Hva er en Stirling-motor? Hvordan fungerer Stirling-motoren? Hvordan ble Stirling-motoren oppdaget? På hvilke områder brukes det? Hvordan omdannes varmeenergi til bevegelsesenergi? Detaljer om Stirling-motorer er i vår artikkel.

Hva er Stirling Engine?

En Stirling-motor er en maskin som konverterer energien som genereres ved ekstern oppvarming av et lukket kammer til mekanisk energi. Også kjent som en varmluftsmotor. Når den oppvarmede luften utvider seg og komprimeres, begynner motoren å bevege seg. Den ble oppfunnet i 1816 av den skotske presten, ærbødig Robert Stirling. Motoren ble utviklet av broren hans, James Stirling. På oppfinnernes tid ble det brukt dampdrevne maskiner og de var ganske farlige. De forsøkte å finne et mer pålitelig alternativ. Det de ønsket var å konvertere varmeenergi direkte til bevegelsesenergi.

Hva er det i Stirling-motoren?

Kraftstempel (forskyver): Den tjener til å flytte gassen i det lukkede kammeret. Den brukes vanligvis i beta- og alfa-motorer.
Stempel: Det hjelper å konvertere varmeenergi til mekanisk energi ved å bevege seg i sylindrene i motoren.
Svinghjul: Det er strukturen som stemplene er festet til. Oppgaven til denne strukturen er å overføre den genererte mekaniske energien til de bevegelige delene.
Kjøler: Det hjelper å kjøle ned gassen i det lukkede kammeret. Det hjelper motoren å brukes over lengre perioder.
Varmeapparat: Det er den viktigste delen av motoren. Den brukes til å varme opp gassen i det lukkede kammeret for å konvertere varmeenergien til bevegelsesenergi.

I tillegg kan den i enkelte motortyper brukes i andre komponenter enn disse. Dette er helt opp til utviklernes skjønn.

Arbeidsprinsipp for Stirling Engine

En Stirling-motor fungerer ved gjentatt oppvarming og avkjøling av en isolert mengde arbeidsgass (vanligvis luft eller gasser som helium, hydrogen).

Gassen viser oppførsel definert av gasslovene (i forhold til trykk, temperatur og volum). Når gassen varmes opp, fordi den befinner seg i et isolert rom, stiger trykket og påvirker kraftstempelet, og produserer et kraftslag. Når gassen avkjøles, synker trykket og som et resultat bruker stempelet noe av arbeidet som er gjort på returslaget for å komprimere gassen på nytt. Det resulterende nettverket skaper kraft på spindelen. Arbeidsgassen strømmer periodisk mellom varme og kalde varmevekslere. Arbeidsgassen er forseglet inne i stempelsylindrene. Så det er ingen eksos her. I motsetning til andre typer stempelmotorer er det ikke nødvendig med ventiler.

Noen Stirling-motorer bruker et splitterstempel for å flytte arbeidsgassen frem og tilbake mellom kalde og varme tanker. Arbeidsgassen beveger seg ved å holde sylindrene ved forskjellige temperaturer, takket være sammenkoblingen av kraftstemplene til de flere sylindrene.

I ekte Stirling-motorer er det plassert en regenerator mellom tankene. Denne varmen overføres fra regeneratoren når gasssyklusen oppstår mellom den varme og kalde siden. I noen design er separatorstempelet selve regeneratoren. Denne regeneratoren bidrar til effektiviteten til Stirling-syklusen. Strukturen som her refereres til som regeneratoren er faktisk en solid struktur som ikke vil hindre noe luft i å passere gjennom den. For eksempel kan stålkuler brukes til denne jobben. Når luften beveger seg mellom et kaldt rom og et varmt rom, passerer den gjennom denne regeneratoren. Før den varme luften når den kalde delen, etterlater den litt varmeenergi på disse kulene. Når den kalde luften går over til den varme siden, varmes den opp litt med varmeenergien som ble frigjort før. Det øker med andre ord motorens effektivitet ved å forvarme luften før den går inn i den varme delen og forkjøle før den går inn i den kalde delen.

