Stirling motoru - Stirling engine

Stirling motoru

Bir Stirling motoru , farklı sıcaklıklarda havanın veya diğer gazın ( çalışma sıvısı ) döngüsel olarak sıkıştırılması ve genleşmesiyle çalıştırılan ve ısı enerjisinin mekanik işe net dönüşümüyle sonuçlanan bir ısı motorudur . Daha spesifik olarak, Stirling motoru, kalıcı bir gaz halinde çalışma sıvısına sahip kapalı çevrim rejeneratif bir ısı motorudur . Kapalı çevrim , bu bağlamda, çalışma akışkanının sistem içinde kalıcı olarak bulunduğu bir termodinamik sistem anlamına gelir ve rejeneratif , belirli bir tip dahili ısı eşanjörünün kullanımını tanımlar.ve rejeneratör olarak bilinen termal depo . Kesin konuşmak gerekirse, bir Stirling motorunu diğer kapalı çevrim sıcak hava motorlarından ayıran şey, rejeneratörün dahil edilmesidir .

İlk olarak 1816'da Robert Stirling tarafından buhar motoruna rakip olacak bir endüstriyel ana taşıyıcı olarak tasarlanan bu makinenin pratik kullanımı, bir yüzyıldan fazla bir süredir büyük ölçüde düşük güçlü ev içi uygulamalarla sınırlıydı. Ancak yenilenebilir enerjiye , özellikle güneş enerjisine yapılan çağdaş yatırımlar , konsantre güneş enerjisinin verimliliğini artırdı .

Tarih

Robert Stirling'in daha sonra Stirling Engine olarak bilinecek olan hava motoru tasarımının 1816 patent başvurusundan örnek

Erken sıcak hava motorları

Robert Stirling , 1699'da ilk çalışan sıcak hava motorunu üretmeyi başaran önceki bazı öncüllere (özellikle Guillaume Amontons) rağmen, sıcak hava motorlarının babalarından biri olarak kabul edilir .

Stirling'i daha sonra Cayley izledi. Bu motor tipi, yangının kapatıldığı ve yanmayı sürdürmek için yeterli miktarda ızgaranın altına pompalanan hava ile beslenirken, havanın açık ara en büyük kısmı ısıtılmak ve genleşmek için ateşin üzerine girer; bütün, yanma ürünleriyle birlikte, daha sonra pistona etki eder ve çalışma silindirinden geçer; ve işlem sadece basit bir karışım olduğundan, metalin ısıtma yüzeyine gerek yoktur, ısıtılacak hava ateşle hemen temas ettirilir.

Stirling, 1816'da ilk hava motorunu buldu. Stirling Hava Motorunun prensibi , havanın fırına zorlandığı ve tükendiği Sir George Cayley'den (1807) farklıdır , oysa Stirling'in motorunda hava bir düzende çalışır. kapalı devre. Mucit, dikkatinin çoğunu ona adadı.

1818'de bir Ayrshire taş ocağında su pompalamak için yapılmış 2 beygir gücünde (1,5 kW) bir motor, dikkatsiz bir görevli ısıtıcının aşırı ısınmasına izin verene kadar bir süre çalışmaya devam etti. Bu deney mucitlere, elde edilebilecek düşük çalışma basıncı sayesinde motorun sadece o zamanlar için talep olmayan küçük güçlere uyarlanabileceğini kanıtladı.

Stirling 1816 patenti de rejeneratörün öncülü olan bir "Ekonomizer" hakkındaydı. Bu patentte (# 4081) "ekonomizer" teknolojisini ve bu teknolojinin kullanılabileceği çeşitli uygulamaları açıklamaktadır. Bunlardan sıcak hava motoru için yeni bir düzenleme geldi.

Stirling, 1827'de kardeşi James ile birlikte ikinci bir sıcak hava motorunun patentini aldı. Yer değiştiricilerin sıcak uçları makinenin altında kalacak şekilde tasarımı tersine çevirdiler ve içerideki havanın basıncını artırmak için bir basınçlı hava pompası eklediler. yaklaşık 20 standart atmosfer (2.000 kPa).

İki Stirling kardeşi kısa bir süre sonra (1828) 1829'da Parkinson & Crossley ve Arnott izledi.

Ericsson'un eklenmesi gereken bu öncüler, dünyaya sıcak hava motoru teknolojisini ve buhar motoruna göre muazzam avantajlarını getirdi. Her biri kendi özel teknolojisiyle geldi ve Stirling motoru ile Parkinson & Crossley motorları oldukça benzer olmasına rağmen, Robert Stirling rejeneratörü icat ederek kendini farklılaştırdı.

Parkinson ve Crosley, atmosferden daha yoğun hava kullanma ilkesini ortaya koydular ve böylece aynı pusulada daha büyük güce sahip bir motor elde ettiler. James Stirling, ünlü Dundee motorunu yaparken aynı fikri izledi.

