Per la rubrica Energia e Futuro andiamo oggi a presentare una tecnologia dalle potenzialità estremamente vaste, andando ad introdurre il Motore Stirling.
Tale argomento viene introdotto subito dopo avere parlato lungamente di tecnologie solari, in quanto tale tipo di motore può essere a sua volta applicato per produrre energia sfruttando l’irraggiamento del Sole, e con questi post vedremo come.
UN P0′ DI STORIA SULLE MACCHINE TERMICHE
Quando si discute sulle varie tecnologie che quotidianamente utilizziamo, o che vengono proposte, spesso si scopre che le idee fondamentali, o le tecnologie di base di tali soluzioni sono state definite in molti casi in tempi piuttosto lontani da quelli attuali, e nonostante tutto tali soluzioni risultano spesso attuali ed estremamente valide.
Esempi di ciò se ne possono trovare tantissimi, si può pensare al motore alternativo a combustione interna per esempio, la cui invenzione andrebbe attribuita agli Italiani Eugenio Bersanti e Felice Matteucci nel 1853, e nonostante gli oltre 150 anni di vita, tale tipo di motori risultano ancora oggi diffusissimi, e seppure completamente differenti in termini di prestazioni, dimensioni, pesi e caratteristiche generali dai loro predecessori, i principi a cui si ispirano risultano sempe gli stessi, oppure si può pensare alla macchina a vapore, adottata largamente in tantissimi campi fino ad un suo rimpiazzo quasi ovunque proprio ad opera dei motori a combustione interna, e tanti altri esempi possono ancora venire fatti.
Per potere esaminare il soggetto di questo post è necessario prima comprendere il periodo storico in cui questo è stato sviluppato, in modo da comprendere quali idee vennero applicate per il suo sviluppo.
Agli inizi del 1800 vi era una forte competizione tra la tradizionale macchina a vapore ed i primi motori ad aria calda, in quanto ognuna di queste soluzioni presentava vantaggi e svantaggi reciproci, ed entrambe venivano largamente utilizzate durante la prima profonda meccanizzazione che la storia abbia conosciuto, ovvero la prima Rivoluzione Industriale avvenuta in Inghilterra, tra la fine del 1700 e gli inizi del 1800.
Il motore Stirling nasce proprio in questo contesto, ufficialmente inventato da Robert Stirling nel 1816, partendo dall’idea di migliorare i motori ad aria calda esistenti allo scopo di migliorarne il rendimento, e quindi le potenzialità.
MOTORE STIRLING – PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO
Sostanzialmente un motore Stirling opera in un circuito chiuso all’interno del quale si trova il fluido operativo, il quale è di tipo comprimibile, ovvero un gas (aria od altri gas adatti) il quale viene riscaldato da una sorgente termica qualsiasi, si espande ad opera del calore che acquisisce e cede lavoro ad un organo mobile (pistone) raffreddandosi in parte grazie all’espansione, e tornando in ciclo una volta raffreddato, ovvero venendo nuovamente riscaldato dalla sorgente termica e si ha la ripetizione del ciclo.
In maniera più semplice si può dire che il motore opera in maniera “pulsante“, ovvero si ha una pulsazione ciclica del fluido che subisce continuamente (finché la sorgente termica fornisce calore) una serie di riscaldamenti – raffreddamenti attraverso i quali acquisisce energia dalla sorgente e la trasmette all’organo mobile che la trasforma in lavoro meccanico.
In virtù della semplicità costruttiva di tale motore, e delle problematiche che si avevano con i motori a vapore, inizialmente realizzati con materiali che non garantivano l’adeguata sicurezza ad una macchina che operava in pressione, problemi però ben presto superati (e tale superamento decretò anche la quasi scomparsa dei motori Stirling tra le grandi macchine termiche industriali), i motori Stirling godettero di un grande successo che li vide rappresentare la migliore scelta almeno fintanto che la qualità dei materiali e della costruzione dei motori a vapore rimase bassa.
Un grande vantaggio del motore Stirling è rappresentato tutt’ora dalla totale assenza di valvole o dispositivi di immissione ed estrazione del fluido, pertanto le uniche parti in movimento sono i pistoni e l’albero di trasmissione, che però non risultano sottoposti a particolari stress termomeccanici, con conseguente scarsissima richiesta di manutenzione per tali motori.
