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Come funzionano i motori Stirling

Foto per gentile concessione di American Stirling Company Questo motore può funzionare utilizzando solo il calore della tua mano. Guarda le foto dei motori.

Il motore Stirling è un motore termico molto diverso dal motore a combustione interna della tua auto. Inventato da Robert Stirling nel 1816, il motore Stirling ha il potenziale per essere molto più efficiente di un motore a benzina o diesel. Ma oggi, i motori Stirling sono utilizzati solo in alcune applicazioni molto specializzate, come nei sottomarini o nei generatori di potenza ausiliari per yacht, dove il funzionamento silenzioso è importante. Sebbene non ci sia stata un'applicazione per il mercato di massa di successo per il motore Stirling, alcuni inventori di grande potenza ci stanno lavorando.

Un motore Stirling utilizza il Ciclo Stirling , che è diverso dai cicli utilizzati nei motori a combustione interna.

I gas utilizzati all'interno di un motore Stirling non lasciano mai il motore. Non ci sono valvole di scarico che sfogano gas ad alta pressione, come in un motore a benzina o diesel, e non ci sono esplosioni in corso. Per questo motivo, i motori Stirling sono molto silenziosi.
Il ciclo Stirling utilizza una fonte di calore esterna, che potrebbe essere qualsiasi cosa, dalla benzina all'energia solare, al calore prodotto dalle piante in decomposizione. Non avviene combustione all'interno dei cilindri del motore.

Esistono centinaia di modi per mettere insieme un motore Stirling. In questo articolo impareremo a conoscere il ciclo Stirling e vedremo come funzionano due diverse configurazioni di questo motore.

Contenuti

Il ciclo di Stirling
Motore Stirling di tipo dislocatore
Motore Stirling a due pistoni
Perché i motori Stirling non sono più comuni?

>Il Ciclo Stirling

Il principio chiave di un motore Stirling è che una quantità fissa di gas è sigillata all'interno del motore . Il ciclo Stirling prevede una serie di eventi che modificano la pressione del gas all'interno del motore, facendolo funzionare.

Esistono diverse proprietà dei gas che sono fondamentali per il funzionamento dei motori Stirling:

Se hai una quantità fissa di gas in un volume fisso di spazio e aumenti la temperatura di quel gas, la pressione aumenterà.
Se hai una quantità fissa di gas e la comprimi (diminuisci il volume del suo spazio), la temperatura di quel gas aumenterà.

Esaminiamo ogni parte del ciclo Stirling guardando un motore Stirling semplificato. Il nostro motore semplificato utilizza due cilindri. Un cilindro è riscaldato da una fonte di calore esterna (come il fuoco) e l'altro è raffreddato da una fonte di raffreddamento esterna (come il ghiaccio). Le camere a gas dei due cilindri sono collegate e i pistoni sono collegati tra loro meccanicamente da un collegamento che determina come si muoveranno l'uno rispetto all'altro.

Ci sono quattro parti del ciclo Stirling. I due pistoni nell'animazione sopra realizzano tutte le parti del ciclo:

Il calore viene aggiunto al gas all'interno del cilindro riscaldato (a sinistra), provocando la formazione di pressione. Questo costringe il pistone a scendere. Questa è la parte del ciclo Stirling che fa il lavoro.
Il pistone sinistro si alza mentre il pistone destro si abbassa. Questo spinge il gas caldo nel cilindro raffreddato, che raffredda rapidamente il gas alla temperatura della fonte di raffreddamento, abbassandone la pressione. Ciò semplifica la compressione del gas nella parte successiva del ciclo.
Il pistone nel cilindro raffreddato (a destra) inizia a comprimere il gas. Il calore generato da questa compressione viene rimosso dalla fonte di raffreddamento.
Il pistone destro si alza mentre il pistone sinistro si abbassa. Questo forza il gas nel cilindro riscaldato, dove si riscalda rapidamente, creando pressione, a quel punto il ciclo si ripete.