1827 tarihli Stirling patenti, 1840 tarihli Stirling üçüncü patentinin temeliydi. 1827 patentindeki değişiklikler küçük ama önemliydi ve bu üçüncü patent Dundee motorunu doğurdu.

James Stirling, motorunu 1845'te İnşaat Mühendisleri Enstitüsü'ne sundu. Çeşitli modifikasyonlardan sonra verimli bir şekilde inşa edilen ve ısıtılan bu türden ilk motor, 30 santimetre (12 inç) çapında ve strok uzunluğunda bir silindire sahipti. 60 santimetre (2 ft) ve bir dakikada (40 rpm) 40 vuruş veya devir yaptı. Bu motor, sekiz veya on ay boyunca Dundee Foundry Company'nin işlerindeki tüm makineleri hareket ettirdi ve daha önce bir dakikada 320.000 kg (700.000 lbs) 60 cm (2 ft) kaldırma kapasitesine sahipti, yaklaşık 16 kilovat (21 beygir gücü) bir güç. ).

Bu gücü çalışmaları için yetersiz bulan Dundee Foundry Company, silindir çapı 40 santimetre (16 inç) olan, 1,2 metre (4 fit) stroklu ve dakikada 28 strok yapan ikinci motoru kurdu. Bu motor iki yıldan fazla bir süredir sürekli olarak çalıştırıldığında, sadece dökümhanenin işini en tatmin edici şekilde yapmakla kalmamış, aynı zamanda (üçüncü bir hareket ettirici üzerindeki bir sürtünme freni ile) neredeyse kaldırma derecesine kadar test edilmiştir. 687 ton (1.500.000 pound ), yaklaşık 34 kilowatt (45 beygir gücü) bir güç.

Bu, beygir gücü başına saatte 1,2 kilogram (2,7 pound) tüketim sağlar; ancak motor tam olarak yüklenmediğinde, tüketim saatte beygir gücü başına 1,1 kilogramın (2,5 pound) oldukça altındaydı. Bu performans, verimliliği yaklaşık %10 olan en iyi buhar motorları seviyesindeydi. James Stirling'den sonra, bu tür bir verimlilik ancak ekonomizörün (veya rejeneratörün) kullanılması sayesinde mümkün oldu.

Buluş ve erken gelişme

Stirling motoru (veya o zamanki adıyla Stirling'in hava motoru) 1816'da icat edildi ve patenti alındı. Daha önceki bir hava motoru yapma girişimlerini izledi , ancak muhtemelen ilk kez 1818'de Stirling tarafından inşa edilen bir motor olduğunda pratik kullanıma sunuldu. Stirling, bir taş ocağında su pompalamak için kullanıldı . Stirling'in orijinal patentinin ana konusu, çeşitli uygulamalarda yakıt ekonomisini geliştirdiği için " ekonomizer " olarak adlandırdığı bir ısı eşanjörüydü . Patent ayrıca, şu anda genel olarak bir " rejeneratör " olarak bilinen uygulamada , benzersiz kapalı çevrim hava motoru tasarımında ekonomizörün bir biçiminin kullanımını ayrıntılı olarak anlatmıştır . Robert Stirling ve bir mühendis olan kardeşi James tarafından daha sonra yapılan geliştirme , orijinal motorun basınçlandırma da dahil olmak üzere çeşitli geliştirilmiş konfigürasyonları için patentlerle sonuçlandı ve 1843'te tüm makineleri bir Dundee demir dökümhanesinde çalıştırmak için güç çıkışını yeterince arttırdı .

James Stirling'in Haziran 1845'te İnşaat Mühendisleri Enstitüsü'ne sunduğu bir makale , amaçlarının yalnızca yakıt tasarrufu yapmak olmadığını, aynı zamanda kazanları sık sık patlayan ve birçok yaralanma ve ölüme neden olan buhar makinelerine daha güvenli bir alternatif oluşturmak olduğunu belirtti. . Ancak bu tartışılmıştır.

Stirling motorlarının gücü ve verimliliği en üst düzeye çıkarmak için çok yüksek sıcaklıklarda çalışması ihtiyacı, günün malzemelerinde sınırlamalara maruz kaldı ve o ilk yıllarda inşa edilen birkaç motor, kabul edilemez sıklıkta arızalara maruz kaldı (her ne kadar kazan patlamalarından çok daha az feci sonuçlara sahip olsa da). ). Örneğin, dört yıl içinde üç sıcak silindir arızasından sonra Dundee dökümhane motorunun yerini bir buhar motoru aldı.