Nei prossimi post esamineremo con maggiore dettaglio le loro caratteristiche costruttive e le differenti realizzazioni, anche grazie all’impiego di immagini, oltre che esaminare gli aspetti termodinamici del ciclo e gli impieghi di tali motori nel passato, quelli attuali e le prospettive future.
La macchina di Stirling mi ha sempre affascinato per la sua semplicità (almeno in prima battuta), tanto che in gioventù mi sono avventurato anche io nella costruzione di un Can-engine. Mi sono sempre riproposto di tornare sulla questione in maniera più seria, con pezzi fatti con tutti i crismi e magari mettendoci anche qualche sistema per regolare la potenza, ma finora ho sempre e solo rimandato…
Spero che questo post mi spinga a trovare l’ispirazione
Mi affascina il fatto che abbia bisogno di pochissima manutenzione.
Potenzialmente potrebbe essere ottimo da utilizzare in luoghi remoti dove la manutenzione è spesso difficile.
se volete vedere un motore stirling a questo link vendono le caldaie tricogenerative della whispergen
http://www.atetsrl.it/generazione_domestica.htm
La cosa ironica che mentre qui, in italia, se la vuoi la paghi cara, in inghilterra la società elettrica E.ON (che opera anche in italia) la installa direttamente lei mentre in italia NO!!!
@aceto876
Spero anche io che questi post possano servirti da stimolo.
@elevul
In realtà è esattamente quello l’impiego che più li vede diffusi… il motore Stirling ha proprio nella quasi assenza di manutenzione il suo punto di forza, inoltre si presta anche alla costruzione hobbistica (anche se è ovvio che la qualità del prodotto finale difficilmente sarà elevata) ed economica… ho inoltre introdotto tale tecnologia (come scritto nel post) subito dopo avere parlato delle tecnologie solari, proprio perché un impiego combinato con il solare è oggi utilizzato, ma ne parleremo nei prossimi post…
Ciao Simone
Grazie per l’articolo, sono molto ignorante in materia di meccanica, e non ero a conoscenza di questo tipo di motore nè tantomeno che fosse stato in competizione con quelli a vapore.
Sono proprio curioso di saperne di più nel tuo prossimo articolo.
A presto.
Davide
@DavideGB
Non era proprio “in competizione”, fu pensato da Stirling perche’ i motori a vapore all’epoca, dati i materiali “limitati”, avevano la brutta tendenza ad esplodere.
Il motore stirling funziona (anche) a pressione atmosferica, percui … non puo’ esplodere, alla peggio ti sfiata un po’.
@Simone
Il motore stirling e’ stata una scoperta di quando ero ragazzo; anche io ho fatto i classici motori con candela e barattoli di metallo. La cosa piu’ incredibile e’ che funzionano :P
Anche io sono anni che mi riprometto di lavorarci su – recentemente ho visto implementazioni senza leveraggi (!!!), con pistone lineare, semplicemente geniali (per la verita’, secondo me MOLTO critici dal punto di vista della messa a punto …).
In germania stanno usando questa implementazione, per il recupero dei gas di scarico delle caldaie a condensazione.
Implementazione con pistone lineare – piccolo
http://www.youtube.com/watch?v=z0CnohQZvlQ
Implementazione con pistone lineare – grande, italiano
http://www.youtube.com/watch?v=IZUTiwSj2cI
A ilruz
Grazie per la precisazione e per i link.
Davide
Il bello è che funzionano anche alla rovescia non solo scaldandoli ma anche rammendandoli dato che l’importante è creare una differenza di temperatura.
Per essere chiari anziché metterci una candela si può mettere un pezzo di ghiaccio e funziona ugualmente.
Ciao
Sèvero
bell’articolo, ma ti faccio un appunto: la macchina a vapore era impiegata per generazione di potenza meccanica nelle fabbriche e nelle ferrovie, dove è stata sostituita dai motori elettrici, non dalle macchine termiche ;)
Energia solare con generatori Stirling:
http://www.stirlingenergy.com/
http://www.youtube.com/watch?v=fi0Y0Kr-_KI
Bell’articolo, non vedo l’ora di leggere i prossimi.
