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Stirling, Robert

Inventore scozzese (Perthshire 1790-Galston 1878). Pastore presbiteriano di Kilmarnock (Scozia), nel 1816 brevettò un motore termico ad aria calda, basato sul ciclo termodinamico da lui concepito nel 1827 e al quale è rimasto legato il suo nome.

Motore Stirling

Motore alternativo a combustione esterna detto anche ad aria calda, basato sul ciclo Stirling, allo studio soprattutto nei Paesi Bassi e in Svezia. L'interesse per i motori a ciclo Stirling è determinato dalla possibilità di ridurre i composti inquinanti, grazie alla combustione esterna e continua del carburante, e di utilizzare combustibili meno costosi della benzina. Il ciclo termodinamico su cui si basa il funzionamento del motore è composto da due isoterme e due isovolumiche; rispetto al ciclo Carnot, fornisce maggior lavoro meccanico, ma anche più calore per cui, in un motore, questo deve essere scambiato con un rigeneratore, cioè una sorgente intermedia opportuna. In pratica il rigeneratore è costituito da un ambiente a elevata capacità termica (pieno di una massa porosa di ferro o di rame) in cui la temperatura varia con continuità da un valore T₁a T₂con T₁>T₂. In un motore Stirling devono essere presenti, quindi, il rigeneratore, una caldaia T₁, che può essere alimentata con qualunque tipo di combustibile e un refrigeratore T₂, raffreddato ad acqua o ad aria. Vi sono poi due coppie formate da cilindri e stantuffi che comunicano tra loro e sono mosse da un unico cinematismo: uno dei due stantuffi (stantuffo D) provvede a far passare il fluido nel rigeneratore, l'altro è lo stantuffo motore (M). Nel ciclo Stirling reale le isoterme corrispondono alle fasi di compressione e di espansione del fluido motore, a partire dai due stantuffi liberi, con D al proprio punto morto inferiore (PMI) e M al proprio punto morto superiore (PMS); nella camera A il gas ha temperatura T₂. Nella fase 1 lo stantuffo M è al suo PMS, mentre D passa al suo PMS, con le sorgenti disinserite; il fluido motore viene spinto attraverso il rigeneratore e passerà nella camera B alla temperatura T₁; avrà compiuto in tal modo la trasformazione 4-1. Nella fase 2, con D fermo al PMS il gas si espande trasmettendo a M la sua pressione e portandolo al PMI: l'espansione è rappresentata dall'isoterma 1-2, infatti il gas, pur espandendosi, non si raffredda in quanto viene inserita la sorgente T₁ che gli somministra calore. Nella fase 3, con M fermo al PMI, D ridiscende fino a giungere al suo PMI, con sorgenti disinserite; si realizza la fase 2-3 e il fluido si porta nella camera A e alla temperatura T₁. Nella fase 4, M risale comprimendo il fluido, che non aumenta di temperatura perché il suo calore è sottratto dal refrigeratore che viene posto in funzione; si compie così la fase isotermica 3-4. Perché si attui il sincronismo descritto, D e M debbono essere legati da uno stesso cinematismo; possono essere disposti a V oppure contrapposti, con due alberi ingranantisi con corone, controrotanti, e cinematismo a rombo, ma vi sono anche esempi di quattro cilindri in linea. Nel ciclo descritto i movimenti degli stantuffi non sono discontinui e ciò provoca una notevole diversità tra ciclo ideale e ciclo reale, che assume la forma rappresentata in figura; il rendimento globale di un motore Stirling è comunque elevato (ca. 0,40). La sua caratteristica è quella di poter mantenere costantemente alla massima temperatura la parte del cilindro dove il gas è riscaldato e compresso (camera calda) e, contemporaneamente, di far restare a bassa temperatura l'altra parte del motore (camera fredda). La possibilità di utilizzazione pratica del motore è legata, comunque, alla capacità di ridurre i tempi di scambio termico (qualche centesimo di secondo), all'aumento del salto di pressione (150 atm) e del numero di giri (3000-3500). Il fluido motore è spesso idrogeno, preferito per la sua bassa densità, la buona conducibilità termica e la mancanza di pericolo di ossidazione del lubrificante; di contro, ciò pone gravi problemi di tenuta per evitare fughe, assai pericolose data l'elevata infiammabilità di questo gas. La potenza fornita è regolata facendo variare sia la massa del fluido, sia il valore di T₂; i consumi, con carburanti a 10.000 kcal/kg di potere calorifico, si sono potuti portare a limiti di addirittura 165 g/CVh, di gran lunga inferiore rispetto ad altri tipi di motore. Altri vantaggi sono la regolarità di coppia, la maggiore silenziosità (una volta superato il problema del raffreddamento, spesso realizzato con rumorosi elettroventilatori), l'impiego di carburanti a basso costo, minor presenza di vibrazioni, minimo consumo di lubrificante, che non va mai a contatto con la camera di combustione. Le elevate potenzialità del motore Stirling sono state riconosciute dalle maggiori case automobilistiche che, all'inizio del primo decennio del sec. XXI, lo hanno posto al centro delle loro ricerche sullo sviluppo di motori a idrogeno.