Il mio progetto di motore stirling

Vai ai links censiti dall'autore. *** Vai alla bibligrafia. *** Vai ai documenti memorizzati.

Nel 2006 mi sono interessato ai motori stirling come sistema per sfuttare il principio dei motori esotermici.

Ho prepararo questo progetto che non sono riuscito a realizzare non avendo trovato persone che, per puro spirito di studio e scoperta, mi aiutassero a

realizzare un prototipo da 500 watt alimentato dal calore del sole.

L'biettivo era ed e' di ottenere energia elettrica e acqua calda con una resa maggiore del 60% rispetto all'energia ricavabile dal sole.

Metto in linea questi dati, se a qualche persona servono puo' usarli a sua discrezione.

Mi scuso per la qualita' dei disegni, ma sono solo un appassionato.

Pubblicato a fine ottobre 2009, revisionato quando necessario

mercoledi' 21 settembre 2011/11:14:55

Il motore stirling.

Alcuni appunti e spiegazioni (st00).Il motore Stirling e' un motore che sfrutta il calore esterno (esotermia) e fu inventato da Robert Stirling nel 1816.

il principio di funzionamento di un motore con ciclo stirling e' noto da tempo, ma solo recentemente, precisamente dal 2000, sono state prese in seria considerazione le

possiblita' pratiche di tale motore, dando luogo alla realizzazione di prototipi con prestazioni molto promettenti.

L'interesse per questo motore si e' destato improvvisamente in seguito al grande processo di miglioramento delle proprieta' 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 st00_01) per le medie

potenze e fino al 0.60 per le piccole potenze.

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, quando

presenti, 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 piu' elevati suppliscono un rendimento elevato, un minor

contributo all'inquinamento, una notevole silenziosita' di funzionamento, e limitata presenza di vibrazioni.

Ciclo teorico stirling.Il ciclo termodinamico Stirling (Figura st00_02) 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 e'

percorso in senso orario, trattandosi di un ciclo motore.

Funzionamento del motoreNella pratica le suddette trasformazioni termodinamiche vengono realizzate nel motore Stirling utilizzando i

seguenti componenti:

Una camera di riscaldamento (capacita' calda) del fluido motore, per esempio idrogeno, in cui questo

riceve calore, mediante uno scambiatore tubolare, da un opportuno circuito esterno di combustione,

munito di preriscaldatore d'aria;

1.

Una camera di raffreddamento (capacita' fredda) del gas, utilizzando a tale scopo un opportuno

circuito esterno di refrigerazione ad acqua;

2.

Uno scambiatore per la rigenerazione del calore, inserito nella tubazione che mette le due camere

permanentemente in comunicazione (Figura st00_03 a)): tale scambiatore assorbe calore dal gas

allorche' questo si trasferisce dalla capacita' calda alla capacita' fredda, nella fase 4-1 a volume

costante, e lo restituisce al gas, allorche' questo ritorna alla capacita' calda nella fase 2-3 a

volume costante;

3.

Un pistone di trasferimento (displacement) che ha il compito di comandare il movimento del gas tra

le due capacita', e quindi consentire il passaggio dalle fasi di introduzione a quelle di sottrazione del

calore e viceversa (Figura st00_03 b));

4.

Un pistone motore(Figura st00_03 (b)) che consente lo svolgimento delle fasi di compressione e di espansione del gas, facendo variaire ciclicamente il volume totale entro

cui il gas e' contenuto [Nota: il volume totale entro cui e' contenuto il gas e' la somma, fatta istante per istante, del volume della capacita' calda, compreso il volume

interno allo scambiatore tubolare del circuito di combustione, della capacita' fredda, compreso il volume interno al circuito di refrigerazione, del volume relativo al

rigeneratore, e del volume di tutti i collegamenti]

5.

La figura st00_03 a) chiarisce che la capacita' calda e' compresa tra il circuito esterno di combustione e il pistone di trasferimento, mentre la capacita' fredda e' compresa

tra il pistone di trasferimento e il pistone motore.

