Come funzionano i motori Stirling

Foto per gentile concessione di American Stirling Company Questo motore può funzionare utilizzando solo il calore della tua mano. Guarda le foto dei motori.

Il motore Stirling è un motore termico che è molto diverso dal motore a combustione interna della tua auto. Inventato da Robert Stirling nel 1816, il motore Stirling ha il potenziale per essere molto più efficiente di un motore a benzina o diesel. Ma oggi, i motori Stirling vengono utilizzati solo in alcune applicazioni molto specializzate, come nei sottomarini o nei generatori di corrente ausiliari per yacht, dove il funzionamento silenzioso è importante. Sebbene non ci sia stata un'applicazione di mercato di massa di successo per il motore Stirling, alcuni inventori ad altissima potenza ci stanno lavorando.

Un motore Stirling utilizza l'estensione Ciclo di Stirling,- che è diverso dai cicli utilizzati nei motori a combustione interna.

• I gas utilizzati all'interno di un motore Stirling non escono mai dal motore. Non ci sono valvole di scarico che sfiatano i gas ad alta pressione, come in un motore a benzina o diesel, e non si verificano esplosioni. Per questo motivo, i motori Stirling sono molto silenziosi.
• Il ciclo di Stirling utilizza una fonte di calore esterna, che potrebbe essere qualsiasi cosa, dalla benzina all'energia solare al calore prodotto dalle piante in decomposizione. Nessuna combustione avviene all'interno dei cilindri del motore.

Esistono centinaia di modi per mettere insieme un motore Stirling. In questo articolo, impareremo a conoscere il ciclo di Stirling e vedremo come funzionano due diverse configurazioni di questo motore.

Contenuti

1. Il ciclo di Stirling
2. Motore Stirling a dislocatore
3. Motore Stirling a due pistoni
4. Perché i motori Stirling non sono più comuni?

Il principio chiave di un motore Stirling è questo una quantità fissa di gas è sigillata all'interno del motore. Il ciclo Stirling prevede una serie di eventi che modificano la pressione del gas all'interno del motore, facendolo funzionare.

Esistono diverse proprietà dei gas critiche per il funzionamento dei motori Stirling:

• Se hai una quantità fissa di gas in un volume fisso di spazio e aumenti la temperatura di quel gas, la pressione aumenterà.
• Se hai una quantità fissa di gas e la comprimi (diminuisci il volume del suo spazio), la temperatura di quel gas aumenterà.

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Esaminiamo ogni parte del ciclo Stirling osservando un motore Stirling semplificato. Il nostro motore semplificato utilizza due cilindri. Un cilindro è riscaldato da una fonte di calore esterna (come il fuoco) e l'altro è raffreddato da una fonte di raffreddamento esterna (come il ghiaccio). Le camere a gas dei due cilindri sono collegate e i pistoni sono collegati tra loro meccanicamente da un collegamento che determina come si muoveranno l'uno rispetto all'altro.

Ci sono quattro parti nel ciclo di Stirling. I due pistoni nell'animazione sopra realizzano tutte le parti del ciclo:

1. Il calore viene aggiunto al gas all'interno del cilindro riscaldato (a sinistra), provocando la formazione di pressione. Questo costringe il pistone a muoversi verso il basso. Questa è la parte del ciclo di Stirling che fa il lavoro.
2. Il pistone sinistro si alza mentre il pistone destro si abbassa. Questo spinge il gas caldo nel cilindro raffreddato, che raffredda rapidamente il gas alla temperatura della sorgente di raffreddamento, abbassandone la pressione. Ciò semplifica la compressione del gas nella parte successiva del ciclo.
3. Il pistone nel cilindro raffreddato (a destra) inizia a comprimere il gas. Il calore generato da questa compressione viene rimosso dalla sorgente di raffreddamento.
4. Il pistone destro si alza mentre il pistone sinistro si abbassa. Questo forza il gas nel cilindro riscaldato, dove si riscalda rapidamente, creando pressione, a quel punto il ciclo si ripete.

Il motore Stirling fornisce potenza solo durante la prima parte del ciclo. Esistono due modi principali per aumentare la potenza di un ciclo Stirling:

• Aumenta la potenza in uscita nella prima fase - Nella prima parte del ciclo, la pressione del gas riscaldato che spinge contro il pistone esegue il lavoro. L'aumento della pressione durante questa parte del ciclo aumenterà la potenza del motore. Un modo per aumentare la pressione è aumentare la temperatura del gas. Quando daremo un'occhiata a un motore Stirling a due pistoni più avanti in questo articolo, vedremo come un dispositivo chiamato a rigeneratore può migliorare la potenza del motore immagazzinando temporaneamente il calore.
• Diminuisci il consumo di energia nella fase tre - Nella terza parte del ciclo, i pistoni eseguono lavori sul gas, utilizzando parte della potenza prodotta nella prima parte. L'abbassamento della pressione durante questa parte del ciclo può diminuire la potenza utilizzata durante questa fase del ciclo (aumentando di fatto la potenza erogata dal motore). Un modo per diminuire la pressione è raffreddare il gas a una temperatura inferiore.