Daha sonra on dokuzuncu yüzyıl

Rider-Ericsson Engine Company tarafından tipik bir on dokuzuncu yüzyıl sonu/yirminci yüzyılın başı su pompalama motoru

Dundee dökümhane motorunun değiştirilmesinden sonra, Stirling kardeşlerin hava motoru geliştirme ile daha fazla ilgisi olduğuna dair hiçbir kayıt yoktur ve Stirling motoru, endüstriyel ölçekte bir güç kaynağı olarak bir daha asla buharla rekabet etmedi. (Buhar kazanları daha güvenli hale geliyordu, örneğin Hartford Buhar Kazanı ve buhar motorları daha verimli, böylece rakip ana taşıyıcılar için daha az hedef oluşturuyordu). Bununla birlikte, yaklaşık 1860'tan itibaren, kilise organları için hava pompalama veya su yükseltme gibi güvenilir düşük ila orta güç kaynaklarının gerekli olduğu uygulamalar için Stirling/sıcak hava tipinde daha küçük motorlar önemli sayıda üretildi. Bu daha küçük motorlar, mevcut malzemeleri vergilendirmemek için genellikle daha düşük sıcaklıklarda çalıştı ve bu nedenle nispeten verimsizdi. Satış noktaları, buharlı motorların aksine, yangını yönetebilecek herhangi biri tarafından güvenli bir şekilde çalıştırılabilmesiydi. 1906 Rider-Ericsson Engine Co. kataloğu, "herhangi bir bahçıvan veya sıradan bir ev sahibi bu motorları çalıştırabilir ve hiçbir lisanslı veya deneyimli mühendis gerekli değildir" iddiasında bulundu. Yüzyılın sonundan sonra birkaç tip üretimde kaldı, ancak birkaç küçük mekanik iyileştirme dışında Stirling motorunun tasarımı genel olarak bu dönemde durakladı.

20. yüzyıl canlanması

1951 Philips MP1002CA Stirling jeneratörü

20. yüzyılın başlarında, bir "yerli motor" olarak Stirling motorunun rolü yavaş yavaş elektrik motorları ve küçük içten yanmalı motorlar tarafından devralındı . 1930'ların sonunda, büyük ölçüde unutuldu, sadece oyuncaklar ve birkaç küçük havalandırma fanı için üretildi.

O zamanlar Philips , telsiz satışlarını, şebeke elektriğinin ve pillerin sürekli olarak mevcut olmadığı dünyanın bazı bölgelerine yaymak istiyordu. Philips yönetimi, düşük güçlü taşınabilir bir jeneratör sunmanın bu tür satışları kolaylaştıracağına karar verdi ve şirketin Eindhoven'daki araştırma laboratuvarında çalışan bir grup mühendisten bu amaca ulaşmanın alternatif yollarını değerlendirmelerini istedi . Çeşitli ana taşıyıcıların sistematik bir karşılaştırmasından sonra ekip, sessiz çalışmasını (hem duyulabilir hem de radyo paraziti açısından) ve çeşitli ısı kaynaklarıyla (ortak lamba yağı) çalışabilmesini gerekçe göstererek Stirling motorunu kullanmaya karar verdi. ucuz ve her yerde bulunabilir" – tercih edildi). Ayrıca, buharlı ve içten yanmalı motorların aksine, Stirling motorunda uzun yıllardır neredeyse hiçbir ciddi geliştirme çalışması yapılmadığının farkındaydılar ve modern malzemelerin ve teknik bilginin büyük iyileştirmeler sağlaması gerektiğini iddia ettiler.

1951 yılına gelindiğinde, MP1002CA ("Bungalov seti" olarak bilinir) olarak adlandırılan 180/200 W jeneratör seti üretime hazırdı ve 250'lik bir ilk parti planlandı, ancak kısa süre sonra bunların rekabetçi bir fiyata yapılamayacağı anlaşıldı. Ek olarak, transistörlü radyoların ortaya çıkışı ve çok daha düşük güç gereksinimleri, setin orijinal mantığının ortadan kalkması anlamına geliyordu. Bu setlerin yaklaşık 150'si sonunda üretildi. Bazıları dünya çapında üniversite ve kolej mühendislik bölümlerine girerek, nesiller boyu öğrencilere Stirling motoruna değerli bir giriş sağladı; Research and Control Instruments Ltd. London WC1'den North Devon Teknik Koleji'ne Mart 1961 tarihli ve "sizin gibi kurumlara... net 75 sterlinlik özel bir fiyatla... kalan hisse senetlerini" sunan bir mektup.

Bungalov setine paralel olarak, Philips çok çeşitli uygulamalar için deneysel Stirling motorları geliştirdi ve 1970'lerin sonlarına kadar sahada çalışmaya devam etti, ancak yalnızca "ters Stirling motoru" kriyocooler ile ticari başarı elde etti . Bununla birlikte, çok sayıda patent başvurusunda bulundular ve diğer şirketlere lisansladıkları ve modern çağdaki geliştirme çalışmalarının çoğunun temelini oluşturan çok sayıda bilgi topladılar.

