Il motore Stirling. A. Della Torre

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1 1 Il motore Stirling A. Della Torre

2 2 Contenuti 1. Introduzione 2. Cenni storici 3. Il ciclo diretto di Stirling 4. Classificazione delle macchine di Stirling 5. Esempi di applicazione del motore Stirling: solare termodinamico biomasse cogenerazione autotrazione

3 3 Introduzione 1. Classificazione delle macchine termiche: a combustione interna: m.c.i, turbine a gas a combustione esterna: turbine a vapore, motore stirling 2. Il motore di Stirling è una macchina: a combustione esterna a ciclo chiuso volumetrica operante con il massimo rendimento teorico possibile

4 4 Cenni Storici La macchina di Stirling del 1816 fornace displacer spazio caldo spazio freddo stantuffo di potenza

5 5 Il ciclo diretto di Stirling Il teorema di Reitlinger 1. Ciclo di Carnot: costituito da due isoterme e due adiabatiche consente di convertire il calore introdotto in lavoro con il massimo rendimento 2. Teorema di Reitlinger afferma che qualunque ciclo costituito da due isoterme e due trasformazioni omologhe rigenerative opera con il rendimento del corrispondente ciclo di Carnot tra le stesse T max e T min

6 6 Il ciclo diretto di Stirling Ciclo Ideale Ciclo di Stirling è composto da: 1-2: compressione isoterma 2-3: trasformazione isocora rigenerativa 3-4: espansione isoterma 4-1: trasformazione isocora rigenerativa Il calore ceduto durante l isocora 4-1 viene utilizzato per compiere l isocora 2-3

7 7 Il ciclo diretto di Stirling Macchina Ideale di Stirling La macchina ideale in grado di realizzare il ciclo di Stirling è composta da: due stantuffi: impongono l opportuna legge di variazione dei volumi rigeneratore: accumula calore nell isocora 4-1 e lo restituisce nell isocora 2-3 scambiatore caldo: introduce il calore a alta T nel ciclo scambiatore freddo: rimuove il calore a bassa T dal ciclo

8 1-2 compressione iso-t: diminuzione V + rimozione Qf Il ciclo diretto di Stirling Legge di variazione dei volumi 3-4 espansione iso-t: aumento V + introduzione Qc iso-v rigenerativa: V cost + Q dal rigeneratore 4-1 iso-v rigenerativa: V cost + Q al rigeneratore

9 9 Il ciclo diretto di Stirling Confronto con il ciclo di Carnot Il ciclo Stirling ha: il medesimo rendimento del ciclo di Carnot un area del ciclo più grande: maggior lavoro specifico

10 10 Il ciclo diretto di Stirling Cause di irreversibilità nel ciclo reale Cause di irreversibilità comuni a tutte le macchine termiche: Perdite per attriti tra i componenti in moto relativo Perdite per attrito fluidodinamico (in particolare per la macchina di Stirling nel rigeneratore e negli scambiatori) Scambi termici (verso l esterno o tra il lato caldo e freddo della macchina) Fughe di fluido verso l esterno Scostamento delle pressioni dal valore ideale a causa delle perdite per attrito fluidodinamico

11 11 Il ciclo diretto di Stirling Cause di irreversibilità nel ciclo reale Cause di irreversibilità tipiche della macchina di Stirling: 1. Cause di tipo termodinamico: Distribuzione del fluido tra i diversi volumi Irreversibilità delle trasformazioni TD, in particolare gli scambi termici 2. Cause di tipo termologico: Rigenerazione termica incompleta Limiti nel realizzare trasformazioni isoterme negli scambiatori 3. Cause di tipo meccanico e fluidodinamico: Effetto del moto non discontinuo (ma sinusoidale) degli stantuffi Effetto degli spazi morti

12 12 Il ciclo diretto di Stirling Cause di irreversibilità nel ciclo reale Rigenerazione termica incompleta Scambio termico non isotermo Moto continuo del pistone Presenza di fluido negli spazi morti

13 13 Il ciclo diretto di Stirling Cause di irreversibilità nel ciclo reale

14 14 Classificazione delle macchine di Stirling Pur non esistendo dei criteri standardizzati di classificazione, una possibile classificazione si può basare sui seguenti criteri: 1. Modalità di accoppiamento degli stantuffi 2. Numero dei cicli in contemporanea esecuzione 3. Numero degli effetti sugli stantuffi 4. Numero dei cilindri nei quali si realizza il ciclo 5. Tipo di fluido operante e numero delle sue fasi