1 di 8

Meccanismo di derivazione del moto e regolazioneDate 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 figura st00_03 b): cio' risulta pero' estremamente difficile perche' occorrerebbe annullare per

alcuni tratti del ciclo il movimento dell'uno o dell'altro pistone, dando luogo a parecchie discontinuita' della

legge del moto.

Rinunciando allora a tale esigenza in cambio di un piu' semplice meccanismo di comando, le fasi a volume

costante risultano cosi' nel ciclo reale (figura st00_04) 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 figura st00_05.

Il meccanismo cinematico di

collegamento e' 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 e' spesso l'idrogeno:

la sua bassa densita' 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 e' regolata facendo variare la massa del fluido di lavoro che percorre il ciclo termodinamico e adattando, mediante un organo di

controllo della temperatura, la quantita' di combustibile utilizzata nel circuito esterno di combustione al carico richiesto.

Determinazione della potenza

Proiettando il tracciato del ciclo su carta millimetrata, possibile misurare l'area racchiusa dal ciclo. Il valore ottenuto (in cm 2 ) va poi trasformato in unita' di misura di

lavoro: la larghezza massima del grafico va riferita al valore di 150 cc che e' 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 puo' essere misurata connettendo un manometro alla connessione sulla biella (al posto della connessione dell'indicatore

"pV"). Tale differenza di pressione e' dell'ordine di 1 Atm.

RendimentoDopo aver calcolato il valore della potenza fornita dal motore, si puo' determinarne il rendimento utilizzando la relazione r = P/P' essendo P' la potenza termica fornita al

motore.

I motori ad aria calda, a bassi rendimenti, furono costruiti prima della invenzione di Stirling, e quindi a rigore non possono essere definiti "motori Stirling"; il criterio

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

Nel flusso alternato tra punto caldo e punto freddo e' interposto un accumulatore di calore, cosi' da limitare la perdita netta di calore nel punto freddo, dove il calore e'

sottratto dalla refrigerazione. L'accumulatore di calore e' il rigeneratore.

Il rigeneratore e' costituito da una piccola massa di materiale, buona conduttrice di calore, con una elevata superficie di scambio, cosi' che possa, al flusso del gas caldo verso

il refrigeratore, catturare parte significativa del calore, ed in virtu' 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 cosi' al punto caldo gia' 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 densita' e conducenti termicamente) inossidabili e resistenti al calore: acciaio inossidabile, nickel o sue leghe. [modifica] Varianti

In effetti il motore Stirling realizza una oscillazione ciclica del fluido confinato che in parte e' trasformata in energia meccanica. In applicazione di questo principio esistono

varianti del motore Stirling in cui ad esempio il dislocatore si muove trascinato dalla pulsazione senza essere connesso alla parte meccanica (motore Stirling-Ringbom).

Una particolare applicazione del motore Stirling e' quella di indurre nel motore una pulsazione del solo fluido tra punto freddo e punto caldo ad una frequenza molto piu' elevata

(motore termoacustico) del movimento alternato di pistoni del motore convenzionale; tale pulsazione, in quasi totale assenza di parti mobili quali pistoni e dislocatori, si

autosostiene fino a quando si eroga calore al punto caldo e se ne sottrae al punto freddo; tale pulsazione ha prodotto storicamente gravi problemi quando si e' realizzata

spontanemente ed in modo incontrollato, tipicamente in camini (camini che cantano), giungendo a fastidiosissimi effetti acustici, violente vibrazioni incontrollate e disastrose

rotture. Con lo sviluppo tecnologico il problema si trasferi' immutato in devastanti ed inspiegabili incidenti nel funzionamento delle camere di combustione di turbine e dei motori

a razzo. Furono eventi soprattutto da evitare piu' che da utilizzare.

L'effetto motore si ottiene invece con una accuratissima progettazione ed il mantenimento di precise condizioni fisiche controllate, il vantaggio di tale tipo di motore e' la

estrema semplificazione meccanica e strutturale. Le oscillazioni (pulsazioni) del fluido possono essere trasferite a masse connesse a generatori elettrici lineari o portate a

sollecitare piastre piezoelettriche, producendo energia.

