Il motore Stirling è una evoluzione dei motori ad aria calda che erano usati in Inghilterra durante la prima rivoluzione industriale.
In particolare, l´invenzione di Stirling riguardò l´adozione di un recuperatore di calore, dispositivo che consentì di migliorare notevolmente il rendimento del motore.
Il motore ad aria calda di Stirling è un motore a combustione esterna, inventato da Robert Stirling nel 1816. Il funzionamento del motore è descritto dal ciclo Stirling.
Il ciclo Stirling è un ciclo termodinamico che descrive il funzionamento dell´originale motore Stirling che fu inventato e brevettato nel 1816 dal reverendo Robert Stirling aiutato dal fratello ingegnere.
Una specifica categorizzazione del motore lo definisce "a combustione esterna" distinguendolo quindi da quelli "a combustione interna" (ciclo Otto o Diesel).
Il ciclo è reversibile, intendendo con ciò che può essere realizzato da generatori, in cui applicando calore ed una sorgente fredda si può ottenere energia meccanica, oppure può funzionare come pompa di calore, cioè applicando energia meccanica ottenere caldo o freddo in postazioni distinte, con effetti di riscaldamento o di refrigerazione.
Il Ciclo Stirling è un ciclo chiuso, cioè il fluido che realizza il ciclo è contenuto permanentemente nell´apparato che realizza il ciclo, e non è scambiato con l´esterno. Solitamente questo fluido è aria, Azoto, Elio o Idrogeno
Il ciclo è analogo a diversi altri cicli, ed è composto sostanzialmente da quattro fasi:
1.compressione,
2.erogazione di calore al fluido
3.espansione del fluido
4.rimozione del calore dal fluido.
Quando è raggiunta un´opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo, si innesca una pulsazione ciclica (opportunamente avviata all´inizio), normalmente trasformata in moto alternato dei pistoni.
La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.
Il criterio innovatore dell´invenzione di Stirling del 1816 rispetto ai preesistenti motori ad aria calda è il rigeneratore, che ha reso possibile un utilizzo ragionevole del motore incrementando il rendimento.
Si tratta di un accumulatore di calore, detto rigeneratore, interposto tra punto caldo e punto freddo.
Il rigeneratore è costituito da una piccola massa di materiale, conduttrice di calore, con una elevata superficie di scambio, così che possa catturare parte significativa del calore, ed in virtù della piccola massa aumentare rapidamente di temperatura la temperatura del fluido.
Quando il gas refrigerato di ritorno riattraversa il rigeneratore, questo cede il calore precedentemente accumulato, al gas, ed abbassa in ugual modo la sua temperatura; il gas ritorna così al punto caldo già preriscaldato: il motore, riducendo il calore sottratto dalla refrigerazione, ha un rendimento drasticamente superiore.
I rigeneratori possono essere costituiti da lamine sottili, lane metalliche o "garze" metalliche costituite da fili molto sottili; i materiali usati sono di norma metalli inossidabili e resistenti al calore.
Il motore Stirling è a combustione esterna, il che significa che le parti maggiormente riscaldate dal calore (che può essere prodotto da combustione) non sono a contatto con le parti scorrenti o rotanti (cuscinetti e pistoni); di conseguenza, vi è una minore sollecitazione e questo si traduce in minori esigenze di manutenzione.
Il motore inoltre non ha valvole e non subisce scoppi, quindi è costruttivamente più semplice, quasi privo di vibrazioni e, soprattutto, molto meno rumoroso di un motore a combustione interna. L´assenza di scoppi e la deposizione graduata della spinta nonchè l´avviamento lento, riducono anch´esse la necessità di lubrificazione e manutenzione.
La somministrazione del calore per il funzionamento è continua, cosicchè nel caso in cui il calore sia prodotto mediante combustione, questa può quindi essere regolata e fissata per ottenere la migliore combustione possibile.
Il motore può funzionare mediante una qualsiasi somministrazione di calore, ottenenuta mediante la combustione di combustibili solidi o liquidi, ma anche da calore solare concentrato.
Pur essendo definito tradizionalmente "motore ad aria calda" (il fluido di lavoro di solito è l´aria), l´uso dell´aria pone un grave problema: mescolare in pressione all´interno del motore aria e liquidi lubrificanti derivati di idrocarburi può produrre miscele esplosive.
Il problema è stato risolto preferendo l´utilizzo di gas come idrogeno, elio o azoto, che risultano più sicuri, ma meno comuni e molto più costosi.
Si sono anche realizzati motori in grado di funzionare senza l´uso di lubrificanti convenzionali, usando materiali di alta tecnologia, che però ancora una volta risultano molto costosi.
Il motore Stirling, per il suo ingombro, la sua inerzia all´avvio ed alla variazione di regime, non è adatto per l´autotrazione.
La convenienza del motore Stirling è soprattutto legata alla possibilità generare energia elettrica recuperando del calore "di scarto" prodotto da un qualsiasi ciclo produttivo.
Una Curiosità
Uno delle ultime frontiere per l´utilizzo del motore Stirling è sui sommergibili
Unità di media potenza sono state montate nei sommergibili militari Svedesi a propulsione convenzionale della Classe Västergötland.
La produzione di calore con combustione in ambiente controllato (usando in immersione come comburente scorte di ossigeno liquido) permette la continua erogazione di energia elettrica per la propulsione, consentendo di prolungare l´autonomia delle immersioni profonde da poche ore a diverse settimane.
È evidente che in queste applicazioni il peso del motore non è fattore del tutto negativo; inoltre è un ulteriore vantaggio la disponibilità dell´acqua quale refrigerante.
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