1996'da İsveç donanması üç Gotland sınıfı denizaltıyı görevlendirdi . Yüzeyde, bu tekneler deniz dizel motorları tarafından tahrik edilir. Ancak, batık olduklarında, pilleri şarj etmek ve tahrik için elektrik gücü sağlamak için İsveçli gemi yapımcısı Kockums tarafından geliştirilen Stirling tahrikli bir jeneratör kullanıyorlar . Motora güç sağlamak için dizel yakıtın yanmasını desteklemek için bir sıvı oksijen kaynağı taşınır. Stirling motorları ayrıca İsveç Södermanland sınıfı denizaltılara , Singapur'da hizmet veren Archer sınıfı denizaltılara ve Kawasaki Heavy Industries tarafından Japon Sōryū sınıfı denizaltılar için lisanslı olarak inşa edilmiştir . Bir denizaltı uygulamasında, Stirling motoru, çalışırken son derece sessiz olma avantajını sunar.

Mikro birleşik ısı ve güç (CHP) birimlerinin temel bileşeni, karşılaştırılabilir bir buhar makinesinden daha verimli ve daha güvenli oldukları için bir Stirling çevrimli motor tarafından oluşturulabilir. 2003 yılına gelindiğinde, CHP üniteleri ticari olarak yerli uygulamalara kurulmaktaydı.

21. yüzyılın başında, Konsantre Güneş Enerjisi sistemlerinin çanak versiyonunda Stirling motorları kullanıldı . Çok büyük bir uydu çanağına benzeyen aynalı bir çanak, güneş ışığını ısıyı emen ve toplayan ve bir sıvı kullanarak Stirling motoruna aktaran bir termal alıcıya yönlendirir ve yoğunlaştırır. Ortaya çıkan mekanik güç daha sonra elektrik üretmek için bir jeneratörü veya alternatörü çalıştırmak için kullanılır.

2013 yılında , altı karakteristik boyutsuz gruba dayanan serbest pistonlu Stirling motorlarının ölçeklendirme yasaları hakkında bir makale yayınlandı .

İsim ve sınıflandırma

Stirling motoru çalışıyor

Robert Stirling , 1816'da kapalı çevrim sıcak hava motorunun ilk pratik örneğini patentledi ve 1884 gibi erken bir tarihte Fleeming Jenkin tarafından bu tür motorların hepsinin genel olarak Stirling motorları olarak adlandırılması önerildi . Bu adlandırma önerisi çok az beğeni topladı ve piyasadaki çeşitli tipler, örneğin Rider's, Robinson's veya Heinrici'nin (sıcak) hava motoru gibi bireysel tasarımcıları veya üreticilerinin adıyla tanınmaya devam etti. 1940'larda Philips şirketi, o zamana kadar hava dışındaki çalışma sıvılarıyla test edilen ve Nisan 1945'te 'Stirling motoru'na karar veren 'hava motoru'nun kendi versiyonu için uygun bir isim arıyordu. Yaklaşık otuz yıl sonra, Graham Walker hala sıcak hava motoru gibi terimlerin Stirling motoru ile değiştirilebilir kaldığı gerçeğinden yakınmak için neden vardı , bu durum devam ediyor.

Buhar motoru gibi, Stirling motoru da geleneksel olarak bir dıştan yanmalı motor olarak sınıflandırılır , çünkü çalışma akışkanına gelen ve bu akışkandan gelen tüm ısı transferleri katı bir sınır (ısı eşanjörü) aracılığıyla gerçekleşir, böylece yanma sürecini ve üretebileceği kirleticileri izole eder. motorun çalışan parçaları. Bu , ısı girdisinin çalışma sıvısının gövdesi içinde bir yakıtın yanması yoluyla olduğu bir içten yanmalı motorla tezat oluşturur . Stirling motorunun birçok olası uygulamasının çoğu, pistonlu pistonlu motor kategorisine girer .

teori

Ana madde: Stirling döngüsü
İdealleştirilmiş Stirling döngüsünün bir basınç/hacim grafiği .