Aggiungo una curiosità:
La NASA sta sviluppando, per i lander robotici che andranno sulla Luna nel 2014 (che costituiranno i primi nodi dell’International Lunar Network o ILN),un generatore elettrico a radioisotopi basato proprio sul motore Stirling…
Link a pdf con slide esplicative:
http://www.lpi.usra.edu/pss/jan92009/presentations/ilnStatuspss.pdf
Saluti
Grazie a tutti per i complimenti, spero che chi scopre solo oggi la rubrica si interessi anche a tutti gli articoli precedenti, visto che stiamo cercando di seguire un certo filo logico sulla via dell’energia…
@arkanoid
La macchina vapore è stata la prima macchina termica, ma come già detto la sua costruzione non era accurata e quindi si rivelava spesso inaffidabile, i motori “ad aria calda” rappresentarono quindi per un certo periodo una valida alternativa, per venire poi successivamente soppiantati dalla stessa macchina a vapore “in versione 2.0” :-D…. l’energia elettrica è stata introdotta successivamente, infatti la si fa coincidere con la 2a rivoluzione industriale, ed ha soppiantato anche la macchina a vapore…ma la si colloca intorno al 1870-80
:-D ti arrampichi sugli specchi, il significato della frase nell’articolo mi sembra chiaramente riferito ai tempi moderni confrontiati con quelli andati.
Comunque parlando di cose serie nelle mie nottate insonni ho avuto modo di fantasticare riguardo il motore a ciclo stirling, che essendo lento e lavorando con delta di temperature bassi si avvicina al massimo rendimento teorico.
Un mio recente pallino è quello di trovare il modo di combinare in un modo migliore delle attuali soluzioni un motore termico ed uno (o più) elettrici per autotrazione. Ho pensato ad un ciclo ad acqua (Fuel cell-elettrolisi) che così a prima vista potrebbe meritare un approfondimento, e ad utilizzare un motore stirling per la ricarica delle batterie in una vettura a propulsione elettrica. Questa opzione forse mi affascina ancora di più ma richiede tanto studio per non ottenere la macchina di Homer.
Ad ogni modo ogni approfondimento anche tecnologico su questi motori mi farebbe solo un grande piacere.
@arkanoid
Il riferimento era ai tempi della prima rivoluzione industriale (come in effetti mi sembra sia indicato nell’articolo), avvenne un certo sovvertimento temporaneo nelle posizioni tra macchina a vapore e motori ad aria calda che durò fino al miglioramento delle macchine a vapore, questo nel settore della generazione di energia meccanica per usi industriali, nell’ambito dei trasporti non credo siano mai state impiegate diffusamente… poi con la “seconda” rivoluzione industriale sono state sostanzialmente spazzate via entrambe dai motori elettrici… allo stato attuale sono “sostanzialmente” scomparse entrambe…
In riferimento all’impiego che tu indichi, io sono sempre un pò scettico sul “ciclo dell’idrogeno”, ci sono aspetti per così dire “entropici” che trovo piuttosto insormontabili… inoltre qualunque soluzione perchè sia valida deve anche essere semplice, se i motori a combustione interna sono così diffusi lo si deve anche alla loro sostanziale semplicità… però ogni idea è sempre interessante e merita di venire sviluppata, perlomeno per comprendere meglio eventuali potenzialità…
Comunque parleremo anche di idrogeno, di celle a combustibile e credo anche di nucleare, e sempre con la consueta modalità, non con un post sintetico ma con una serie di post che esaminino gli aspetti tecnici in maniera chiara e per quanto possibile completa, almeno così spero i lettori potranno riflettere senza pregiudizi su ogni soluzione tecnica… vedendo la quasi assenza di polemiche ed il buon numero di visite per questa rubrica credo che la direzione sia quella corretta…
Ma ancora con questa storia sul motore stirling! ha uno scarsissimo rendimento, fate un po di analisi alla luce della termodinamica.
Vi dico solo una cosa tanto per sottolineare il nocciolo del problema, il calore è l’energia meno pregiata di qualsiasi altra energia … meditate, meditate
@ Fede
Il nocciolo di tale post era parlare dei motori Stirling, a prescindere che possano essere belli o brutti, efficienti o meno… questa è una rubrica dove si parla di Energia, ed il motore Stirling ne entra a pieno diritto sia da un punto di vista storico (perché mi pare finora nel post abbia parlato di storia) sia perché si sono saputi ritagliare uno spazio dove sono difficilmente sostituibili… dal punto di vista termodinamico sono proprio tra le macchine che possono avvicinarsi al rendimento di Carnot, che come ben saprai è il massimo ottenibile fissate le temperature dei punti caldo e freddo… quindi direi che proprio un’analisi termodinamica le promuove, i loro problemi sono altri…
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