Motore StirlingMirko Giarrusso

Alberto Mazzalovo Christian Moretti

Un’introduzione al ciclo Stirling

Tra le macchine con ciclo chiuso a fluido troviamo il motore Stirling (invenzione di Robert Stirling ministro della Chiesa scozzese vissuto fra il 1790 e il 1878 e di cui depositò il brevetto nel 1817), in cui il fluido, generalmente un gas (azoto, elio o semplicemente aria), compie un ciclo termodinamico prossimo a quello ideale di Stirling.

CICLO STIRLING IDEALEIl ciclo ideale di Stirling è composto da due trasformazioni isoterme e due isocore. Il calore è ricevuto dall’esterno (combustione esterna) e per questo può essere applicato a qualsiasi fonte di calore quindi è possibile utilizzare anche combustibili solidi.

Confronto con MCI Il moto non è regolato da valvole La variazione del volume di lavoro occupato dal fluido all’interno della macchina regola il moto.

Ciclo chiuso A differenza di un motore a combustione interna Il fluido di lavoro contenuto nei cilindri non viene scaricato dopo ogni ciclo.

Combustione esterna La possibilità di utilizzare combustibili meno pregiati, quindi più economici, come biomassa e pellets.

EXCURSUS STORICO Il primo motore utilizzato da Stirling alimentava un sistema idraulico

di pompaggio dell’acqua (potenza1.5 kW) e funzionava ad aria. Il cilindro A riceve il calore in ingresso, nella sua parte superiore, dai gas combusti provenienti dalla fornace B, mentre nella parte inferiore è raffreddato con acqua. Nel cilindro A ci sono due stantuffi: uno dislocatore C e uno di potenza D, mentre il rigeneratore è posto tra il dislocatore e la parete interna di A.

Philips Stirling cycle generatorFord Torino

Dati Joint Research Center

Oggi il motore Stirling si sta diffondendo soprattutto nel mercato della cogenerazione per quanto riguarda gli impianti di piccola taglia.

CICLO STIRLING IDEALE

1-2: COMPRESSIONE ISOTERMA 2-3: RISCALDAMENTO ISOCORO RIGENERATIVO 3-4: ESPANSIONE ISOTERMA 4-1: RAFFREDDAMENTO ISOCORO RIGENERATIVO

CICLO STIRLING IDEALE  

Rendimento del ciclo ideale

  

 

Ciclo realeIl ciclo reale di Stirling è nettamente diverso rispetto a quello ideale e quindi i rendimenti largamente inferiori.Nel passare da caso reale a ideale si osserva una riduzione notevole dell’area occupata dal ciclo e quindi una riduzione del lavoro specifico estraibile dal motore

Cause non idealità Impossibilità ottenere le due trasformazioni isoterme dato l’elevato numero

di giri del motore.

Dispersione Il fluido di lavoro trafila attraverso i giochi fra cilindro e pistone, dunque si ha un calo della potenza del motore.

Impossibilità completezza delle trasformazioni di rigenerazione ovvero non tutto il calore rigenerabile è scambiato tra rigeneratore e fluido. Ciò avverrebbe solo se il tempo di scambio termico fosse illimitato o se avessi un rigeneratore di lunghezza infinita.

Produzioni di entropia dovute agli scambi termici, agli attriti viscosi del fluido e dei corpi in movimento.

Componenti del motore nel modello di tipo beta

Altre configurazioni alfa e gamma

MOD II: contesto storico

Il MOD II è un prototipo di motore Stirling progettato dalla NASA nel 1986.

Prevedeva l’uso di idrogeno (100 g) come gas interno al ciclo e sfruttava il gas naturale come combustibile.

L’autovettura scelta sulla quale installare il MOD II fu la Chevrolet Celebrity del 1985.

Il MOD II sfrutta un motore a 4 cilindri a V monoblocco, caratterizzato da un heater anulare. Sviluppa una potenza massima di 62,3 kW con una velocità di rotazione massima pari a 4000 RPM.

Obiettivi di progetto

1. Consumi urbani ed extraurbani almeno il 30% in meno rispetto Otto e Diesel

2. Accelerazione almeno uguale a quella dei MCI

3. Costi investimento e interventi manutenzione contenuti

4. Limiti di rumorosità

SISTEMA DI RISCALDAMENTO ESTERNO

HEATER HEAD Questa parte del motore svolge tre funzioni fondamentali: 1) convoglia l’idrogeno verso il pistone per convertire le elevate

pressioni in lavoro. 2) Fa passare l’idrogeno nel fascio tubiero in modo da fargli assorbire calore. 3) Convoglia l’idrogeno verso il rigeneratore, e quindi verso il cooler

HEATER HEAD

RIGENERATORE

Il rigeneratore è costituito dalla matrice rigenerativa e dalle pareti di separazione:

La matrice del rigeneratore è realizzata in acciaio stainless poiché possiede un’elevata capacità termica.