Il motore Stirling eroga potenza solo durante la prima parte del ciclo. Esistono due modi principali per aumentare la potenza di un ciclo Stirling:

Aumenta la potenza nella prima fase - Nella prima parte del ciclo, la pressione del gas riscaldato che spinge contro il pistone esegue il lavoro. L'aumento della pressione durante questa parte del ciclo aumenterà la potenza del motore. Un modo per aumentare la pressione è aumentare la temperatura del gas. Quando daremo un'occhiata a un motore Stirling a due pistoni più avanti in questo articolo, vedremo come un dispositivo chiamato rigeneratore può migliorare la potenza del motore immagazzinando temporaneamente il calore.
Diminuisci il consumo di energia nella fase tre - Nella terza parte del ciclo, i pistoni eseguono lavori sul gas, utilizzando parte dell'energia prodotta nella prima parte. L'abbassamento della pressione durante questa parte del ciclo può diminuire la potenza utilizzata durante questa fase del ciclo (aumentando efficacemente la potenza erogata dal motore). Un modo per diminuire la pressione è raffreddare il gas a una temperatura più bassa.

Questa sezione descrive il ciclo Stirling ideale. I motori funzionanti effettivi variano leggermente il ciclo a causa dei limiti fisici del loro design. Nelle prossime due sezioni, daremo un'occhiata a un paio di diversi tipi di motori Stirling. Il motore di tipo dislocatore è probabilmente il più facile da capire, quindi inizieremo da lì.

Un ringraziamento speciale

Un ringraziamento speciale a Brent Van Arsdell dell'American Stirling Company per il suo aiuto con questo articolo.

>Motore Stirling di tipo dislocatore

Invece di avere due pistoni, un motore di tipo dislocatore ha un pistone e un dislocatore. Il dislocatore serve per controllare quando la camera a gas viene riscaldata e quando viene raffreddata. Questo tipo di motore Stirling viene talvolta utilizzato nelle dimostrazioni in classe. Puoi persino acquistare un kit per costruirne uno tu stesso!

Per funzionare, il motore sopra richiede una differenza di temperatura tra la parte superiore e quella inferiore del cilindro grande. In questo caso, la differenza tra la temperatura della tua mano e l'aria circostante è sufficiente per far funzionare il motore.

Nella figura in questa pagina, puoi vedere due pistoni:

Il pistone di potenza - Questo è il pistone più piccolo nella parte superiore del motore. È un pistone a tenuta stagna che si alza quando il gas all'interno del motore si espande.
Il dislocatore - Questo è il pistone grande nel disegno. Questo pistone è molto allentato nel cilindro, quindi l'aria può muoversi facilmente tra le sezioni riscaldate e raffreddate del motore mentre il pistone si muove su e giù.

Il dislocatore si muove su e giù per controllare se il gas nel motore viene riscaldato o raffreddato. Ci sono due posizioni:

Quando il dislocatore è vicino alla sommità del cilindro grande, la maggior parte del gas all'interno del motore viene riscaldato dalla fonte di calore e si espande. La pressione si accumula all'interno del motore, forzando il pistone di potenza verso l'alto.
Quando il dislocatore è vicino al fondo del cilindro grande, la maggior parte del gas all'interno del motore si raffredda e si contrae. Ciò provoca la caduta della pressione, facilitando la discesa del pistone di potenza e la compressione del gas.

Il motore riscalda e raffredda ripetutamente il gas, estraendo energia dall'espansione e dalla contrazione del gas.

Successivamente, daremo un'occhiata a un motore Stirling a due pistoni.

>Motore Stirling a due pistoni

In questo motore, il cilindro riscaldato è riscaldato da una fiamma esterna. Il cilindro raffreddato è raffreddato ad aria e presenta alette per facilitare il processo di raffreddamento. Uno stelo che nasce da ciascun pistone è collegato ad un piccolo disco, che è a sua volta collegato ad un volano più grande. Ciò mantiene i pistoni in movimento quando non viene generata potenza dal motore.

