamento silenzioso e risparmio di carburante.
• Energia spaziale: i generatori di radioisotopi Stirling sono utilizzati come fonte di energia per le missioni nello spazio, come il NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).

Innovazioni future

I motori Stirling sono pronti a svolgere un ruolo significativo nella transizione verso soluzioni energetiche più pulite ed efficienti. Le aree potenziali per l'innovazione futura includono:

• Energia solare: i sistemi a energia solare concentrata possono utilizzare i motori Stirling per convertire la luce solare in elettricità, offrendo una risorsa rinnovabile.
• Recupero del calore disperso: lo sviluppo di materiali e design avanzati può migliorare ulteriormente l'efficienza dei motori Stirling, rendendoli un'opzione interessante per il recupero del calore disperso e il risparmio energetico.
• Uso automobilistico: sebbene non ancora diffusa, l'integrazione dei motori Stirling nei sistemi di veicoli ibridi potrebbe contribuire a ridurre il consumo di carburante e le emissioni.

Fatti interessanti sul motore Stirling

• Primo motore brevettato: il motore Stirling è stato il primo motore brevettato, che ha ricevuto il brevetto nel 1816, ancor prima del motore a combustione interna.
• Innovazione per la sicurezza: il motore Stirling è stato originariamente sviluppato come alternativa più sicura ai motori a vapore soggetti a esplosioni a causa del vapore ad alta pressione.
• Sottomarini svedesi: la Marina Militare svedese utilizza i motori Stirling nei suoi sottomarini di classe Gotland dal 1996, sfruttando il funzionamento silenzioso e l'efficienza dei motori.
• Philips Electronics: negli anni '50, Philips Electronics sviluppò una gamma di motori Stirling da utilizzare nelle radio e in altri piccoli elettrodomestici, contribuendo a rendere popolare la tecnologia.
• Motore Stirling più longevo: il motore Stirling più longevo si trova presso l'Università di Canterbury in Nuova Zelanda. Questo motore, noto come Canterbury Ringbom, è in servizio dal 1986.

Domande frequenti sul motore Stirling

D: È possibile utilizzare un motore Stirling in un'auto?

Risposta: il motore Stirling non è ancora diffuso per l'uso automobilistico a causa del suo rapporto potenza-peso inferiore e della sua complessità. Tuttavia, può essere integrato nei sistemi di veicoli ibridi per migliorare l'efficienza del carburante e ridurre le emissioni.

Domanda: Come si confronta l'efficienza di un motore Stirling con quella di un motore a combustione interna?

Risposta: il motore Stirling può raggiungere un'efficienza termica maggiore rispetto ai motori a combustione interna, raggiungendo spesso efficienze del 30-40% o più, mentre i motori a combustione interna sono in genere intorno al 20-25%.

Domanda: Quali sono i principali fattori che influenzano l'efficienza di un motore Stirling?

Risposta: L'efficienza di un motore Stirling dipende da diversi fattori, tra cui la differenza di temperatura tra la camera calda e quella fredda, il design del rigeneratore, il gas di lavoro e le perdite meccaniche nel motore.

D: Come si avvia un motore Stirling?

Risposta: un motore Stirling richiede una fonte di calore esterna per iniziare a funzionare. Una volta che il gas di lavoro si riscalda e inizia ad espandersi, il motore si avvia e continua a funzionare finché viene mantenuta la fonte di calore.

D: Quale gas di lavoro viene utilizzato in un motore Stirling?

Risposta: il gas di lavoro in un motore Stirling può variare a seconda del design e dell'applicazione specifici. I gas comunemente usati includono aria, idrogeno, elio e azoto.

Conclusione

Il motore Stirling offre una combinazione unica di versatilità del carburante, alta efficienza e basse emissioni, rendendo possibile un'ampia gamma di applicazioni. Con l'avanzare della tecnologia, il potenziale del motore Stirling aumenterà, così come il suo utilizzo in vari campi.

Guarda un motore Stirling funzionante in una versione ridotta: