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.