Stirling Engine

Published on November 2016 | Categories: Documents | Downloads: 49 | Comments: 0 | Views: 650
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Content

Il motore Stirling
A. Della Torre

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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

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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

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Cenni Storici

La macchina di Stirling del 1816
displacer fornace spazio caldo

spazio freddo

stantuffo di potenza

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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 Tmax e Tmin
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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

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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

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Il ciclo diretto di Stirling

Legge di variazione dei volumi
1-2 compressione iso-T: diminuzione V + rimozione Qf 3-4 espansione iso-T: aumento V + introduzione Qc

2-3 iso-V rigenerativa: V cost + Q dal rigeneratore 8

4-1 iso-V rigenerativa: V cost + Q al rigeneratore

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

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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

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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

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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

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Il ciclo diretto di Stirling

Cause di irreversibilità nel ciclo reale

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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

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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

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Modalità di accoppiamento degli stantuffi

Stantuffi non risonanti
Dispacer

Stantuffo di potenza

Guida rombica (Meijer)

Manovella e bilanciere (Clarke)

Swash - plate

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Modalità di accoppiamento degli stantuffi

Stantuffi non risonanti

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Classificazione delle macchine di Stirling

Stantuffi risonanti

Stantuffi liberi Accoppiamento ibrido 18

Classificazione delle macchine di Stirling

Numero di cicli e di effetti

monociclo a semplice effetto

pluriciclo a semplice effetto

pluriciclo a doppio effetto in serie 19

pluriciclo a doppio effetto in parallelo

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

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Classificazione delle macchine di Stirling

Configurazione tipo - α

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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

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Applicazione al solare termodinamico

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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 10m2 di superficie riflettente.

concentratore parabolico puntuale 24

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

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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)

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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

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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

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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.

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Applicazione alle biomasse

Configurazione dell‟ impianto
utenza termica (cogenerazione) Motore Stirling + alternatore

preriscaldatore aria

Scambiatore caldo Stirling

Fornace

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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

elio
4,5 MPa

• Velocità di rotazione
• Peso del motore

1000 RPM

• Accoppiamento diretto alla rete elettrica 3500 kg

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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

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Applicazione a impianti cogenerativi

Motore Stirling SOLO V161

SOLO V 161: • potenza: 11 kWe • n cilindri: 2 • configurazione tipo - α • fluido di lavoro: elio

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Applicazione a impianti cogenerativi

Motore Stirling SOLO V161

• Bruciatore con preriscaldatore d‟aria raffredda i gas combusti fino a 200-300°C. • Regolazione del carico variando la pressione dell‟elio nel range: 35 -150 bar. 34

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

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Applicazione all‟autotrazione

Il cinematismo swash-plate

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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

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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 • P=45kW @(3000rpm, 220bar) • P=22.5kW @(3000rpm, 110bar) • regolazione del carico agendo sulla pressione del fluido

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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

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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: 600-4500 rpm • Pmax=127kW @4000 rpm • Cmax=428Nm @1350 rpm • Tmax = 750°C • Tmin = 64°C • regolazione del carico agendo sulla pressione del fluido

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Applicazione all‟autotrazione

Il motore 4-215DA per la Ford Torino
cilindri
combustore

swash-plate

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Applicazione all‟autotrazione

Il motore 4-215DA per la Ford Torino
scambiatori caldi

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Applicazione all‟autotrazione

Il motore 4-215DA per la Ford Torino

Consumo motore 4-215DA

Consumo motore Ford standard

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Applicazione all‟autotrazione

Il motore 4-215DA per la Ford Torino

Emissioni: • HC: 0.006 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

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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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