La parete di separazione è realizzata in Inconel 718, un materiale caratterizzato da un elevato sforzo di snervamento.

COOLERL’idrogeno trasferisce il suo calore al cooler tramite un fascio tubiero lambito esternamente da acqua che circola nel radiatore scambiando calore con l’esterno.

BLOCCO MOTORE•Monoblocco•4 Cilindri a V (inclinazione 40°)

PROGETTAZIONE DAL PUNTO DI VISTA MECCANICO Il blocco motore è realizzato in ghisa duttile (sforzo di rottura pari a

544MPa e sforzo di snervamento pari a 374 MPa).

La ghisa duttile è stata preferita in virtù del limite a fatica più elevato rispetto alla ghisa tradizionale.

La fatica infatti è un aspetto progettuale critico, in quanto i cilindri sono sottoposti a pressioni cicliche molto elevate.

Esempio progettazione  

Risultati test sperimentali

Consumo extraurbano: 24,7 km/l (mci:17,1 km/l) Consumo urbano: 14,1km/l (mci:11,1 km/l) Tempo accelezione 0:100 km/h: 12,4s (mci: 13s) Potenza: 62,3kW (mci: 69kW) Emissioni erano il 50% in meno rispetto ai mciValori confrontabili tra le due tecnologie

CONSUMI

Il Mod II presenta consumi inferiori ma è penalizzato da una maggiore quantità di combustibile per l’accensione.

CONCLUSIONI MOD II

MOD II è risultato competitivo con i MCI

Costi d’investimento e O&M comparabili con MCI

Basse emissioni di inquinanti

Prestazioni in termini di accelerazioni e velocità ottimali

CONCLUSIONI MOD II

Nonostante questi vantaggi questo progetto è stato abbandonato perché:

MCI erano una tecnologia ben consolidata e il MOD II non ha attratto alti investimenti

All’epoca, l’idea di trovare una risorsa alternativa al petrolio non c’era

MOD II non rispondeva velocemente alle variazioni di potenza cioè era dotato di alti transitori

La microcogenerazione domesticaLa microcogenerazione è un campo dove è ampiamente utilizzata la macchina di Striling.

E’ conveniente utilizzare queste macchine in una abitazione?

Motore Stirlng a pistone libero

Free-piston Tmax =500 °C Rendimento elettrico 20%

Caldaia a condensazione

Caldaia condensazione da 25 KW Rendimento 98% (Hs)

MICROCOGENERATORE

Confronto in termini di costo Microcogeneratore

Costo gas metano € 2846,07

Costo energia elettrica € 383,00

Entrata vendita energia elettrica - € 216,00

Recupero 65% per anni 10 - € 1950,00

Totale anno € 1063,07

Caldaia a condensazione

Costo gas metano (rendimento 0.98) € 3035,71

Costo energia elettrica € 1190,00

Detrazione 65% per anni 10 - € 500,50

Totale anno € 3725,21

Conviene ?Differenza di costo iniziale € 22300

Risparmio annuo € 2662.14

Confronto

•Considero un tasso di interessi pari a 2.5 %

•Dal calcolo economi risulta che dopo 12 anni sono rientrato del costo sostenuto. Stimando una vita utile del Vitotwin di 15 anni si può concludere che per questa abitazione, con questi consumi è conveniente l’utilizzo di un microcogeneratore.

•Dopo 12 anni l’investimento inizierà a fruttare avendo un guadagno di 3431 € a fine vita utile (15 anni)

Risultato analisiConviene ma non conviene

L’investimento è conveniente Dopo il decimo anno si ha un flusso di cassa positivo.

L’analisi è stata effettuata su una casa in classe energetica G In Italia con l’introduzione del nuovo PGT è richiesta una classe

energetica B.

Non produrre calore comporta la non produzione di energia elettrica Questo fa si che il microcogeneratore perde quel piccolo margine

di convenienza

AMPLIANDO LA TAGLIA

AMPLIANDO LA TAGLIA

Conclusioni

“…I limiti intrinsecamente propri di questo motore sono stati via via rimossi nel tempo e sono stati in gran parte superati, specialmente per merito del genio mirabile di Bessemer. Se il ferro e l’acciaio prodotti da Bessemer fossero stati conosciuti trentacinque o quaranta anni fa, senza dubbio l’introduzione commerciale del motore ad aria calda sarebbe stata coronata da ben altri successi. A capaci ed ambiziosi tecnici delle future generazioni è affidato il compito di tentare nuovamente, quando le circostanze tecnologiche e di mercato appariranno ancora favorevoli.”Reverendo Robert Stirling, 1876