15 15 Classificazione delle macchine di Stirling Modalità di accoppiamento degli stantuffi 1. Stantuffi meccanicamente accoppiati (non risonanti): il cinematismo deve permettere di approssimare al meglio la variazione dei volumi prevista dal ciclo Stirling il cinematismo non deve essere troppo complicato 2. Stantuffi non meccanicamente accoppiati (risonanti) : gli stantuffi sono liberi e la loro posizione relativa è determinata dalle pressioni agenti istantaneamente su di essi e dalle forze di inerzia stantuffi liberi e accoppiamento ibrido

16 16 Modalità di accoppiamento degli stantuffi Stantuffi non risonanti Dispacer Stantuffo di potenza Guida rombica (Meijer) Manovella e bilanciere (Clarke) Swash - plate

17 17 Modalità di accoppiamento degli stantuffi Stantuffi non risonanti

18 18 Classificazione delle macchine di Stirling Stantuffi risonanti Stantuffi liberi Accoppiamento ibrido

19 Classificazione delle macchine di Stirling Numero di cicli e di effetti monociclo a semplice effetto pluriciclo a semplice effetto 19 pluriciclo a doppio effetto in serie pluriciclo a doppio effetto in parallelo

20 20 Classificazione delle macchine di Stirling Numero dei cilindri Tre possibili configurazioni: 1. Alfa: due distinti cilindri di lavoro, sui cui stantuffi agisce la pressione istantanea del ciclo 2. Beta: stantuffo di potenza + displacer 3. Gamma: uno spazio di lavoro è diviso su più cilindri

21 21 Classificazione delle macchine di Stirling Configurazione tipo - α

22 22 Applicazione del motore Stirling Vantaggi: Elevato rendimento termodinamico Policombustibilità Limitate emissioni inquinanti Limitato disturbo acustico Reversibilità di funzionamento Possibilità di funzionamento in assenza di ossigeno Svantaggi: Bassa potenza specifica Lentezza di avviamento e nella variazione di regime Prezzi di mercato molto alti Problemi di affidabilità

23 23 Applicazione al solare termodinamico

24 24 Applicazione al solare termodinamico Descrizione dei sistemi Solar Dish Engine Principali componenti: concentratore ricevitore motore Stirling Per un motore da 25 kw occorre disporre di 10m 2 di superficie riflettente. concentratore parabolico puntuale

25 25 Descrizione dei sistemi Solar Dish Engine Ricevitori Il ricevitore assorbe l energia solare e la trasferisce al flusso di gas che evolve nel motore Stirling (scambiatore caldo) Esistono due tipi di ricevitore: a illuminazione diretta a illuminazione indiretta

26 26 Descrizione dei sistemi Solar Dish Engine Motori Stirling SOLO V 161: potenza: 11 kwe configurazione tipo - α inizialmente sviluppato per la cogenerazione Scambiatore caldo (ricevitore) Rigeneratore Scambiatore freddo (raffreddato ad acqua)

27 27 Descrizione dei sistemi Solar Dish Engine Motori Stirling United Stirling 4-95: potenza: 52 kw n cilindri: 4 vol. unit. spazzato: 95 cc configurazione tipo - α pressione fluido fino a 150 bar fino a 4000 rpm Realizzati diversi livelli di potenza per applicazioni differenti: autotrazione, sottomarine, solare

28 28 Descrizione dei sistemi Solar Dish Engine Motori Stirling STM 4-120: potenza: 25 kw n cilindri: 4 configurazione tipo α swash - plate 1850 rpm rendimento: 45% regolazione mediante variazione dell inclinazione swash-plate

29 29 Applicazione alle biomasse Biomasse: colture energetiche dedicate (arboree, erbacee) residui agricoli, artigianali, industriali, civili (paglia, sansa di oliva, vinaccie, gusci, pula, particolari frazioni di RSU) residui forestali La combustione esterna del motore Stirling permette: policombustibilità abbattimento delle emissioni inquinanti grazie alla possibilità di impiegare i tempi di residenza opportuni durante la combustione.

