Il motore ad aria calda di Stirling o più semplicemente motore Stirling è un motore a combustione esterna del tipo motore a movimento alternativo, inventato da Robert Stirling nel 1816. Il funzionamento è descritto dal ciclo Stirling ed è un'evoluzione dei motori ad aria calda usati in Inghilterra durante la prima rivoluzione industriale, e l'invenzione di Stirling fu l'adozione di un recuperatore di calore, dispositivo che consentì di migliorare il rendimento del motore.
Evoluzione storica All'inizio del 1800, il motore ad aria calda competeva con il motore a vapore per fornire energia meccanica ai macchinari industriali (in opifici e miniere) della prima rivoluzione industriale. Benché i motori a vapore avessero caratteristiche migliori dei motori ad aria, erano più pericolosi. A causa della scarsa qualità dei materiali allora disponibili, le loro caldaie erano spesso causa di esplosioni.
Questo fatto consentì, in una prima fase, il successo del motore Stirling nelle applicazioni produttive, anche se migliorie, e la disponibilità di materiali più affidabili, resero i motori a vapore con il tempo più affidabili, e di conseguenza, il motore Stirling venne abbandonato.
Con lo sviluppo dell'elettronica, l'uso dei primi apparecchio radio e lo sviluppo dell'aviazione, nel 1950 si ebbe una seconda vita del motore Stirling. La Philips, industria olandese produttrice di apparecchi radio, realizzò il Philips MP1002CA (detto Bungalow Set), un piccolo generatore elettrico basato su un'unità Stirling a combustione di petrolio, che veniva usato per alimentare radio-trasmittenti e riceventi dislocate in postazioni remote, prive di alimentazione elettrica. Si trattava di un generatore con una potenza di circa 200 watt, per la cui realizzazione venne utilizzata tecnologia allora all'avanguardia, con uso anche di leghe leggere, ottenendo un buon compromesso tra praticità e costo. L'esigenza di generare elettricità con questa modalità era particolarmente sentita nel campo delle radio-trasmissioni (le radio erano allora dotati di valvole termoioniche dal consumo elevato), necessarie per collegare stabilmente i campi di aviazione della nascente rete aerea civile (in prima fase per il servizio postale), spesso posti in luoghi senza infrastrutture.
La Philips proseguì l'evoluzione dello "Stirling" fino alla metà degli anni 1970, realizzando anche un autobus con propulsore ad aria calda della potenza di 200 CV, presentato al Salone di Bruxelles nel gennaio del 1971.Giovanni Canestrini, Il salone di Bruxelles, l'Automobile n. 5/6 - gennaio 1971
Nel 1960 l'adozione del transistor nei circuiti elettronici rese sufficiente l'alimentazione con potenze elettriche limitate, ottenibili con semplici batterie di accumulatori di piccola dimensione, e questo causò un nuovo abbandono del motore Stirling.
Applicazioni del ciclo di Stirling, sviluppate attualmente con motori di diversa taglia, stanno ottenendo un discreto successo tecnico, e in qualche caso anche commerciale, in mercati di nicchia. Tra queste la più promettente sembra essere l'utilizzo del ciclo Stirling come generatore elettrico, abbinato a un campo di specchi solari a concentrazione.
Descrizione Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termovettore, solitamente aria o azoto, oppure, nelle versioni ad alto rendimento, elio o idrogeno. Quando è raggiunta una sufficiente differenza di temperatura tra il suo punto caldo e il punto freddo, si innesca una pulsazione ciclica (opportunamente avviata all'inizio), normalmente trasformata in moto alternato da pistoni. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.
La rigenerazione Un elemento innovatore di Stirling rispetto ai preesistenti motori ad aria calda è il rigeneratore. Si tratta di uno scambiatore di calore interposto nel flusso alternato del fluido tra punto caldo e punto freddo che, riducendo la quantità di calore scambiato con la sorgente a parità di lavoro prodotto, aumenta l'efficienza del ciclo.
Il rigeneratore consiste in un condotto parzialmente riempito di materiale con un'elevata superficie (per es. un sottile filo metallico) in cui catturare una parte significativa del calore contenuto nel gas caldo nella fase del ciclo in cui si sposta dal punto caldo verso il refrigeratore. Quando il gas refrigerato di ritorno attraversa il rigeneratore assorbe il calore precedentemente ceduto, ritornando al punto caldo preriscaldato. Il recupero di calore trattenuto dal rigeneratore aumenta l'efficienza del motore.
I più comuni materiali per lo scambio termico sono: lamine o lane metalliche sottili e "garze" metalliche impilate; i materiali usati sono di norma metalli chimicamente stabili e resistenti al calore, quali acciaio inossidabile, nichel o sue leghe.
Varianti Nel motore di Stirling si realizza un'oscillazione ciclica nella pressione del fluido confinato che un adeguato dispositivo può trasformare in energia meccanica. Esistono molte varianti dell'idea originale del motore Stirling, come ad esempio il motore Stirling-Ringbom, in cui il dislocatore si muove trascinato dal fluido senza essere rigidamente connesso al pistone di lavoro. In un'altra variante del motore Stirling, senza parti meccaniche in movimento, s'innesca una fluttuazione spontanea del fluido alimentata dalla differenza di temperatura fra punto caldo e punto freddo ottenendo un motore termoacustico. Le oscillazioni del fluido possono essere trasferite a un generatore elettrico lineare, oppure a piastre piezoelettriche. Un vantaggio di tale tipo di motore è l'estrema semplificazione meccanica e strutturale.