Caratteristica peculiare del ciclo Stirling e' la sua reversibilita', cioe' la macchina puo' essere realizzata in maniera tale che fornendole energia meccanica (facendola girare) si

ottenga per contro calore ad un capo, e freddo dall'altro; quindi a tutti gli effetti funziona come una pompa di calore; una fortunata applicazione e' la macchina frigorifera di

Stirling.

Vantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione internaIl motore Stirling e' a combustione esterna, questo significa che le parti maggiormente riscaldate dal calore (che puo' essere prodotto da combustione) non sono a contatto con

le parti scorrenti o rotanti, (cuscinetti, pistoni), di conseguenza tali parti ed il lubrificante non sono particolarmente sollecitati, le parti hanno quindi esigenze di manutenzione

ridotte.

Il motore non ha valvole e non subisce scoppi, quindi e' costruttivamente piu' semplice, quasi privo di vibrazioni e molto meno rumoroso di un motore a combustione interna.

La somministrazione del calore per il funzionamento e' continua, quindi in caso che il calore sia prodotto mediante combustione questa avviene in maniera continua, con rapporto

stechiometrico aria-combustibile che puo' essere ottimale, in assoluto la migliore possibile.

La somministrazione di calore puo' avvenire con qualsiasi mezzo: calore solare concentrato, ma anche mediante la combustione di legna, carbone, gas, biogas, combustibili

liquidi. Al di fuori di possibilita' particolari, le tecnologie che appaiono meglio gestibili sono il calore solare ed i combustibili liquidi e gassosi.

Svantaggi del motore Stirling rispetto ai motori a combustione internaIl calore non e' prodotto all'interno del motore ma e' applicato dall'esterno, quindi occorre trasferirlo all'interno; ugualmente, dato che il motore utilizza il dislivello di calore,

occorre sottrarre calore per creare un punto freddo. In sintesi: il fluido agente e' all'interno del motore, il suo riscaldamento o il suo raffreddamento rendono necessaria la

presenza di estese superfici (fasci tubieri o radiatori) per riscaldarlo e raffreddarlo. Tali radiatori sono grandi, appesantiscono il motore, e lo rendono voluminoso a parita' di

2 di 8

energia erogata.

All'avviamento del motore il flusso del calore dalla sorgente termica al fluido interno non e' improvviso, quindi l'avviamento e' lento, Inoltre la modifica di tale trasferimento e'

ugualmente lenta: per conseguenza il motore non e' adatto ad avviamenti rapidi ne' a consistenti variazioni di regime.

L'energia (e la potenza) erogata e' proporzionale al dislivello di temperatura tra sorgente calda e punto freddo, con il limite di temperatura per il freddo dato dalla

temperatura ambiente. Aumentare quindi il dislivello significa innalzare la temperatura del punto caldo, con limite dovuto essenzialmente ai limiti tecnici ed al costo dei materiali

capaci di resistere a temperature elevate.

Una maniera per aumentare la potenza erogata e' quella di aumentare la pressione del fluido interno, aumentando cosi' la mole del fluido di lavoro. L'uso di apparecchiature

chiuse, in pressione (pressurizzate), rende pero' necessario un attento dimensionamento strutturale e tecnologico del motore che deve essere robusto e piu' pesante.

Pur essendo definito tradizionalmente "motore ad aria calda" (il fluido di lavoro e' l'aria) l'uso dell'aria pone un grave problema: la mescolanza in pressione di aria e liquidi

lubrificanti (derivati di idrocarburi) se racchiusi all'interno del motore puo' produrre miscele esplosive. Il problema e' stato risolto preferendo l'utilizzo di gas riducenti

(idrogeno) o neutri (elio, azoto) come fluidi di lavoro, piu' sicuri ma molto meno comuni e piu' costosi. e' stato anche ipotizzato e realizzato senza l'uso di lubrificanti

convenzionali usando materiali di alta tecnologia, che pero' sono costosi.

La progettazione e' complessa ed e' solo in parte legata a parametri certamente calcolati, la circolazione del fluido perfetta e senza volumi morti e' difficile da realizzare, (e'

un flusso alternato in ambiente chiuso), ogni architettura di motore ottimizza alcuni parametri e ne penalizza altri.