Questa sezione descrive il ciclo di Stirling ideale. I motori effettivamente funzionanti variano leggermente il ciclo a causa dei limiti fisici del loro design. Nelle prossime due sezioni, daremo un'occhiata a un paio di diversi tipi di motori Stirling. Il motore del tipo a dislocatore è probabilmente il più facile da capire, quindi inizieremo da lì.

Ringraziamenti speciali

Un ringraziamento speciale a Brent Van Arsdell della American Stirling Company per il suo aiuto con questo articolo.

Invece di avere due pistoni, un motore di tipo dislocatore ha un pistone e un dislocatore. Il dislocatore serve per controllare quando la camera a gas viene riscaldata e quando viene raffreddata. Questo tipo di motore Stirling viene talvolta utilizzato nelle dimostrazioni in classe. Puoi persino acquistare un kit per costruirne uno tu stesso!

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Per funzionare, il motore sopra richiede un file differenza di temperatura tra la parte superiore e quella inferiore del cilindro grande. In questo caso, la differenza tra la temperatura della tua mano e l'aria circostante è sufficiente per far funzionare il motore.

Nella figura in questa pagina puoi vedere due pistoni:

1. Il pistone di potenza - Questo è il pistone più piccolo nella parte superiore del motore. È un pistone ben sigillato che si alza mentre il gas all'interno del motore si espande.
2. Il dislocatore - Questo è il grande pistone nel disegno. Questo pistone è molto lento nel suo cilindro, quindi l'aria può muoversi facilmente tra le sezioni riscaldate e raffreddate del motore mentre il pistone si muove su e giù.

Il dislocatore si muove su e giù per controllare se il gas nel motore viene riscaldato o raffreddato. Ci sono due posizioni:

• Quando il dislocatore è vicino alla sommità del cilindro grande, la maggior parte del gas all'interno del motore viene riscaldata dalla fonte di calore e si espande. La pressione si accumula all'interno del motore, costringendo il pistone di potenza verso l'alto.
• Quando il dislocatore è vicino al fondo del cilindro grande, la maggior parte del gas all'interno del motore si raffredda e si contrae. Ciò fa diminuire la pressione, rendendo più facile per il pistone di potenza scendere e comprimere il gas.

Il motore riscalda e raffredda ripetutamente il gas, estraendo energia dall'espansione e dalla contrazione del gas.

Successivamente, daremo un'occhiata a un motore Stirling a due pistoni.

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In questo motore, il cilindro riscaldato viene riscaldato da una fiamma esterna. Il cilindro raffreddato è raffreddato ad aria e dispone di alette per facilitare il processo di raffreddamento. Un'asta proveniente da ciascun pistone è collegata a un piccolo disco, che a sua volta è collegato a un volano più grande. Ciò mantiene i pistoni in movimento quando non viene generata potenza dal motore.

La fiamma riscalda continuamente il cilindro inferiore.

1. Nella prima parte del ciclo, la pressione aumenta, costringendo il pistone a spostarsi a sinistra, facendo il lavoro. Il pistone raffreddato rimane approssimativamente fermo perché si trova nel punto della sua rivoluzione in cui cambia direzione.
2. Nella fase successiva, entrambi i pistoni si muovono. Il pistone riscaldato si sposta a destra e il pistone raffreddato si sposta verso l'alto. Questo sposta la maggior parte del gas attraverso il rigeneratore e nel pistone raffreddato. Il rigeneratore è un dispositivo che può immagazzinare temporaneamente il calore: potrebbe essere una rete metallica attraverso la quale passano i gas riscaldati. L'ampia superficie della rete metallica assorbe rapidamente la maggior parte del calore. Questo lascia meno calore da rimuovere dalle alette di raffreddamento.
3. Successivamente, il pistone nel cilindro raffreddato inizia a comprimere il gas. Il calore generato da questa compressione viene rimosso dalle alette di raffreddamento.
4. Nell'ultima fase del ciclo, entrambi i pistoni si muovono: il pistone raffreddato si abbassa mentre il pistone riscaldato si sposta a sinistra. Questo forza il gas attraverso il rigeneratore (dove raccoglie il calore che è stato immagazzinato lì durante il ciclo precedente) e nel cilindro riscaldato. A questo punto, il ciclo ricomincia.

Forse ti starai chiedendo perché non ci sono ancora applicazioni per il mercato di massa dei motori Stirling. Nella sezione successiva, daremo uno sguardo ad alcune delle ragioni di ciò.

Ci sono un paio di caratteristiche chiave che rendono i motori Stirling poco pratici per l'uso in molte applicazioni, inclusa la maggior parte delle auto e dei camion.

Perché la fonte di calore è esterna, ci vuole un po 'di tempo prima che il motore risponda ai cambiamenti nella quantità di calore applicata al cilindro - ci vuole tempo perché il calore venga condotto attraverso le pareti del cilindro e nel gas all'interno del motore. Ciò significa che:

• Il motore richiede un po 'di tempo per riscaldarsi prima di poter produrre potenza utile.
• Il motore non può modificare rapidamente la sua potenza.

Queste carenze garantiscono quasi che non sostituirà il motore a combustione interna delle auto. Tuttavia, un'auto ibrida con motore Stirling potrebbe essere fattibile.

Per ulteriori informazioni sui motori Stirling e sugli argomenti correlati, controlla i collegamenti nella pagina successiva.

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Altri ottimi link

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