Il ciclo di Stirling è reversibile: fornendo energia meccanica si può trasferire calore da una superficie fredda a una calda realizzando una pompa di calore, si ha la macchina frigorifera Stirling. Svantaggi e vantaggi Vantaggi Il motore Stirling è a combustione esterna, il che significa che il calore viene trasmesso al fluido di lavoro attraverso uno scambiatore; l'assenza di contatto diretto fra la miscela dei gas combusti e tutte le parti meccaniche in movimento ne riduce l'usura, la necessità di lubrificazione e la conseguente manutenzione.
Il motore inoltre non ha valvole e non subisce scoppi, quindi è costruttivamente più semplice, con vibrazioni più facilmente controllabili e molto meno rumoroso di un motore a combustione interna.
La somministrazione del calore per combustione può avvenire in maniera continua e uniforme, con rapporto stechiometrico aria-combustibile ottimale e conseguenti vantaggi di economia e di combustione completa.
Il motore può essere alimentato con una qualsiasi fonte di calore, per esempio mediante la combustione di legna, carbone, gas, biogas, combustibili liquidi, e anche energia solare, energia nucleare: esistono esempi commerciali che fanno uso di alcune delle fonti citate.
Svantaggi o senza l'uso di lubrificanti convenzionali.
Utilizzi moderni Il motore Stirling, per il suo ingombro, e per la sua inerzia all'avvio e alla variazione di regime, per la costrizione di funzionamento a un unico regime, non è adatto a usi diversi dall'erogazione continua e uniforme di lavoro e calore. Non è quindi adatto direttamente per l'autotrazione.
Essendo voluminoso e pesante, il motore Stirling è adatto alla generazione in postazione fissa per potenze dai 5 ai 100 kW intervallo di consumo adatto a un'utenza domestica o per piccole comunità, insieme di più famiglie o un piccolo condominio. Al di fuori di tali valori, altri tipi di generazione sono maggiormente convenienti: ciclo Otto (motori a benzina), ciclo Rankine, e derivati (turbine a vapore), ciclo Brayton-Joule (turbina a gas), e ciclo Diesel (motore a gasolio). In particolare, l'adozione di materiali e tecniche costruttive sofisticate e la miniaturizzazione delle parti con tecnologie consolidate hanno reso la turbina a gas ottimale.
La convenienza del motore Stirling è legata alla possibilità di utilizzare, oltre che l'energia elettrica generata, "cascami termici" prodotti - in valore di circa il triplo o il quadruplo del valore della potenza elettrica - a uso riscaldamento, anche la possibilità di usare combustibili o sorgenti di calore a disposizione localmente e altrimenti non utilizzabili quali gas effluenti di scarico caldi, combustione di legna, carbone, biogas, e inoltre energia solare.
Sommergibili Utilizzi tecnici di media potenza si sono avuti con moduli produttivi per mantenere su tempi lunghi il livello di accumulo dell'energia elettrica nei sommergibili militari svedesi a propulsione convenzionale della Classe Västergötlandhttp://www.kockums.se/sv/produkter-tjanster/marin-teknik/ Il sistema Stirling sul sito del produttore Kockums: 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 a usi di propulsione e di altro tipo, 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 negativo; inoltre è un ulteriore vantaggio la disponibilità dell'acqua quale refrigerante.
Tecnologie per il mondo sviluppato, per il terzo mondo, e per alte tecnologie La sorgente di calore può essere di qualsiasi natura, il che rende il motore Stirling utilizzabile in un gran numero di contesti.
Mentre appaiono evidenti i vantaggi di utilizzare, nei paesi maggiormente sviluppati, combustibili ottenuti da gassificatori (tecnologia attualmente matura) e biogas, con filiere di materiali ampiamente disponibili e a oggi spesso non utilizzati, per il terzo mondo appare di enorme importanza avere comunque anche solo una modesta forza motrice (per trebbiare, per pompare acqua, ecc.), quando i prodotti che alimentano il motore possono essere la combustione di materiali eterogenei disponibili in loco come pula di riso o di altri cereali trebbiati, sterco di bovini seccato, paglia, torba, sterpi, segatura di legno o cippato. Tali combustibili svincolano completamente la tecnologia dai combustibili fossili convenzionali.
Sono numerosissimi i dispositivi di riscaldamento domestico e industriale di piccola, media o grande taglia che producono calore come prodotto di scarto, tipicamente sotto forma di gas di scarico con temperature dai 100 ai 500 °C. L'energia sotto forma di calore contenuta in tali gas può essere almeno in parte recuperata da uno scambiatore e generatori Stirling. Con macchinari Stirling di maggiore mole, ma tecnologicamente più economici, è possibile valutare la praticabilità del recupero energetico anche di effluenti a temperature inferiori.
È stata proposta l'applicazione di motori Stirling alla generazione elettrica ottenuta da calore di una centrale nucleare. Il raffreddamento del nocciolo del reattore nucleare a fissione è previsto, in alcune sistemi nucleari, che sia ottenuto con circolazione di sodio liquido, che ha un elevato contenuto energetico, ma con radioattività per induzione, e inoltre incendiario, esplosivo e aggressivo in caso di accidentale contatto con aria atmosferica (umida) o con l'acqua. La pericolosità intrinseca ha portato all'abbandono di tale filiera, preferendo il raffreddamento del nocciolo radioattivo con acqua, gas, o acqua pesante. L'adozione di motore Stirling ad aria o a gas secchi in luogo di motori a vapore d'acqua, turbina a vapore, eviterebbe almeno il rischio dell'accidentale contatto tra sodio e acqua negli scambiatori di calore.
Utilizzi avanzatissimi della tecnologia del motore termoacustico Stirling sono stati realizzati dalla NASA allo scopo di fornire energia elettrica a satelliti nello spazio profondo in carenza di radiazione solare, in tal caso la sorgente di calore è l'emissione termica di radioisotopi, il punto freddo è semplicemente lo spazio.