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Motore Stirling
Motrice ad aria calda (ciclo Stirling)
Generalità
il principio di funzionamento di un motore con ciclo stirling è noto da tempo,
ma solo recentemente, precisamente nell'ultimo decennio, sono state prese in
seria considerazione le possiblità pratiche di tale motore, dando luogo alla
realizzazione di prototipi con prestazioni molto promettenti.
L'interesse per questo motore si è destato improvvisamente in seguito al
grande processo di miglioramento delle proprietà fisiche, termiche e
meccaniche dei materiali costituenti il motore, alla possibilita' di effettuare il
processo di rigenerazione con alti valori di efficacia, e infine all'impiego
dell'idrogeno come fluido motore nel ciclo. Tali circostanze hanno permesso di
raggiungere in alcune realizzazioni rendimenti di poco inferiori al 0,40("figura
3-1"). Il motore Stirling moderno presenta molte caratteristiche apprezzabili,
tra cui quella di poter funzionare con una gamma di combustibili molto vasta
(motore a combustione esterna): inoltre i gas di scarico sono emessi a bassa
temperatura (sui 250°C) e non producono sensibile smog.
Nel campo d'impiego per grandi potenze, il motore Stirling presenta nel
complesso un livello di prestazione, di peso e di rendimento paragonabile a
quello dei motori Diesel.
Nel campo delle piccole potenze, al peso e al costo più elevati suppliscono un
rendimento elevato, un minor contributo all'inquinamento, una notevole
silenziosità di funzionamento, e limitata presenza di vibrazioni.
ciclo Stirling, funzionamento e costruzione del
motore
Il ciclo termodinamico Stirling ("figura 3-2") consiste nella sequenza di due
linee di trasformazione isoterme,
una di compressione, linea 1-2, e una di espanzione, linea 3-4, alternate da
due linee di introduzione e sottrazione del calore, rispettivamente 2-3 e 4-1,
fatte a volume costante. Il ciclo è percorso in senso orario, trattandosi di un
ciclo motore.
Le suddette trasformazioni termodinamiche vengono realizzate, praticamente,
nel motore Stirling utilizzando i seguenti componenti:
1. una camera di riscaldamento (capacità calda) del fluido motore, per
esempio idrogeno, in cui questo riceve calore, mediante uno
scambiatore tubolare, da un opportuno circuito esterno di combuztione,
munito di preriscaldatore d'aria;
2. una camera di raffreddamento (capacità fredda) dell'idrogeno,
utilizzando a tale scopo un opportuno circuito esterno di refrigerazione
ad acqua;
3. uno scambiatore per la rigenerazione del calore, inserito nella tubazione
che mette le due camere permanentemente in comunicazione (fig 33a): tale scambiatore assorbe calore dal gas allorché questo si
trasferisce dalla capacità calda alla capacità fredda, nella fase 4-1 a
volume costante, e lo restituisce al gas, allorché questo ritorna alla
capacità calda nella fase 2-3 a volume costante;
4. un pistone di trasferimento che ha il compito di comandare il
movimento dell'idrogeno tra le due capacità, e quindi consentire il
passaggio dalle fasi di introduzione a quelle di sottrazione del calore e
viceversa (fig 3-3b);
5. un pistone motore (fig. 3-3b) che consente lo svolgimentod elle fasi di
compressuione e di espansione del gas, facendo variaire ciclicamente il
volume totale entro cui l'idrogeno è contenuto [Nota: il volume totale
entro cui è contenuto l'idrogeno è la somma, fatta istante per istante,
del volume della capacità calda, compreso il volume interno allo
scambiatore tubolare del circuito di combustione, della capacità fredda,
compreso il volume interno al circuito di refrigerazione, del volume
relativo al rigeneratore, e del volume di tutti i collegamenti (N.d.A.)]
la fig. 3-3a chiarisce che la capacità calda è compresa tra il circuito esterno di
combustione e il pistone di trasferimento, mentre la capacità fredda è
compresa tra il pistone di trasferimento e il pistone motore.
