Il motore Stirling, dall’invenzione a una possibile applicazione innovativa

da | Dic 23, 2015 | Esperti, News | 0 commenti

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Il motore di Stirling fu inventato nell’800 ed oggi sembra non essere ancora entrato nelle nostre vite o conosciuto dalle masse. Secondo le definizioni accademiche di innovazione, pur essendo una grande invenzione il motore necessita ancora di trasferimenti tecnologici e competenze per far diventare alcune sue applicazioni delle innovazioni. In questo articolo, Gianpietro un esperto che aderisce a SOBENIO (www.sobenio.com), la rete di esperti che operano in settori prototipali (aerospazio, fisica, meccanica avanzata, etc), descrive il motore dopo averlo studiato e in seguito averne progettato, realizzato e testato uno (https://youtu.be/A8DWEfFiiYg) con il suo team di specialisti. L’articolo ripercorre la storia del motore, descrive i recenti sviluppi e propone applicazioni che potrebbero trasformare questa invenzione in un’innovazione nota e usata nella vita quotidiana di molti, in particolar modo oggi che si parla continuamente di ecologia e ambiente.

Il motore di Stirling è un motore a combustione esterna, piuttosto diverso dai motori a scoppio che muovono le nostre automobili. La tabella confronta le due tecnologie.

Caratteristica Motore Tradizionale Motore Stirling
Combustione Interna nei cilindri Esterna con scambiatore di calore
Durata Combustione Breve Continua come una caldaia
Carburante Benzina, gasolio, metano, gpl. Qualsiasi fonte di calore, da benzina, gasolio, cherosene, legna in forma di cippato o pellet, energia solare.
Emissioni Si, richiedono filtri attivi (catalizzatore) per ridurre le emissioni nocive No, minori emissione di incombusti verso l’esterno. Non richiede catalizzatori.
Bilancio Termico Emissione dei fluidi di lavoro (aria e fumi) ad alta energia termica verso l’esterno, energia solo parzialmente recuperati (turbine) No emissioni di fluidi di lavoro (aria, elio, azoto). Il gas di lavoro, dopo aver fornito energia espandendosi nel cilindro “caldo”, viene trasferito verso il cilindro “freddo”, attraverso (il rigeneratore) che ne assorbe il calore residuo, conservandolo per riscaldare il gas al ciclo successivo, con notevole risparmio energetico
Meccanica Complessa, con valvole e fasi di aspirazione e scarico precise Non ci sono valvole, il fluido è trasferito attraverso gli scambiatori grazie ai pistoni caldo e freddo.
Deterioramento lubrificante Alto causato da degrado molecolare dell’olio per effetto della combustione Basso il fluido di lavoro è inerte, non ci sono combustioni a contatto con oli.
Rumore Alto dovuto alle brevi combustioni e abbattuto grazie a silenziatori (marmitte) Basso, non ci sono scoppi o combustioni impulsive. Non necessita di silenziatori.

 

Il motore prende il nome dal suo inventore (Sir. Robert Stirling) e fu costruito nel 1800 per sostituire i motori a vapore. All’epoca il motore non ebbe un grandissimo sviluppo per i problemi tecnologici ad esso congeniti. Questi problemi possono essere risolti solo attraverso molte competenze in campo tecnologico. Infatti il motore risulta particolarmente sollecitato dal punto di vista termico e meccanico:

  • Gli scambiatori caldi sono sottoposti continuamente ad alta temperatura e pressione, quindi i tubi degli scambiatori soffrono lo scorrimento a caldo (creep).
  • Le tenute dei pistoni devono lavorare ad alta pressione e se il gas trafila deve essere ripristinato all’interno del motore.
  • Il dimensionamento efficace degli scambiatori caldo e freddo e del rigeneratore sono complessi, così come il bilanciamento della pressioni nelle camere dei cilindri e nel carter dei meccanismi di moto dei pistoni.
  • Il disegno di una buona camera di combustione richiede conoscenze specifiche.

