Il ciclo di Stirling

Lo Stirling è un motore a combustione esterna, e funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio nelle versioni ad alto rendimento). Il ciclo di funzionamento prevede il movimento dei pistoni in seguito all’espansione e alla compressione del gas che scorre alternativamente da un ambiente regolato da un termostato caldo ad uno con termostato freddo dopo essere passato da un rigeneratore di calore. Lo scambiatore caldo rappresenta la sorgente ad alta temperatura del ciclo che essendo esterna è svincolata dalla macchina e può quindi essere di qualsiasi tipo. Il rigeneratore assorbe e restituisce alternativamente calore al fluido di lavoro. Lo scambiatore freddo che costituisce la sorgente a bassa temperatura, è uno scambiatore a flusso incrociato a fascio tubiero in cui i tubi sono lambiti esternamente dall’acqua di raffreddamento, mentre all’interno dei tubi fluisce il fluido di lavoro. Il moto del fluido che evoluisce è regolato non dalla presenza di valvole, bensì dalle variazioni dei volumi relativi che compongono lo spazio di lavoro offerto al fluido stesso e queste variazioni vengono prodotte
dal moto degli stantuffi. La versione semplificata più usata vede i due ambienti disposti a V con uno sfasamento dei pistoni collegati all’albero motore di 90 gradi (Figura 2).
In funzione delle posizioni assunte dagli stantuffi si individuano quattro fasi:
1. Il fluido caldo nel cilindro verticale, che rappresenta l’ambiente ad alta temperatura, dopo aver attraversato il rigeneratore, viene trasferito al cilindro orizzontale che è raffreddato con un ciclo ad acqua.

2. A questo punto il gas freddo si contrae e viene compresso, con un lavoro Lc.

3. Il movimento fa espandere il gas nel cilindro verticale. Per effetto del riscaldamento sia del rigeneratore che della superficie con temperatura regolata dalla combustione esterna, il fluido subisce un’espansione con conseguente produzione di lavoro Le.

4. Il collegamento del pistone verticale all’albero motore induce un movimento di espansione del cilindro orizzontale che richiama il gas caldo e riparte il ciclo dalla fase 1. a somma del lavoro ottenuto durante la fase di espansione del gas caldo e di espansione successiva, è maggiore del lavoro di compressione e delle perdite di energia dovute all’attrito.