İdealleştirilmiş Stirling çevrimi , çalışma sıvısına etki eden dört termodinamik süreçten oluşur :

  1. İzotermal genişleme . Genleşme alanı ve ilgili ısı eşanjörü sabit bir yüksek sıcaklıkta tutulur ve gaz, sıcak kaynaktan gelen ısıyı emen izotermal genleşmeye yakındır.
  2. Sabit hacimli ( izovolümetrik veya izokorik olarak bilinir ) ısı giderme. Gaz rejeneratörden geçirilir , burada soğur ve bir sonraki çevrimde kullanılmak üzere ısıyı rejeneratöre aktarır.
  3. İzotermal sıkıştırma . Sıkıştırma alanı ve ilgili ısı eşanjörü, sabit bir düşük sıcaklıkta tutulur, böylece gaz, ısıyı soğuk lavaboya gönderen izotermal sıkıştırmaya maruz kalır.
  4. Sabit hacimli ( izovolümetrik veya izokorik olarak bilinir ) ısı ilavesi. Gaz, işlem 2'de aktarılan ısının çoğunu geri kazandığı, genleşme boşluğuna giderken ısındığı rejeneratörden geri geçer.

Motor, çalışma gazının genellikle motorun daha soğuk kısmında sıkıştırılacağı ve daha sıcak kısımda genleşeceği ve böylece ısının işe net bir şekilde dönüştürülmesiyle sonuçlanacak şekilde tasarlanmıştır . Dahili bir rejeneratif ısı eşanjörü , bu özelliğin bulunmadığı daha basit sıcak hava motorlarına kıyasla Stirling motorunun termal verimliliğini artırır .

Stirling motoru, ısıtılan ve genleşen ve soğutulan ve sıkıştırılan sabit bir gaz kütlesi döngüsü oluşturmak için sıcak ucu ile soğuk ucu arasındaki sıcaklık farkını kullanır, böylece termal enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürür . Sıcak ve soğuk kaynaklar arasındaki sıcaklık farkı ne kadar büyük olursa, termal verim o kadar yüksek olur. Maksimum teorik verim, Carnot çevrimininkine eşittir , ancak gerçek motorların verimi, sürtünme ve diğer kayıplar nedeniyle bu değerden daha düşüktür.

Stirling motoru kapalı bir çevrim olduğundan, "çalışma sıvısı" olarak adlandırılan, en yaygın olarak hava , hidrojen veya helyum olan sabit bir gaz kütlesi içerir . Normal çalışmada, motor sızdırmazdır ve gaz içeri girmez veya dışarı çıkmaz; diğer pistonlu motor tiplerinden farklı olarak supap gerekmez. Stirling motoru, çoğu ısı motoru gibi, dört ana süreçten geçer: soğutma, sıkıştırma, ısıtma ve genleşme. Bu, gazı sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında , genellikle ısıtıcı ve soğutucu arasında bir rejeneratör ile ileri geri hareket ettirerek gerçekleştirilir . Sıcak ısı eşanjörü, yakıt brülörü gibi bir dış ısı kaynağı ile termal temas halindedir ve soğuk ısı eşanjörü, hava kanatçıkları gibi bir dış ısı alıcı ile termal temas halindedir. Gaz sıcaklığındaki bir değişiklik, gaz basıncında karşılık gelen bir değişikliğe neden olurken, pistonun hareketi gazın dönüşümlü olarak genişlemesine ve sıkışmasına neden olur.

Gaz, bir gazın basıncının , sıcaklığının ve hacminin nasıl ilişkili olduğunu açıklayan gaz yasalarıyla tanımlanan davranışı izler . Gaz ısıtıldığında basınç yükselir (çünkü kapalı bir odadadır) ve bu basınç daha sonra bir güç darbesi üretmek için güç pistonuna etki eder . Gaz soğutulduğunda basınç düşer ve bu düşüş, pistonun dönüş strokunda gazı sıkıştırmak için daha az iş yapması gerektiği anlamına gelir. Vuruşlar arasındaki işteki fark, net bir pozitif güç çıkışı verir.

Pistonun bir tarafı atmosfere açık olduğunda çalışma biraz farklıdır. Kapalı çalışma gazı hacmi sıcak tarafla temas ettiğinde genişler, hem pistonda hem de atmosferde iş yapar. Çalışan gaz soğuk tarafla temas ettiğinde basıncı atmosfer basıncının altına düşer ve atmosfer pistonu iterek gaz üzerinde iş yapar.

Bileşenler

Bir eşkenar dörtgen sürücü beta konfigürasyonunun kesit diyagramı Stirling motor tasarımı:
  1 - Sıcak silindir duvarı
  2 - Soğuk silindir duvarı
  3 - Soğutma suyu giriş ve çıkış boruları
  4 - İki silindir ucunu ayıran ısı yalıtımı
  5 - Yer değiştirme pistonu
  6 - Güç pistonu
  7 - Bağlantı krank ve volanlar
Gösterilmiyor: Isı kaynağı ve ısı alıcıları. Bu tasarımda yer değiştirme pistonu, amaca yönelik yapılmış bir rejeneratör olmadan yapılmıştır .

