Stirling Engine

Il motore StirlingA. Della Torre

1

Contenuti1. Introduzione2. Cenni storici 3. Il ciclo diretto di Stirling

4. Classificazione delle macchine di Stirling5. Esempi di applicazione del motore Stirling: solare termodinamico biomasse cogenerazione autotrazione

2

Introduzione1. 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 una macchina: a combustione esterna a ciclo chiuso volumetrica operante con il massimo rendimento teorico possibile

3

Cenni Storici

La macchina di Stirling del 1816displacer fornace spazio caldo

spazio freddo

stantuffo di potenza

4

Il ciclo diretto di Stirling

Il teorema di Reitlinger1. 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 Tmin5


Ciclo IdealeCiclo di Stirling composto da: 1-2: compressione isoterma 2-3: trasformazione isocora rigenerativa 3-4: espansione isoterma 4-1: trasformazione isocora rigenerativaIl calore ceduto durante lisocora 4-1 viene utilizzato per compiere lisocora 2-3

6


Macchina Ideale di StirlingLa macchina ideale in grado di realizzare il ciclo di Stirling composta da: due stantuffi: impongono lopportuna legge di variazione dei volumi rigeneratore: accumula calore nellisocora 4-1 e lo restituisce nellisocora 2-3

scambiatore caldo: introduce il calore a alta T nel ciclo scambiatore freddo: rimuove il calore a bassa T dal ciclo

7


Legge di variazione dei volumi1-2 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


Confronto con il ciclo di CarnotIl ciclo Stirling ha: il medesimo rendimento del ciclo di Carnot unarea del ciclo pi grande: maggior lavoro specifico

9


Cause di irreversibilit nel ciclo realeCause di irreversibilit 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 lesterno o tra il lato caldo e freddo della macchina) Fughe di fluido verso lesterno

Scostamento delle pressioni dal valore ideale a causa delle perdite per attrito fluidodinamico

10


Cause di irreversibilit nel ciclo realeCause di irreversibilit tipiche della macchina di Stirling: 1. Cause di tipo termodinamico: Distribuzione del fluido tra i diversi volumi Irreversibilit 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

11


Cause di irreversibilit nel ciclo reale

Rigenerazione termica incompleta

Scambio termico non isotermo

Moto continuo del pistone

Presenza di fluido negli spazi morti

12


Cause di irreversibilit nel ciclo reale

13

Classificazione delle macchine di StirlingPur non esistendo dei criteri standardizzati di classificazione, una possibile classificazione si pu basare sui seguenti criteri: 1. Modalit di accoppiamento degli stantuffi2. Numero dei cicli in contemporanea esecuzione 3. Numero degli effetti sugli stantuffi

4. Numero dei cilindri nei quali si realizza il ciclo5. Tipo di fluido operante e numero delle sue fasi

14

Classificazione delle macchine di Stirling

Modalit di accoppiamento degli stantuffi1. 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 determinata dalle pressioni agenti istantaneamente su di essi e dalle forze di inerzia stantuffi liberi e accoppiamento ibrido

15

Modalit di accoppiamento degli stantuffi

Stantuffi non risonantiDispacer

Stantuffo di potenza

Guida rombica (Meijer)

Manovella e bilanciere (Clarke)

Swash - plate

16

Modalit di accoppiamento degli stantuffi

Stantuffi non risonanti

17


Stantuffi risonanti

Stantuffi liberi Accoppiamento ibrido 18


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


Numero dei cilindriTre 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 diviso su pi cilindri

20


Configurazione tipo -

21

Applicazione del motore StirlingVantaggi: Elevato rendimento termodinamico Policombustibilit Limitate emissioni inquinanti Limitato disturbo acustico Reversibilit di funzionamento Possibilit 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 affidabilit

22

Applicazione al solare termodinamico

23

Applicazione al solare termodinamico

Descrizione dei sistemi Solar Dish EnginePrincipali 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 lenergia 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

25


Motori StirlingSOLO V 161: potenza: 11 kWe configurazione tipo - inizialmente sviluppato per la cogenerazioneScambiatore caldo (ricevitore) Rigeneratore

Scambiatore freddo (raffreddato ad acqua)

26


Motori StirlingUnited Stirling 4-95: potenza: 52 kW n cilindri: 4 vol. unit. spazzato: 95 cc configurazione tipo - pressione fluido fino a 150 bar fino a 4000 rpm Realizzati diversi livelli di potenza per applicazioni differenti: autotrazione, sottomarine, solare

27


Motori StirlingSTM 4-120: potenza: 25 kW n cilindri: 4 configurazione tipo swash - plate 1850 rpm rendimento: 45% regolazione mediante variazione dellinclinazione swash-plate

28

Applicazione alle biomasseBiomasse: 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: policombustibilit abbattimento delle emissioni inquinanti grazie alla possibilit di impiegare i tempi di residenza opportuni durante la combustione.

29

Applicazione alle biomasse

Configurazione dell impiantoutenza termica (cogenerazione) Motore Stirling + alternatore

preriscaldatore aria

Scambiatore caldo Stirling

Fornace

30

Applicazione alle biomasse

Motore StirlingEsempio di motore Stirling per biomasse (sperimentazione Technical University of Denmark): Potenza elettrica nominale: 75 kWe n cilindri: 8

Fluido di lavoro: Pressione

elio4,5 MPa

Velocit di rotazione Peso del motore

1000 RPM

Accoppiamento diretto alla rete elettrica 3500 kg

31

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 pu risultare non decisivo) assenza di limitazioni sui combustibili

32

Applicazione a impianti cogenerativi

Motore Stirling SOLO V161

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

33

Applicazione a impianti cogenerativi

Motore Stirling SOLO V161

Bruciatore con preriscaldatore daria raffredda i gas combusti fino a 200-300C. Regolazione del carico variando la pressione dellelio nel range: 35 -150 bar. 34

Applicazione allautotrazione

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

35


Il cinematismo swash-plate

36


Il cinematismo swash-plateVantaggi del cinematismo swash-plate rispetto alla guida rombica:

minori problemi di lubrificazione e maggiore silenziosit

maggiore stabilit facilit di bilanciamento possibilit di montare fino a quattro pistoni su un solo disco

37


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

38


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

39


Il motore 4-215DA per la Ford TorinoCaratteristiche tecniche: gas di lavoro: idrogeno n cilindri: 4 alesaggio: 73 mm corsa: 52 mm pressione media: 185 bar velocit di rotazione: 600-4500 rpm Pmax=127kW @4000 rpm Cmax=428Nm @1350 rpm Tmax = 750C Tmin = 64C regolazione del carico agendo sulla pressione del fluido

40


Il motore 4-215DA per la Ford Torinocilindricombustore

swash-plate

41


Il motore 4-215DA per la Ford Torinoscambiatori caldi

42


Il motore 4-215DA per la Ford Torino

Consumo motore 4-215DA

Consumo motore Ford standard

43


Il motore 4-215DA per la Ford Torino

Emissioni: HC: 0.006 g/km CO: 1.18 g/km NOx: 0.19 g/km Rumorosit: 70 dB

Limiti emissioni EURO III (Otto - ciclo ECE): HC: 0.2 g/km CO: 2.3 g/km NOx: 0.15 g/km

44

Conclusioni La diffusione commerciale del motore Stirling molto limitata.

I principali pregi del motore Stirling sono: lelevato rendimento, la policombustibilit, 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 pu ipotizzare un certo sviluppo nel futuro. In altre applicazioni, come la propulsione termica nel settore automotive, lelevato sviluppo del motore a combustione interna rende il motore Stirling non competitivo.

45

Documents

Stirling Engine