Tra gli anni ’70 e ’90, negli USA furono sviluppati motori Stirling a livello industriale per impiego automobilistico. La Ford costruì il modello Ford Torino Special, equipaggiata con un motore da 120 kW, che non ebbe una larga diffusione.

La NASA studiò e risolse i problemi tipici del motore, quindi realizzò un motore da 55 kW di potenza, montato su di un pick-up che attraversò senza problemi gli USA coast to coast (https://www.youtube.com/watch?v=H_Vnxapd5fs).

Alla fine degli anni ’80, i cantieri svedesi Kockums furono i primi al mondo a sviluppare i nuovi motori Stirling Air Indipendent Propulsion, per realizzare un sottomarino in grado di viaggiare sott’acqua per settimane. Il motore azionava un generatore elettrico che alimentava le batterie e i motori elettrici delle eliche.

Sulla stazione orbitante internazionale, la NASA ha installato un motore Stirling a pistoni liberi (senza meccanismi di collegamento tra i pistoni caldo e freddo), per muovere un alternatore lineare. Questo paragrafo potrebbe proseguire con decine di altri esempi.

In internet sono migliaia i filmati che riguardano realizzazioni miniaturizzate e a scopo didattico, ma ben poche applicazioni mostrano il motore utilizzato per la generazione di energia. Molti privati e bravissimi artigiani realizzano motori che, pur funzionanti, risultano lontani da uno standard industriale.

Invece, grandi aziende come Viessman, OkoFen, Vaillant, Sunmachine, producono caldaie dotate di motore Stirling, con rendimenti elettrici che vanno dal 16% al 25%, con opzioni di alimentazione a metano, pellet o solare. In tutte le applicazioni si ha produzione costante di energia elettrica ed acqua calda. La tedesca Sunmachine adotta un bruciatore particolarmente avanzato, a pirolisi controllata del pellet, che sottoposto ad alta temperatura (circa 500° C), si trasforma quasi completamente in gas combustibile, con generazione di ceneri quasi nulla e senza incremento del livello di CO2 nell’ambiente, poiché al massimo si restituisce la CO2 assorbita dalla pianta da cui è stato ricavato il pellet. Le applicazioni riguardano installazioni fisse, di qualche metro quadro di ingombro, in case o alberghi.

Gli studi che hanno dato vita a questo articolo, hanno avuto lo scopo di trovare soluzioni nuove ai problemi fisiologici del motore, come l’usura delle tenute dei pistoni, le perdite di trafilamenti di gas verso l’esterno, la riduzione degli attriti di funzionamento, l’assenza di lubrificazione, la riduzione delle sollecitazioni laterali sui pistoni, la definizione di uno schema di calcolo per determinare le prestazioni del motore, la semplificazione della regolazione delle pressioni all’interno del motore, etc.

La ricerca ha portato alla realizzazione di un prototipo funzionante, che ha fatto capire quali sono le aree in cui lavorare ancora, ad esempio la camera di combustione, i materiali delle tenute dei pistoni, il dimensionamento degli organi per resistere a pressioni di circa 100 bar, la riduzione delle vibrazioni.

Secondo lo studio sarebbe possibile costruire un gruppo elettrogeno dotato di motore Stirling di circa 1,5 kW di potenza, con bruciatore pirolitico a pellet, in grado di non generare odori sgradevoli o emissioni nocive, potere essere trasportato facilmente, non aumentare il livello di CO2 nell’ambiente, produrre aria o acqua calda per un eventuale sistema di riscaldamento, non richiedere manutenzione e essere per giunta silenzioso.

I campi di possibile impiego potrebbero essere il campeggio terrestre e nautico nei luoghi senza accesso alla rete elettrica, mercati ambulanti o eventi in genere come manifestazioni sportive, feste e spettacoli di strada, imbarcazioni ecologiche, abitazioni rurali, in tutte le possibili applicazioni in cui si necessita di energia elettrica lontano dalla rete di distribuzione, senza sostenere i rischi connessi al trasporto di un carburanti altamente infiammabili.