Kapalı çevrim çalışmasının bir sonucu olarak, bir Stirling motorunu çalıştıran ısı, bir ısı kaynağından çalışma sıvısına, ısı eşanjörleri ve son olarak bir ısı emicisine iletilmelidir . Bir Stirling motor sistemi en az bir ısı kaynağına, bir ısı emiciye ve en fazla beş ısı eşanjörüne sahiptir. Bazı türler bunlardan bazılarıyla birleşebilir veya bunlardan vazgeçebilir.

Isı kaynağı

Nokta, merkezinde ve en Stirling motoru ile parabolik ayna odak güneş izleyici de Plataforma Solar de Almería'da İspanya'da (PSA).

Isı kaynağı bir yakıtın yanması ile sağlanabilir ve yanma ürünleri çalışma sıvısı ile karışmadığından ve dolayısıyla motorun iç parçaları ile temas etmediğinden, bir Stirling motoru zarar verebilecek yakıtlarla çalışabilir. geleneksel motorlarda aşındırıcı silikon dioksit biriktirebilen siloksan içerebilen çöp gazı gibi diğer motor türlerinin iç parçaları .

Diğer uygun ısı kaynakları, konsantre güneş enerjisi , jeotermal enerji , nükleer enerji , atık ısı ve biyoenerjiyi içerir . Isı kaynağı olarak güneş enerjisi kullanılıyorsa, normal güneş aynaları ve güneş tabakları kullanılabilir. Fresnel lenslerin ve aynaların kullanımı, örneğin gezegen yüzey araştırmalarında da savunulmaktadır. Güneş enerjisiyle çalışan Stirling motorları, bazı tasarımlar geliştirme projelerinde ekonomik açıdan çekiciyken, güç üretmek için çevreye duyarlı bir seçenek sundukları için giderek daha popüler hale geliyor.

Isı eşanjörleri

Stirling motoru ısı eşanjörlerini tasarlamak, düşük viskoz pompalama kayıpları ile yüksek ısı transferi ve düşük ölü boşluk (süpürülmemiş iç hacim) arasındaki bir dengedir . Yüksek güçlerde ve basınçlarda çalışan motorlar, sıcak taraftaki ısı eşanjörlerinin yüksek sıcaklıklarda hatırı sayılır mukavemeti koruyan ve aşınmayan veya sürünmeyen alaşımlardan yapılmasını gerektirir .

Küçük, düşük güçlü motorlarda, ısı eşanjörleri, ilgili sıcak ve soğuk odaların duvarlarından oluşabilir, ancak daha büyük güçlerin gerekli olduğu durumlarda, yeterli ısıyı aktarmak için daha büyük bir yüzey alanına ihtiyaç vardır. Tipik uygulamalar, sıcak taraf için iç ve dış kanatçıklar veya çoklu küçük çaplı tüpler ve soğuk taraf için bir sıvı (su gibi) kullanan bir soğutucudur.

rejeneratör

Ana madde: Rejeneratif ısı eşanjörü

Bir Stirling motorunda rejeneratör, sıcak ve soğuk boşluklar arasına yerleştirilen, çalışma akışkanının önce bir yönde sonra diğer yönde geçmesi, akışkandan bir yönde ısı alması ve geri dönmesi için dahili bir ısı eşanjörü ve geçici ısı deposudur. o diğerinde. Metal ağ veya köpük kadar basit olabilir ve yüksek yüzey alanı, yüksek ısı kapasitesi, düşük iletkenlik ve düşük akış sürtünmesinden yararlanır. İşlevi , maksimum ve minimum çevrim sıcaklıklarının arasındaki sıcaklıklarda çevre ile değiş tokuş edilecek olan ısıyı sistem içinde tutmak , böylece çevrimin (herhangi bir pratik motorun olmasa da) termal verimliliğinin sınırlayıcı Carnot'a yaklaşmasını sağlamaktır. yeterlik.

Bir Stirling motorunda rejenerasyonun birincil etkisi, aksi takdirde motordan geri dönüşü olmayan bir şekilde geçecek olan iç ısıyı 'geri dönüştürerek' termal verimliliği arttırmaktır . İkincil bir etki olarak, artan termal verim, belirli bir dizi sıcak ve soğuk uç ısı eşanjöründen daha yüksek bir güç çıkışı sağlar. Bunlar genellikle motorun ısı çıkışını sınırlar. Pratikte bu ek güç, ek "ölü alan" (süpürülmemiş hacim) ve pratik rejeneratörlerde bulunan pompalama kaybı, rejenerasyondan elde edilen potansiyel verimlilik kazanımlarını azalttığı için tam olarak gerçekleştirilemeyebilir.