En ideell Stirling-motorsyklus har samme teoretiske effektivitet som en Carnot-varmemotor for samme innløps- og utløpstemperaturer. Dens termodynamiske effektivitet er høyere enn dampmaskiner. (eller noen enkle forbrennings- og dieselmotorer)

Enhver varmekilde kan drive Stirling-motoren. Ekstern forbrenningsmotor, forbrenning i uttrykket blir ofte misforstått. Varmekilden kan genereres ved forbrenning, men kan også være solenergi, geotermisk energi eller kjernekraft. På samme måte kan kuldekilden som brukes til å skape en temperaturforskjell være forskjellige materialer under omgivelsestemperaturen. Avkjøling kan oppnås ved bruk av kaldt vann eller kjølemiddel. Men siden temperaturforskjellen som skal hentes fra den kalde kilden vil være lav, vil det kreve arbeid med større masser, og krafttapet som vil oppstå i pumpingen vil redusere effektiviteten til syklusen Forbrenningsprodukter kommer ikke i kontakt med de indre delene av motoren. Smøreoljens levetid i Stirling-motorer er lengre enn i forbrenningsmotorer.

Stirling motortyper

Det er 3 hovedtyper av stirlingmotorer. Andre motortyper er forbedrede versjoner av 3 motorer.

Alfa type stirlingmotor:

Den består av to stempler, et svinghjul, et lukket gasskammer med stemplene, varmevekslere, en varmegenerator og et svinghjul. Det er rettet mot å aktivere gassen i den ved å varme opp området til stempelet som er plassert på toppen med en varmekilde. Den oppvarmede gassen begynner å skyve stempelet frem og tilbake, det andre tilkoblede stempelet begynner å bevege seg, slik at den varme og kalde gassen fortrenges i kammeret. Energien som genereres overføres ved hjelp av svinghjulet som disse to stemplene er koblet til.

Beta type stirling motor:

Det er 2 stempler på samme aksel. Disse to stemplene er koblet til hverandre. Ved å varme opp kammeret med stempelet i bunnen, varmes og aktiveres gassen i det lukkede kammeret. På denne måten starter stemplet sin bevegelse oppover. Det andre tilkoblede stempelet hjelper også den kalde gassen med å bevege seg i kammeret. Svinghjulet, som stemplene er festet til, overfører den genererte energien.

Gamma type stirlingmotor:

Det er to separate stempler. Kammeret med det større stempelet varmes opp og gassen i det aktiveres. På denne måten begynner stemplene som er koblet til hverandre med svinghjulet å bevege seg.

Fordeler med Stirling-motorer

Siden varmen tilføres eksternt, kan vi nøyaktig kontrollere drivstoff- og luftblandingen.
Siden en kontinuerlig varmekilde brukes til å gi varme, er mengden uforbrent drivstoff svært liten.
Denne motortypen krever mindre vedlikehold og smøring enn motortyper på effektnivået.
De er ganske enkle i struktur sammenlignet med forbrenningsmotorer.
De kan fungere selv ved lavt trykk, de er sikrere enn dampkildemaskiner.
Lavt trykk tillater bruk av lettere og mer holdbare sylindre.

Ulemper med Stirling-motorer

Kostnaden er høy med tanke på drivstofføkonomi, da nødvendig varme kreves ved første start av motoren.
Det er ganske vanskelig å ta makten hans til et annet nivå.
Noen stirlingmotorer kan ikke starte raskt. De trenger nok varme.
Vanligvis brukes hydrogengass i et lukket kammer. Men når molekylene til denne gassen er ganske små, er det vanskelig å holde den i kammeret. Derfor står vi overfor ekstra kostnader.
Den kjøligere delen må absorbere nok varme. Hvis det blir for mye varmetap, vil effektiviteten til motoren reduseres.

Bruksområder for Stirling-motorer

Stirling-motorer brukes i laveffekts luftfartsmotorer, marinemotorer, varmepumper, kombinerte varme- og kraftsystemer. I dag brukes det mest til å generere elektrisitet i solcellefelt.

Hva er Stirling Engine? Hvordan fungerer en stirlingmotor?