Inventato da Robert Stirling nel 1816, il motore che prende il nome dal suo
inventore, o detto anche motore ad aria calda, si presenta come
un’evoluzione degli altri motori ad aria calda di quel periodo che si
trovavano a competere con il più utilizzato motore a vapore.
L’innovazione apportata da Stirling fu il montare un recuperatore di calore,
innovazione che si mostrò esatta aumentando notevolmente il rendimento
della
macchina.
Questo motore si mostrò inizialmente più conveniente del motore a vapore in
quanto il secondo veniva costruito con materiali scadenti e molto spesso le
caldaie esplodevano, così il motore di Stirling venne utilizzato maggiormente.
Con il miglioramento del motore a vapore, però, il motore ad aria venne
messo da parte in quanto si dimostrò molto meno conveniente.
Fu la Philips a riutilizzare questo motore nel 1960 per far funzionare le radiotrasmittenti anche in zone prive di energia elettrica, ma con l’invenzione dei
transistor fu sufficiente l’utilizzo di batterie elettriche per far funzionare questi
apparecchi, ed il motore di Stirling venne ancora lasciato da parte.
Negli anni avvenire il motore è stato riproposto più volte ottenendo anche buoni
successi tecnici.
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VANTAGGI
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SVANTAGGI
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Combustione esterna che determina il fatto che le parti più
riscaldate non siano in diretto contatto con le parti mobili o rotanti,
e dunque hanno un minore bisogno di manutenzione;
Privo di valvole e non subisce scoppi, dunque si presenta
costruttivamente meno complesso, con una quantità di vibrazioni
pressoché nulle e decisamente più silenzioso di altri motori;
Nel caso in cui il calore sia prodotto per combustione, la
somministrazione di questo per il funzionamento della macchina
avviene in modo continuo, con un rapporto stechiometrico tra aria
e combustibile ottimale;
La somministrazione di calore può avvenire in qualunque modo
(combustione di legna, carbone, etc.), fatta eccezione per il
calore solare e di combustibili gassosi o liquidi, con i quali di mostra
essere più difficile fornire calore.
Il calore è prodotto all’esterno del motore, dunque deve essere trasferito all’interno, e per lo
stesso motivo dato che il motore lavora con la differenza di calore, è necessario
raffreddare e riscaldare l’aria all’interno del motore; per fare ciò c’è bisogno di superfici
esterne estese che facciano raffreddare e riscaldare l’aria all’interno della macchina;
Il motore ha un avvio lento in quanto il flusso del calore non avviene in modo improvviso;
La potenza della macchina è direttamente proporzionale al dislivello di calore del sistema,
dunque per aumentarla è necessario alzare la soglia del punto caldo, in quanto quella del
punto fredda è data dalla temperatura ambiente, e per poter innalzare la temperatura del
punto caldo si deve avere la macchina costruita con materiali che possano resistere a tali
temperature;
Per poter aumentare la potenza della macchina è possibile aumentare la pressione
all’interno, ma per l’uso di apparecchiature pressurizzate è necessario che la struttura del
motore sia robusta e resistente;
L’uso di aria all’interno della macchina, assieme ai liquidi lubrificanti è stato discusso in
quanto questi se mescolati ad alte pressioni, possono portare alla creazione di miscele
esplosive; si è pensato di sostituire l’aria con l’idrogeno o l’elio, ma sono gas più costosi, ed
anche l’eliminazione dei lubrificanti sarebbe un dispendio elevato di soldi in quanto la
macchina dovrebbe essere costruita con materiali più tecnologici, e quindi più costosi;
La progettazione è complessa e non è completamente supportata da parametri
certamente calcolati, infatti ogni macchina ottimizza alcuni parametri e ne penalizza altri.
A causa del suo ingombro, della suo lento avvio ed ai suoi usi diversi
dell’erogazione di calore il motore non è adatto all’autotrazione, e
quindi ad essere utilizzato come motore di un’automobile. E’ però
adatto alla generazione domestica, o di piccole comunità fisse, di
energia elettrica, con potenze che vanno dai 5 ai 100 kW. Un pregio di
questa macchina è che il suo calore di “scarto” può essere riutilizzato
(sottoforma di riscaldamento è circa il quadruplo del valore della
potenza elettrica), ed è possibile utilizzare forme di combustibile
altrimenti inutilizzate (legno, carbone, gas, etc.)
Esempio di utilizzo del motore di Stirling:
Modellino di un’auto spinta da un motore Stirling in configurazione
Beta
Esistono due tipi di motori di Stirling:

Motore tipo Alfa

Motore tipo Beta
Motore di Stirling costruito da noi
Il motore di Stirling in
configurazione Alfa si basa
su 4 fasi ben distinte:
• spinta
• riscaldamento
• espansione
• raffreddamento
Più precisamente all’inizio il
pistone in basso spinge
l’aria fredda verso quello
alto (dove si trova l’aria
calda) che si sposterà per
far entrare l’aria fredda
(1).
In seguito l’aria si riscalda
e tende ad espandersi,
tornando anche al pistone
inferiore che inizia a
spostarsi (2).
In seguito l’aria calda
arriva a contatto con il
dissipatore di calore in
basso, e quindi il pistone in
alto spinge fuori l’aria (3).
Infine l’inerzia accumulata
dal volano (il disco) fa sì
che il ciclo ricominci (4).
Consideriamo il motore di stirling
in configurazione Beta costituito
da un sistema cilindro più
pistone. La testata del cilindro è
collegata ad una camera
dotata di una parete calda,
mentre il corpo del cilindro è
collegato ad una parete
fredda. All’interno della camera
è posizionato un dislocatore
costituito da un materiale
isolante, in grado di coprire
alternativamente la parete
calda e la parete fredda.
Il ciclo che va a compiere è:
1. il dislocatore (a) copre la
parete fredda (e) della
camera;
2. il gas della camera,
riscaldato, si espande;
3. il pistone (b) si muove verso
l’esterno della camera e nel suo
moto spinge la giunzione (c)
che ruota e a suo volta sposta il
dislocatore sulla parete calda
(d) così da isolare la camera
dal calore che va a raffreddarsi;
4. Il gas freddo si contrare
facendo riabbassare il pistone;
5. Il pistone si muove verso
l’interno della camera e nel suo
moto sposta il dislocatore sulla
parete fredda.
Sì è tentato di costruire un
motore di Stirling in
configurazione Beta
utilizzando come
materiali:
• Legno
• Barre di metallo
• Lattina
• Palloncino
• Peso
Con il legno e le barre di
metallo si è costruito il
montaggio per il motore,
mentre con la lattina, il
palloncino ed il peso,
legato ad un filo e
connesso alla barra
orizzontale di metallo, si
sono prodotti il pistone e
la camera esterna al
pistone.