Bir Stirling motor rejeneratörünün tasarım zorluğu, çok fazla ek iç hacim ("ölü alan") veya akış direnci oluşturmadan yeterli ısı transfer kapasitesi sağlamaktır. Bu doğal tasarım çelişkileri, pratik Stirling motorlarının verimliliğini sınırlayan birçok faktörden biridir. Tipik bir tasarım, ölü boşluğu azaltmak için düşük gözenekli ve bu yönde iletimi azaltmak ve konvektif ısı transferini en üst düzeye çıkarmak için tel eksenleri gaz akışına dik olan bir ince metal tel örgü yığınıdır .

Rejeneratör, Robert Stirling tarafından icat edilen anahtar bileşendir ve varlığı, gerçek bir Stirling motorunu diğer tüm kapalı çevrim sıcak hava motorlarından ayırır . Birçok küçük 'oyuncak' Stirling motoru, özellikle düşük sıcaklık farkı (LTD) türleri, belirgin bir rejeneratör bileşenine sahip değildir ve sıcak hava motorları olarak kabul edilebilir; bununla birlikte, yer değiştiricinin yüzeyi ve yakındaki silindir duvarı veya benzer şekilde bir alfa konfigürasyon motorunun sıcak ve soğuk silindirlerini birbirine bağlayan geçit tarafından küçük bir miktar yenilenme sağlanır.

Soğutucu

Bir Stirling motorunun sıcak ve soğuk bölümleri arasındaki sıcaklık farkı ne kadar büyükse, motorun verimliliği de o kadar yüksek olur. Soğutucu, tipik olarak, motorun ortam sıcaklığında çalıştığı ortamdır. Orta ila yüksek güçlü motorlarda, motordan gelen ısıyı ortam havasına aktarmak için bir radyatör gereklidir. Deniz motorları, tipik olarak ortam havasından daha soğuk olan soğuk ortam deniz, göl veya nehir suyunu kullanma avantajına sahiptir. Kombine ısı ve güç sistemlerinde, motorun soğutma suyu doğrudan veya dolaylı olarak ısıtma amacıyla kullanılır, bu da verimliliği artırır.

Alternatif olarak, ısı ortam sıcaklığında sağlanabilir ve soğutucu, kriyojenik sıvı (bkz. Sıvı nitrojen ekonomisi ) veya buzlu su gibi araçlarla daha düşük bir sıcaklıkta muhafaza edilebilir .

yer değiştirici

Yer değiştirici, Beta ve Gama tipi Stirling motorlarında, çalışma gazını sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında ileri geri hareket ettirmek için kullanılan özel amaçlı bir pistondur . Motor tasarımının tipine bağlı olarak, yer değiştirici silindire sızdırmaz olabilir veya olmayabilir; yani, silindirin içinde, çalışma gazının, silindirin ötesindeki kısmını işgal etmek için hareket ederken etrafından geçmesine izin veren gevşek bir uyum olabilir. Alpha tipi motorun sıcak tarafında yüksek stres var, bu yüzden çok az mucit bu taraf için hibrit piston kullanmaya başladı. Hibrit piston, normal bir Alpha tipi motorda olduğu gibi sızdırmaz bir parçaya sahiptir, ancak bunun etrafındaki silindir gibi daha küçük çaplı bağlı bir yer değiştirme parçasına sahiptir. Sıkıştırma oranı, orijinal Alpha tipi motorlara göre biraz daha küçüktür, ancak sızdırmaz kısımlarda stres faktörü oldukça düşüktür.

konfigürasyonlar

Üç ana tip Stirling motoru, havayı sıcak ve soğuk alanlar arasında hareket ettirme biçimleriyle ayırt edilir:

  1. A konfigürasyonu, iki güç pistonlar, bir sıcak silindir içinde bir soğuk bir silindir içinde birine sahiptir, ve gaz pistonlar ikisi arasında sürülür; tipik olarak, bir krank mili üzerinde aynı noktada birleştirilen pistonlarla bir V şeklindedir.
  2. P konfigürasyonu, bir güç piston ve bir 'yerinden çıkarıcı' ihtiva eden, sıcak ucu ve bir soğuk ucu olan bir tek silindirli sıcak ve soğuk uçları arasındaki sürücü gaz. Yer değiştirici ve güç pistonları arasındaki faz farkını elde etmek için tipik olarak eşkenar dörtgen bir tahrik ile kullanılır , ancak bunlar bir krank mili üzerinde 90 derece faz dışı olarak birleştirilebilirler.
  3. Gama konfigürasyon iki silindir var sıcak ve bir soğuk ucu ve güç piston için bir tane olmak, bir yer değiştirici içeren bir; tek bir boşluk oluşturacak şekilde birleştirilirler, böylece silindirler eşit basınca sahip olur; pistonlar tipik olarak paraleldir ve bir krank mili üzerinde 90 derece faz dışı birleştirilir.