meccanismo di derivazione del moto e regolazione
Date le differenti funzioni che assolvono nel ciclo i due pistoni, risulta evidente
che essi devono presentare un diverso cinematismo di comando, tale
comunque da garantire una legge di variazione dei volumi nel ciclo secondo la
fig. 3-3b: ciò risulta però estremamente difficile perché occorrerebbe
annullare per alcuni tratti del ciclo il movimento dell'uno o dell'altro pistone,
dando luogo a parecchie discontinuità della legge del moto. Rinunciando
allora a tale esigenza in cambio di un più semplice meccanismo di comando,
le fasi a volume costante risultano così nel ciclo reale (fig. 3-4) solo
approssimate, e il moto dei due pistoni trasformato in un moto alterno con
andamento circa sinusoidale.
tale meccanismo viene realizzato trasferendo il moto dei due pistoni a due
alberi a gomiti ingranati tra loro e controrotanti, secondo lo schema della fig.
3-5. Il meccanismo cinematico di collegamento è detto romboidale per la sua
caratteristica forma simmetrica: tale simmetria di derivazione del moto
permette un quasi completo equilibramento dinamico del motore mediante un
opportuno contrappesamento degli alberi a gomiti.
Il fluido motore impiegato negli attuali prototipi è tuttora l'idrogeno: la sua
bassa densità consente infatti di ridurre al minimo le perdite di natura
aerodinamica, dando luogo inoltre a elevati coefficienti di trasmissione del
calore nelle vaire fasi del ciclo. L'impiego dell'idrogeno evita infine che si
possano ottenere fenomeni di ossidazione dell'olio di lubrificazione (presente
eventualmente nel rigeneratore in seguito a trafilamenti attraverso giochi),
con la conseguente formazione di ostruzioni e forti abbassamenti del
rendimento.
La potenza di uscita del motore Stirling è regolata facendo variare la massa
del fluido di lavoro che percorre il ciclo termodinamico e adattando, mediante
un organo di controllo della temperatura, la quantità di combustibile utilizzata
nel circuito esterno di combustione al carico richiesto.
Il fascino
della
macchina a
vapore
da Lanci
POTREBBE ESSERE una macchina a vapore dell'Ottocento il motore del
futuro? Lo pensano i ricercatori di varie aziende, americane, svedesi e
neozelandesi. La macchina in questione è “il motore Stirling”, costruito
all'inizio dell'Ottocento dal reverendo scozzese Robert Stirling. Si tratta
essenzialmente di una camera piena d'aria con due pistoni. Un lato della
camera è costantemente riscaldato, mentre l'altro è costantemente tenuto
freddo. L'espansione del gas determinata dal calore è tale da spingere il
primo dei due pistoni che muove un albero a gomiti che a sua volta può
mettere in azione un generatore che produca elettricità. Il gas caldo, poi,
viene mosso dal movimento del pistone nella zona fredda della camera,
dove si comprime e viene spostato nuovamente nella zona calda dal
movimento del secondo pistone. Questo tipo di motore, se si usano
combustibili tradizionali per scaldarlo, raggiunge un'efficienza del 50 per
cento, rispetto al 25 per cento dei motori a combustione interna. È molto
più silenzioso, perché non c'è nessun tipo di esplosione e molto semplice da
sottoporre a manutenzione, perché non ci sono nè complessi sistemi di
valvole nè molte parti in movimento. Alcune aziende stanno inoltre
studiando la possibilità di usare il calore del sole al posto dei combustibili
tradizionali per riscaldare la camera, cosa che eliminerebbe dal motore
Stirling anche ogni emissione inquinante.
La Whisper Tech, un'azienda neozelandese, ritiene che questo tipo di
motore potrebbe essere usato nelle abitazioni. Collocato al posto della
tradizionale centralina a gasolio, potrebbe bruciare sia questo combustibile
che metano, produrre elettricità e riscaldare l'acqua domestica. La marina
svedese, invece, ha già tre sottomarini il cui sistema di propulsione si basa
sul “motore Stirling”. Il vantaggio offerto da questo propulsore è tale da
rendere i sottomarini i migliori al mondo, almeno fra quelli non nucleari.
Sono infatti particolarmente silenziosi e quindi difficili da individuare dal
nemico. Inoltre hanno una lunga autonomia, grazie al fatto che il
combustibile è un miscuglio di gasolio e ossigeno liquido. Ma l'obiettivo è
costruire una variante del “motore Stirling” in grado di spingere le
automobili. Da questo punto di vista, però, ci sono due grandi svantaggi.