Progetto di base di un motore stirling con molte innovazioni tecniche.

Descrizione generalell prototipo viene costruito su un supporto in legno di 40cm x 15cm con uno spessore di 2 cm e con zampe, quasi un tavolo, di 15 cm.

Su questo tavolo (sopra e sotto) trovano posto le parti del motore, mentre la tavola di supporto porta sui lati delle scanalature che servono per sistemare in modo razionale i

tubi ed i cavi di collegamento delle varie componenti.

Lo schema del supporto del motore stirling progettato.

Parti componenti del motore

Pistone di trasferimento (displacement)1.

Scambiatore di calore2.

Pistone di potenza3.

Albero a gomito4.

Volano5.

Puleggia per presa di forza6.

Batteria di servizio7.

Centralina elettronica per il caricamento della batteria, avvio motore e display numero giri.8.

Dinamo di carico della batteria e motore di avviamento.9.

Rilevazione numero di giri10.

Disposizioni delle partiOccorre che il pistone di trasferimento e il pistone di potenza siano vicini in modo da ridurre al massimo Ia lunghezza deIl'albero motore.

II volano e la puleggia della presa di forza sono ai Iati opposti delI'albero.

La dinamo piccola per il caricamento della batteria di servizio e di avvio e' attaccata al lato volano.

II cinematismo di comando della valvola del cassetto di distribuzione e' inserito sulla biella del pistone di potenza.

Schema di principio e parti del motore stirling

progettato.

Schemi a blocchi. (st03)

Schema a blocchi del motore stirling progettato. Flusso del gas

3 di 8

I blocchi Blocco volano motore distributore

Scambiatore di calore Circuito acqua.

Il volano Raddrizzatore inverter

4 di 8

Pannello gestione dati Accumulo calore

Aggancio riscaldamento Pistone displacement

5 di 8

Dati fisici di funzionamento e stima della potenza erogata.Nel modello di base la pressione del gas (aria) e' quella atmosferica, ma nel pistone di dislocamento (displacer) e' presente una valvola di caricamento della

pressione e una presa per il rilevamento del suo valore con un manometro.

L'aria conteuta nel due pistoni, nel tubi e nello scambiatore di calore e' circa tre litri (pressione atmosferica).

La differenza dl temperatura fra i due pistoni e' stimata in 50 gradi.

L‘aumento di volume (sui tre litri) e' (3000*1 /273*50) 500cm

Aumento di pressione 0,33 bar

Diametro del pistone dl potenza 36mm- Area del pistone 10,10cmq

Corsa del pistone 30mm

Cilindrata 30cmc

Volume dell’area spostata dal pistone per ognl secondo: 450cmc

Pressione sul pistone 3kg

Numero di girl stimato al secondo 15 (900 minuto)

Potenza erogata in kgm 0.45

Ciclo del circuito del gas.II gas caldo in pressione esce dal cilindro displacer ed entra nello scambiatore di calore.

Uscito dallo scambiatore dl calore il gas entra, diretto dal cassetto di distribuzlone nel pistone di potenza

Finito il ciclo di potenza e scambiato il condotto nel cassetto di distribuzione l'aria viene splnta nella seconda parte dello scambatore di calore rientrando nel pistone

di dislocamento.

Il flusso dell'aria nel motore, il cassetto di

distribuzione e le aree di scambio del calore.

Circuito elettricoUna piccola dinamo 3v (un motore cc giocattolo) serve per produrre Ia corrente per ricaricare la batteria dl servizio per l'avvio automatico del motore al raggiungimento della

temperatura ottimale.

Questa dinamo serve anche per l'avvio dato che e' necessaria solo una piccolissima spinta.

E' previsto un interrutore di minima per la ricarlca in sicurezza della batteria.

Il progetto della parte elettronica per i vari controlli, per l'avvio del motore e per la ricarlca delle batterie e' fatta in altra parte del progetto e non pubblicata in questo

contesto.

