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Il Motore Stirling

GRUPPO MECCANICO

IL MOTORE STIRLING

 THE STIRLING CYCLE

Chi è Stirling?Robert Stirling

Robert Stirling (Methven, 25 ottobre 1790 –Galston, 6 giugno 1878) è stato un pastore protestante scozzese e l’inventore del motore Stirling. Ereditò la passione di suo padre per l’ingegneria, ma studiò teologia all’università. Robert, insieme al fratello James, ingegnere, registrò diversi altri brevetti per miglioramenti al motore Stirling di sua invenzione. Le basi teoriche del motore Stirling non poterono essere completamente comprese sino alla pubblicazione del lavoro di Sadi Carnot. Carnot formulò (e pubblicò nel 1825) una teoria generale sui motori termici: il ciclo di Carnot, di cui il ciclo Stirling è una applicazione.

Chi è Carnot ?

Nicolas Léonard Sadi Carnot (Parigi, 1 giugno 1796 – Parigi, 24 agosto 1832) è stato un fisico, ingegnere e matematico francese. Sadi Carnot è considerato uno dei padri fondatori della termodinamica. Nel 1824 fu il primo a dimostrare che si può ottenere lavoro dallo scambio di calore tra due sorgenti a temperature differenti. Attraverso il teorema di Carnot e la macchina ideale di Carnot (basata sul Ciclo di Carnot) quantificò questo lavoro e introdusse il concetto di rendimento termodinamico. Nel 1848 Lord Kelvin, utilizzando la macchina ideata dal fisico francese, introdusse il concetto di temperatura termodinamica effettiva e a lui si deve un enunciato del secondo principio della termodinamica. Nel 1850 Joule dimostra l’uguaglianza delle due forme di energia (allora si credeva esistesse ancora il fluido calorico). Il caso della termodinamica è emblematico nella storia: si tratta infatti di uno di quei casi in cui la pratica ha precorso la teoria stessa: prima è stata ideata la macchina a vapore, poi è stato sistematizzato il suo funzionamento teorico attraverso i suoi principi di base.

Ma che cos’è la termodinamica ?

La termodinamica è quella branca della fisica e della chimica (chimica fisica) che descrive le trasformazioni subite da un sistema in seguito a processi che coinvolgono la trasformazione di massa ed energia.

Perché Stirling costruì il motore ?

Preoccupato dal pericolo che correvano i lavoratori delle miniere e delle fonderie, a causa delle macchine a vapore, che molto spesso esplodevano a causa della scarsa qualità delle caldaie di ghisa disponibili al tempo, egli decise di migliorare le macchine ad aria calda nella speranza di fornire un’alternativa più sicura. Il motore ad aria calda non poteva esplodere perchè funzionava ad una pressione inferiore e non potevano esserci pericolose emissioni di vapore.

Dopo una prima fase di applicazione con buon successo del motore Stirling, il perfezionamento del motore a vapore con materiali più affidabili rese lo Stirling poco conveniente e, causa l’inferiore rendimento, l’uso fu abbandonato. Nonostante ciò, il motore ideato da Stirling rimane ancora oggi uno dei più interessanti ed affascinanti motori a combustione esterna tanto da essere ancora studiato, in quanto, la scoperta di nuovi materiali in grado di aumentare la differenza di temperatura necessaria al funzionamento e le problematiche ambientali degli ultimi anni, hanno dato nuovi impulsi alla realizzazione di nuovi motori Stirling.

Come funziona ?

Il motore funziona ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio e idrogeno nelle versioni ad alto rendimento). Quando è raggiunta un’opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo ed è opportunamente avviata, si innesca una pulsazione ciclica, trasformata in moto alternato dai pistoni. Il moto si mantiene fino a quando la differenza di temperatura si mantiene costante, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al punto freddo. Le sole parti in movimento sono il pistone ed il dislocatore che agiscono collegati ad un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di circa 90 gradi. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo. Il motore Stirling necessita di una bassa manutenzione e la combustione non è vincolata a combustibili specifici. E’ possibile anche utilizzare il calore della radiazione solare concentrata per produrre la differenza di temperatura necessaria.