Serve tempo per riscaldare la camera e quindi la macchina non potrebbe
partire all'istante. Inoltre, per lo stesso motivo, non sarebbe in grado di
accelerare molto. Ostacoli che si potrebbero superare usando leghe
metalliche che si riscaldano in fretta, oppure usando un motore elettrico
fino a che quello Stirling non si è riscaldato a sufficienza da poter muovere
l'automobile. Un nuovo tipo di “ibrido”, insomma…
MOTORE AD ARIA CALDA
Funzionamento come motore termico
Facendo riferimento alla figura, il funzionamento come motore termico può
essere schematizzato nella seguente maniera < ammettendo che i pistoni si
muovano indipendentemente uno dall'altro):
fase 1 compressione isoterma
il pistone 2 è al punto morto superiore ed il pistone solleva
comprimendo l'aria a temperatura T1
fase 2 riscaldamento isocore
Il pistone 2 si abbassa trasferendo l'aria dalla zona inferiore del
cilindro a bassa temperatura T1 alla zona superiore ad alta
temperatura T2.
fase 3 espansione isoterma
il pistone 1 scende e l'aria si espande isotermicamente (alla
temperatura T2) assorbendo calore dal filamento
fase 4 raffreddamento isocore
il pistone 2 si solleva trasferendo l'aria dalla parte inferiore dei
cilindro, a temperatura alta, alla parte inferiore a temperatura
bassa.
Volume, pressione e temperatura riacquistano i valori iniziali ed il ciclo è concluso.
Nel funzionamento reale i due pistoni si muovono contemporaneamente e quindi le diverse
fasi non sono nettamente separate.
Il motore ad aria calda può essere corredato dell'indicatore di "p V" che va collegato con
un filo sottile al pistone 1 e con un tubicino di plastica all'apposita connessione sulla biella (
come mostrato nella figura).
L'indicatore di "p V" permette di proiettare su di uno schermo il tracciato del ciclo reale
eseguito dal motore.
L'utilizzo dell'indicatore di "p V" permette di effettuare facilmente il confronto tra ciclo
ideale di Stirling e ciclo reale del motore e di mostrare l'influenza della temperatura T2
sulla potenza fornita (ricordiamo che l'area del ciclo di una macchina termica,
rappresentato nel piano pV, costituisce il valore del lavoro meccanico che la macchina
esegue ad ogni rotazione).
La figura a lato mostra i diagrammi corrispondenti a diverse temperature T2, ottenute
variando la tensione di alimentazione sul filamento del motore ad aria calda.
MOTORE AD ARIA CALDA
Il motore ad aria calda (Leyboid 388 18) è una macchina
termica reversibile:
può sfruttare un ciclo termodinamico reale per trasforma energia
termica in energia meccanica
può essere utilizzato, se gli viene fornita energia meccanica per
assorbire calore da un corpo e trasferirlo ad un altro temperatura
maggiore.
Il ciclo termodinamico reale del motore ad aria calda deriva dal ciclo ideale di Stirling.
Questo ciclo consiste di quattro fasi:
una compressione isoterma a temperatura bassa T1
un riscaldamento isocoro fino ad temperatura alta T2.
una espansione isoterma alla temperatura T2 che fa tornare il
volume al valore iniziale
un raffreddamento isocoro che chiude il ciclo riportando la
temperatura al valore basso T2 e la pressione al valore iniziale
La figura a fianco mostra il motore ad aria calda. La testa del cilindro porta un filamento
elettrico che serve a fornire l'energia termica.
La parte inferiore del cilindro è raffreddata mediante una camicia di raffreddamento
nella quale scorre acqua e costituisce la zona a temperatura bassa T1.
La parte superiore non è raffreddata e costituisce la zona a temperatura alta T2.
Nel cilindro scorrono due pistoni il cui movimento è sfasato di 90°.
Il pistone inferiore serve per comprimere e far espandere l'aria.
Il pistone superiore, dotato di un foro assiale riempito di lana di rame, ha il compito di
trasferire l'aria dalla parte superiore a quella inferiore del cilindro e viceversa.