6 di 8

Caratteristiche del pistone di dislocamento. (Pistone displacer)Questo pistone e' un cubo con lato di 10 cm(interni) ed e' realizzato con lamiera di ferro di 2mm saldata (anche a stagno, ma meglio ad ottone.) Il pistone non deve essere a

tenuta, ma la scatola lo deve essere. Il pistone e' in alluminio di minimo spessore con una luce di 1,5mm rispetto al contenitore ed ha 4 molle di centraggio sui vertici ed e'

ancorato ad un'asta rigida che scorre in una bronzina di ottone e in un tubo con due o-ring di tenuta.

Al termine dell'asta e' presente uno snodo che ancora la biella del manovellismo.

La corsa del pistone e' di 8 cm, i due centimetri rimanenti sono lo spazio superiore di immlsslone dell‘aria fredda.

ll coperchio superione e' fissato con 8 viti e la tenuta e' garantita da una guarnizione del tipo di quella usata per la testata dei motori a scoppio (anche del tipo in pasta).

Al coperchlo superiore e' saldata una lana di ferro di titolo 3 che trasferisce molto rapidamente il calore ricevuto dal coperchlo.

Il dettaglio del cilindro displacer e attacco del

rilevatore della pressione.

Dettaglio del pistone con le molle di centraggio

Il coperchio del cilindro con le viti di tenuta.

Scambiatore di caloreMancano i disegni ma si tratta di uno spessore di lana di acciaio saldata al coperchio del cilindro che fornisce una grandissma superfice di scambio di calore.

Pistone di potenza

Il gruppo pistone di potenza comprende anche il cassetto di distribuzione e il manovellismo per azionarlo.

I disegni presentati sono il cassetto di distribuzione.

Il cassetto e' realizzato con lamiere di ottone (bronzo) fermate con piccole viti da 10 o 12 mm

Il cassetto di distribuzione.

Aria da IN1.

aria per out2.

Funzione stop - non passa aria3.

Quando la pressione e' maggiore del limite di avvio

scatta su posizione 1

Il cassetto di distribuzione puo' essere comandato da una elettroservomeccanismo comandato dal programma di gestione.

Albero a gomitoL'albero a gomito deve essere realizzato con particolari separati e fissati con bulloni per realizzare angoli di sfasamento variabili fino ad ottenere quanto stabilito in fase di

progetto (circa 90 gradi)

7 di 8

Schema di principio della centrale elettronica.

L'albero a gomito costruito in segmenti tra loro

agganciabili con bulloni.

VolanoE' un normale volano in metallo leggero con la parte esterna piu' grande e pesante.

Potrebbe essere un cerchio di fero calettato sull parte interna.

Il volano non e' un particolare molto determinante.

Puleggia per presa di forzaLa puleggia non ha caratteristiche peculiari.

Batteria di servizioPossono essere quattro batterie NiCd in serie questo permette di dimensionare facilmente lo spazio necessario

Centralina elettronica per il caricamento della batteria, avvio motore e gestione dei display

La logica e' abbastanza semplice ma richiede una progettazione ad hoc e una programmazione su un piccolo microprocessore.

Il rilevamento del giro e' fatto con un piccolo magnete incollato suII'aIbero motore che passa vicino ad una ampollina red collegata al contaimpulsi elettronico.

Dinamo di carico della batteria e motore di avviamento.Puo' essere anche il motore di avvio, Ia sua potanza e' minima e puo' essere alimentato da una batteria ricaricabile da 6V con opportuno demoltiplicatore.

Problemi di avvio automaticoSe l'aria nel pistone di potenza viene inviata nel distributore solo se supera la pressione di soglia e il istone e' nel punto morto superiore il motore dovrebbe partire.

Procedura di stopIl pistone di potenza si deve fermare a circa 5 gradi dopo il punto morto superiore.

Agire sulla valvola del gas.

Il comando di stop porta il cassetto di distribuzione in alto mentre il pistone si ferma a 5 gradi oltrte il pms.

Se la pressione si abbassa sotto un certo limite inizia la procedura di stop. In pratica se manca la temperatura di riscaldamento del motore.

8 di 8