30 30 Applicazione alle biomasse Configurazione dell impianto utenza termica (cogenerazione) Motore Stirling + alternatore preriscaldatore aria Scambiatore caldo Stirling Fornace

31 31 Applicazione alle biomasse Motore Stirling Esempio di motore Stirling per biomasse (sperimentazione Technical University of Denmark): Potenza elettrica nominale: 75 kwe n cilindri: 8 Fluido di lavoro: Pressione Velocità di rotazione elio 4,5 MPa 1000 RPM Accoppiamento diretto alla rete elettrica Peso del motore 3500 kg

32 32 Applicazione a impianti cogenerativi Produzione combinata di potenza elettrica e termica Alti rendimenti di conversione Vantaggi del motore Stirling: basse emissioni di inquinanti basso livello di emissione sonora elevato rendimento di produzione di energia elettrica (anche se in questa applicazione può risultare non decisivo) assenza di limitazioni sui combustibili

33 33 Applicazione a impianti cogenerativi Motore Stirling SOLO V161 SOLO V 161: potenza: 11 kwe n cilindri: 2 configurazione tipo - α fluido di lavoro: elio

34 34 Applicazione a impianti cogenerativi Motore Stirling SOLO V161 Bruciatore con preriscaldatore d aria raffredda i gas combusti fino a C. Regolazione del carico variando la pressione dell elio nel range: bar.

35 35 Applicazione all autotrazione Negli anni 70 la necessità di ridurre le emissioni inquinanti diede un impulso all applicazione del motore Stirling all autotrazione. Sperimentazioni Philips in collaborazione con GM e Ford. Per rendere competitivo il motore era necessario ridurre il volume specifico all unità di potenza Si studia un nuovo cinematismo per sostituire il complicato cinematismo a guida rombica: il cinematismo a disco oscillante o swash-plate

36 36 Applicazione all autotrazione Il cinematismo swash-plate

37 37 Applicazione all autotrazione Il cinematismo swash-plate Vantaggi del cinematismo swash-plate rispetto alla guida rombica: minori problemi di lubrificazione e maggiore silenziosità maggiore stabilità facilità di bilanciamento possibilità di montare fino a quattro pistoni su un solo disco

38 38 Applicazione all autotrazione Il motore 4-65DA Progettato dalla Philips in collaborazione con GM Caratteristiche tecniche: gas di lavoro: idrogeno n cilindri: 4 alesaggio: 43 mm corsa: 45 mm pressione media: 220 bar velocità di rotazione: 3000 rpm 220bar) 110bar) regolazione del carico agendo sulla pressione del fluido

39 39 Applicazione all autotrazione Il motore 4-215DA per la Ford Torino Progettato dalla Philips in collaborazione con Ford Principale requisito era il basso livello di emissioni inquinanti

40 40 Applicazione all autotrazione Il motore 4-215DA per la Ford Torino Caratteristiche tecniche: gas di lavoro: idrogeno n cilindri: 4 alesaggio: 73 mm corsa: 52 mm pressione media: 185 bar velocità di rotazione: rpm P max rpm C max rpm T max = 750 C T min = 64 C regolazione del carico agendo sulla pressione del fluido

41 41 Applicazione all autotrazione Il motore 4-215DA per la Ford Torino cilindri combustore swash-plate

42 42 Applicazione all autotrazione Il motore 4-215DA per la Ford Torino scambiatori caldi

43 43 Applicazione all autotrazione Il motore 4-215DA per la Ford Torino Consumo motore 4-215DA Consumo motore Ford standard

44 44 Applicazione all autotrazione Il motore 4-215DA per la Ford Torino Emissioni: HC: g/km CO: 1.18 g/km NOx: 0.19 g/km Rumorosità: 70 db Limiti emissioni EURO III (Otto - ciclo ECE): HC: 0.2 g/km CO: 2.3 g/km NOx: 0.15 g/km

45 45 Conclusioni La diffusione commerciale del motore Stirling è molto limitata. I principali pregi del motore Stirling sono: l elevato rendimento, la policombustibilità, le limitate emissioni inquinati, il basso disturbo acustico. Le caratteristiche di questo motore lo rendono particolarmente interessante in alcune applicazioni (ad esempio il solare) per le quali si può ipotizzare un certo sviluppo nel futuro. In altre applicazioni, come la propulsione termica nel settore automotive, l elevato sviluppo del motore a combustione interna rende il motore Stirling non competitivo.

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