MOTORE AD ARIA CALDA
Determinazione della potenza
Proiettando il tracciato del ciclo su carta millimetrata, possibile misurare
l'area racchiusa dal ciclo.
Il valore ottenuto (in cm2) va poi trasformato in unità di misura di lavoro:
la larghezza massima del grafico va riferita al valore di 150 cc che
è la variazione di volume nel cilindro tra i punti morti superiore ed
inferiore
l'altezza massima va invece riferita alla differenza massima di
pressione che può essere misurata connettendo un manometro alla
connessione sulla biella (al posto della connessione dell'indicatore
"p V"). Tale differenza di pressione è dell'ordine di 1 Atm.
La potenza è data dal prodotto dell'area del ciclo per il numero di giri al secondo del
motore.
Un altro metodo per determinare la potenza passa attraverso la determinazione della
coppia massima mediante un freno dinamometrico.
si misura il numero N di giri/sec del motore in rotazione libera
si avvolge intorno all'asse del volano la trecciola di rame ad una
estremità della quale è fissato un dinamometro da 100 N, mentre
l'altra estremità viene tenuta ferma con la mano
si tira il dinamometro quanto basta per produrre una piccola
diminuzione della velocità di rotazione e si misura il valore F della
forza
si misura il nuovo valore della velocità di rotazione in giri al
secondo e si calcola la diminuzione del numero di giri N
d
La coppia è data da
M = 2
F
N
--N
essendo d il diametro ( 2.5 cm) dell'asse del volano.
La potenza del motore in watt è data da P = M . N dove M è espresso in
Newton.metro.
Rendimento
Dopo aver calcolato, con uno dei metodi precedenti, il valore della potenza
fornita dal motore, si può determinarne il rendimento utilizzando la relazione
r = P/P'
essendo P' la potenza termica fornita al motore.
Per misurare quest'ultima si può collegare in serie all'alimentazione del
filamento un wattmetro.
Il wattmetro a disposizione potrebbe non sopportare le intensità di corrente
elevate (10 - 17 A con tensione di alimentazione di 12 - 20 V ) richieste dal
filamento del motore; in tal caso la potenza potrebbe essere calcolata, dato che
il conduttore è praticamente ohmico, da P' = I V misurando la tensione ai capi
del conduttore e l'intensità di corrente.
MOTORE AD ARIA CALDA
Funzionamento come macchina frigorifera
Per far funzionare la macchina come macchina frigorifera, sostituisce la
testata dotata del filamento di riscaldamento con altra con giunto vetrometallo in cui si può introdurre termometro od una provetta.
Si collega poi, mediante la cinghietta, il volano del motore alla puleggia del
motore per esperienze, come mostrato nella figura seguente.
Se la macchina ruota in senso orario (stesso senso di rotazione di quando essa
viene usata come motore), come in figura, l'aria assorbe calore dalla parte
superiore fredda del cilindro e lo cede all'acqua di raffreddamento.
Il termometro indica la diminuzione di temperatura sostituendo al
termometro una provetta con un po' (0.5 - 1 cc) d'acqua si può produrre
ghiaccio).
Invertendo il senso di rotazione, l'aria assorbe calore da acqua (che in questo
caso ha la funzione di sorgente di calore lo trasferisce alla parte superiore del
cilindro che tende riscaldarsi sempre di più.
Questo modo di funzionamento è quello comunemente chiamato pompa di
calore.
In entrambi i casi la macchina funziona come macchina frigorifera,
assorbendo calore da un corpo freddo e cedendolo ad uno caldo, ed il ciclo
termodinamico di pagina 1 viene percorso in senso inverso.
La figura a lato mostra due grafici (quello superiore relativo al
funzionamento come pompa di calore e quello inferiore relativo al
funzionamento come macchina frigorifera riportanti l'andamento della
temperatura alla testata in funzione del tempo di funzionamento.
Da ciascuno dei grafici si può estrapolare un tratto rettilineo iniziale, che
corrisponde all'intervallo di tempo in cui gli scambi di calore con l'esterno
non
sono rilevanti.
Le pendenze di dette rette
T/t
sono direttamente proporzionali alla quantità di calore sottratta o fornita
dalla macchina nell'unità di tempo.
Quest'ultima quantità (Q/t) è detta "potenza refrigerante " della
macchina.
...
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