La fiamma riscalda continuamente il cilindro inferiore.

Nella prima parte del ciclo, la pressione aumenta, costringendo il pistone a spostarsi a sinistra, facendo il lavoro. Il pistone raffreddato rimane approssimativamente fermo perché è nel punto della sua rivoluzione in cui cambia direzione.
Nella fase successiva, entrambi i pistoni si muovono. Il pistone riscaldato si sposta a destra e il pistone raffreddato si sposta verso l'alto. Questo sposta la maggior parte del gas attraverso il rigeneratore e nel pistone raffreddato. Il rigeneratore è un dispositivo che può immagazzinare temporaneamente il calore:potrebbe essere una rete di filo attraverso il quale passano i gas riscaldati. L'ampia superficie della rete metallica assorbe rapidamente la maggior parte del calore. Ciò lascia meno calore da rimuovere dalle alette di raffreddamento.
Successivamente, il pistone nel cilindro raffreddato inizia a comprimere il gas. Il calore generato da questa compressione viene rimosso dalle alette di raffreddamento.
Nell'ultima fase del ciclo, entrambi i pistoni si muovono:il pistone raffreddato si abbassa mentre il pistone riscaldato si sposta a sinistra. Questo forza il gas attraverso il rigeneratore (dove raccoglie il calore che è stato immagazzinato lì durante il ciclo precedente) e nel cilindro riscaldato. A questo punto il ciclo ricomincia.

Ti starai chiedendo perché non ci sono ancora applicazioni per il mercato di massa dei motori Stirling. Nella prossima sezione, daremo un'occhiata ad alcuni dei motivi di ciò.

>Perché i motori Stirling non sono più comuni?

Ci sono un paio di caratteristiche chiave che rendono i motori Stirling poco pratici per l'uso in molte applicazioni, inclusa la maggior parte delle auto e dei camion.

Perché la fonte di calore è esterna , ci vuole un po' di tempo prima che il motore risponda alle variazioni della quantità di calore applicata al cilindro - ci vuole tempo perché il calore venga condotto attraverso le pareti del cilindro e nel gas all'interno del motore. Ciò significa che:

Il motore ha bisogno di un po' di tempo per riscaldarsi prima di poter produrre potenza utile.
Il motore non può cambiare rapidamente la sua potenza.

Queste carenze quasi garantiscono che non sostituirà il motore a combustione interna nelle auto. Tuttavia, un'auto ibrida con motore Stirling potrebbe essere fattibile.

Per ulteriori informazioni sui motori Stirling e argomenti correlati, controlla i collegamenti nella pagina successiva.

Pubblicato originariamente:4 maggio 2001

Domande frequenti sul motore Stirling

A cosa serve un motore Stirling?

Esistono centinaia di modi per utilizzare un motore Stirling. Attualmente, i motori Stirling sono utilizzati solo in applicazioni specializzate, come nei sottomarini o nei generatori di potenza ausiliari per yacht.

Perché i motori Stirling non vengono utilizzati?

Non c'è ancora stata un'applicazione per il mercato di massa di successo per il motore Stirling.

Cosa puoi alimentare con un motore Stirling?

I motori Stirling possono essere utilizzati in diversi modi. Sebbene di solito si trovino in sottomarini e yacht, possono essere utilizzati anche per giocattoli, stufe a legna, aria condizionata e sistemi di riscaldamento e altro ancora.

Che tipo di motore è un motore Stirling?

Un motore Stirling utilizza il ciclo Stirling, che è diverso dai cicli utilizzati nei motori a combustione interna. Il ciclo Stirling utilizza una fonte di calore esterna, che potrebbe essere qualsiasi cosa, dalla benzina all'energia solare, al calore prodotto dalle piante in decomposizione. Nessuna combustione avviene all'interno dei cilindri del motore.