Nello scorso post abbiamo introdotto i motori Stirling, presentandoli come una “nuova”, “vecchia” tecnologia in quanto pur essendo passato tanto tempo da quando videro la luce, ancora oggi riescono a suscitare un interesse non secondario, che ne fa una valida tecnologia in determinati campi di impiego.
Andiamo quindi ad esaminare in maniera più dettagliata i principi Termodinamici sui quali si basano, al fine di comprenderne meglio le potenzialità, per poi andare ad esaminare alcune soluzioni costruttive tipicamente impiegate per questi motori.
IL CICLO TERMODINAMICO
Da un punto di vista termodinamico è possibile definire l’insieme delle trasformazioni che avvengono durante il funzionamento di un motore Stirling attraverso le rispettive trasformazioni termodinamiche.
Un ciclo Stirling “ideale” è composto da 4 trasformazioni che si susseguono, e può venire rappresentato su un piano termodinamico (ad esempio “Pressione – Volume“) come segue:
Nella figura qui sopra (tratta dal sito www.sapere.it) viene mostrata alla sinistra del diagramma termodimanico del ciclo Stirling anche la “macchina diStirling”, rappresentata in maniera puramenterappresentativa delle trasformazioni, ma non dal punto di vista costruttivo.
Si possono individuare 4 fasi:
- Trasformazione 1 – 2 : Espansione Isoterma – Il pistone posto a sinistra (definito “Pistone di Lavoro“) nella figura riceve dalla sorgente termica la quantità di calore Q1 alla temperatura costante della sorgente T1, e tale assorbimento di calore provoca un espansione a temperatura costante (Isoterma) del gas contenuto all’interno del sistema (che ricordo essere un sistema chiuso, senza scambio di materia con l’esterno).
- Trasformazione 2- 3 : Trasferimento Isocoro – il gas caldo viene trasferito dal pistone di lavoro al “Pistone Dislocatore” (posto a destra in figura), passando attraverso il Rigeneratore (posto in alto nella figura, tra i due pistoni) e cedendo ad esso una certa quantità di calore che verrà ceduta nuovamente al fluido in una fase successiva.
- Trasformazione 3 – 4 : Compressione Isoterma – Il pistone di lavoro si trova in posizione superiore dopo avere trasferito il fluido verso il rigeneratore, mentre il pistone dislocatore esegue una compressione isoterma del fluido operatore cedendo contemporaneamente calore al “serbatoio freddo“.
- Trasformazione 4 – 1 : Trasferimento Isocoro – Il pistone dislocatore invia nuovamente il gas ora raffreddato indietro verso il pistone di lavoro, e durante il passaggio attraverso il rigeneratore, acquisisce il calore precedentemente ceduto ad esso.
IL MOTORE STIRLING – SCHEMI COSTRUTTIVI
Il ciclo Stirling ideale è, come tutti i cicli ideali, di difficile attuazione, ma in tale caso risulta necessario l’uso di cinematismi di difficile realizzazione.
Esistono sostanzialmente tre schemi realizzativi di motori Stirling, definiti solitamente Alfa e Beta e Gamma, ma la configurazione Gamma non risulta conosciuta come le altre due e non verrà pertanto presentata.
- Configurazione Alfa: è quella più semplice da comprendere, e prevede l’impiego di due pistoni separati e di un opportuno cinematismo tra i due:
Dalla precedente immagine è possibile individuare chiare similitudini con lo schema teorico rappresentato precedentemente, ed è possibile valutare il moto dei pistoni in funzione del cinematismo proposto.
- Configurazione Beta: tale configurazione prevede due pistoni coassiali, ed è di più difficile comprensione in quanto lo schema originario è fortemente diverso da tale configurazione:
Dopo questa breve esposizione dei fondamenti dei motori Stirling, nel prossimo post verranno esaminate le ultime caratteristiche tecniche e verranno inoltre esposti gli impieghi attuali di questi motori, pertanto vi aspetto lunedì prossimo con la consueta rubrica Energia e Futuro.