Il motore Stirling in configurazione Alfa, come il modello che abbiamo costruito, risulta forse più comprensibile nel suo funzionamento, che si può considerare basato su 4 fasi:

schema_fasi

· spinta

· riscaldamento

· espansione

· raffreddamento

Nel dettaglio:

FASE DI SPINTA: il pistone 1 (blu) spinge l’aria verso il pistone 2 (rosso) situato in alto, che quindi si sposta, lasciando entrare l’aria;

spinta_2spinta_1

FASE DI RISCALDAMENTO: l’aria si scalda, si espande, e quindi “torna” indietro verso il pistone numero 1 in basso, che si sposta;

riscaldamento_2 riscaldamento_1

FASE DI ESPANSIONE: lo spostamento del pistone 1 fa arrivare l’aria calda a contatto col dissipatore di calore ( che sarebbe composto dalle lamelle che contornano il pistone 1 ), che quindi si raffredda, e di conseguenza si contrae, facendo spostare verso destra il pistone 2;

espansione_1 espansione_2

FASE DI RAFFREDDAMENTO: lo spostamento verso destra del pistone 2, aiutato dall’inerzia accumulata dal volano, fa sì che il perno, continuando a girare, faccia abbassare il pistone 1, spingendo di nuovo l’aria verso il pistone 2, e il ciclo ricomincia.

raffr_1 raffr_2

Il criterio innovatore di invenzione di Stirling del 1816, che ha reso possibile un utilizzo ragionevole del motore ad aria calda è il rigeneratore.

Ma che cosa è il rigeneratore ?

Nel flusso alternato tra punto caldo e punto freddo è interposto un accumulatore di calore, così da limitare la perdita netta di calore nel punto freddo, dove il calore è sottratto dalla refrigerazione. L’accumulatore di calore è il rigeneratore. Il rigeneratore è costituito da una piccola massa di materiale, buona conduttrice di calore, con una elevata superficie di scambio, così che possa, al flusso del gas caldo verso il refrigeratore, catturare parte significativa del calore, ed in virtù della piccola massa aumentare rapidamente di temperatura. Quando il gas refrigerato di ritorno riattraversa il rigeneratore, questo cede il calore accumulato al gas, ed abbassa in ugual modo la sua temperatura; il gas ritorna così al punto caldo già preriscaldato: il motore riducendo il calore sottratto dalla refrigerazione ha un rendimento drasticamente superiore.

In motori di maggiore tecnologia i rigeneratori sono costituiti da lamine sottili, lane metalliche o “garze” metalliche impilate costituite da fili molto sottili, i materiali usati sono di norma metalli (oltre che con alta densità e conducenti termicamente) inossidabili e resistenti al calore: acciaio inossidabile, nickel o sue leghe.

Progettazione del nostro modello:

Il nostro obiettivo è quello di cercare di costruire il modello di motore utilizzando materiali ed elementi di impiego comune. La progettazione è stata compiuta inizialmente osservando le varie caratteristiche del motore illustrate nelle immagini ricavate e ne sono state tratte le componenti fondamentali da utilizzare per costruire il motore.

Abbiamo utilizzato:

– 2 scatole di latta dei pelati;

– 2 lattine per le bibite da 33 cl;

– un tondino di materiale ferroso ( usato del costruire l’albero motore) del diametro di 4 mm;

– impasto bicomponibile;

– tavola di compensato di spessore di 10 mm;

– viti autofilettanti da legno;

– due staffe metalliche;

– tubo di rame piegato a ferro di cavallo del diametro di 12 mm;

– perni vari.

Inizialmente abbiamo creato la base del nostro motore tagliando il compensato delle dimensioni di 180*500mm e abbiamo praticato due fori del diametro delle latte per pelati, in modo tale da farle incastrare nella superficie legnosa. Abbiamo poi creato i supporti per l’albero motore delle dimensioni di 185*75mm, sempre utilizzando il compensato da 10mm, e gli abbiamo forati nella parte superiore in modo tale da farci passare il tondino da 4mm. Prima di inserire nei due fori il tondino è stata creata la coppia di gomiti sfasata di 90 gradi. Sono state poi forate tutte e due le latte dei pelati nella parte inferiore  n modo tale da farci passare il tubo in rame e, non appena inserite, le abbiamo attaccate con un impasto biconponibile. Successivamente abbiamo costruito con il compensato rimanente le due bielle e le abbiamo collegate alle lattine da 33cl tramite dei pernetti. Alle lattine è stata tagliata la parte dove vi è l’apertura per bere in modo tale da farle assumere una forma tipo bicchiere rovesciato, in questo modo potrà contenere tranquillamente il fluido termodinamico (aria). Infine sono state inserite le bielle nei gomiti (una biella per gomito) del tondino ferroso ed il tutto è stato assicurato con del filo di rame alle estremità. I supporti dell’albero motore sono state assicurate al piano con due staffe metalliche unite con le viti autofilettanti.

ultima

I G.p.s: Stefano del Corda, Repetto Claudio, Samuele Rembado, Andrea Zucchi, Fabio Sturla, Andrea Bellissimo, Paolo Pucci, Vincenzo Craviotto.