Alfa

Alfa tipi Stirling motoru. İki silindir var. Sıkıştırma silindiri (mavi) soğutulurken genleşme silindiri (kırmızı) yüksek sıcaklıkta tutulur. İki silindir arasındaki geçiş rejeneratörü içerir.

Bir alfa Stirling, ayrı silindirlerde biri sıcak ve biri soğuk olmak üzere iki güç pistonu içerir. Sıcak silindir, yüksek sıcaklıklı ısı eşanjörünün içinde bulunur ve soğuk silindir, düşük sıcaklıklı ısı eşanjörünün içinde bulunur. Bu motor tipi yüksek bir güç-hacim oranına sahiptir, ancak sıcak pistonun genellikle yüksek sıcaklığı ve contalarının dayanıklılığı nedeniyle teknik sorunları vardır. Pratikte, bu piston, ek ölü boşluk pahasına contaları sıcak bölgeden uzaklaştırmak için genellikle büyük bir yalıtkan kafa taşır. Krank açısının verimlilik üzerinde büyük etkisi vardır ve en iyi açı sıklıkla deneysel olarak bulunmalıdır. 90°'lik bir açı sıklıkla kilitlenir.

Sürecin dört aşamalı açıklaması aşağıdaki gibidir:

  1. Çalışma gazının çoğu sıcak silindirdedir ve sıcak silindirin duvarlarıyla daha fazla temas halindedir. Bu, gazın genel olarak ısınmasına neden olur. Basıncı artar ve gaz genişler. Sıcak silindir maksimum hacminde ve soğuk silindir strokunun (minimum hacim) tepesinde olduğu için, sistemin hacmi soğuk silindire genişletilerek artırılır.
  2. Sistem maksimum hacmindedir ve gazın soğuk silindirle daha fazla teması vardır. Bu, gazı soğutarak basıncını düşürür. Aynı mil üzerindeki volan momentumu veya diğer piston çiftleri nedeniyle, sıcak silindir sistemin hacmini azaltan bir yukarı strok başlatır.
  3. Hemen hemen tüm gaz şimdi soğuk silindirde ve soğutma devam ediyor. Bu, gazın basıncını düşürmeye ve kasılmaya neden olmaya devam eder. Sıcak silindir minimum hacimde ve soğuk silindir maksimum hacminde olduğundan, soğuk silindirin içeri doğru sıkıştırılmasıyla sistemin hacmi daha da azalır.
  4. Sistem minimum hacmindedir ve gazın sıcak silindirle daha fazla teması vardır. Sıcak silindirin genleşmesiyle sistemin hacmi artar.

Beta

Beta tipi Stirling motoru, tek silindirli, bir ucu sıcak, diğer ucu soğuk. Gevşek oturan bir yer değiştirici, havayı silindirin sıcak ve soğuk uçları arasında yönlendirir. Silindirin açık ucundaki bir güç pistonu volanı çalıştırır

Bir beta Stirling, bir yer değiştirme pistonuyla aynı şaft üzerinde aynı silindir içinde düzenlenmiş tek bir güç pistonuna sahiptir . Yer değiştirme pistonu gevşek bir yapıya sahiptir ve genleşen gazdan herhangi bir güç çekmez, sadece çalışma gazını sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında taşımaya yarar. Çalışma gazı silindirin sıcak ucuna itildiğinde genleşir ve güç pistonunu iter. Silindirin soğuk ucuna itildiğinde büzülür ve genellikle bir volan tarafından artırılan makinenin momentumu , gazı sıkıştırmak için güç pistonunu diğer yöne doğru iter. Alfa tipinin aksine, beta tipi, güç pistonu sıcak gazla temas halinde olmadığından, sıcak hareket eden contaların teknik problemlerini önler.

  1. Güç pistonu (koyu gri) gazı sıkıştırdı, yer değiştirme pistonu (açık gri) gazın çoğu sıcak ısı eşanjörüne bitişik olacak şekilde hareket etti.
  2. Isınan gazın basıncı artar ve güç pistonunu güç strokunun en uzak sınırına kadar iter.
  3. Yer değiştirme pistonu şimdi hareket ederek gazı silindirin soğuk ucuna yönlendirir.
  4. Soğutulan gaz şimdi volan momentumu tarafından sıkıştırılır. Bu, soğutulduğunda basıncı düştüğü için daha az enerji alır.

Gama

Bir gama Stirling, güç pistonunun yer değiştirme pistonu silindirinin yanında ayrı bir silindire monte edildiği, ancak yine de aynı volana bağlı olduğu bir beta Stirling'dir. İki silindirdeki gaz aralarında serbestçe akabilir ve tek bir gövde olarak kalır. Bu konfigürasyon , ikisi arasındaki bağlantının hacmi nedeniyle daha düşük bir sıkıştırma oranı üretir ancak mekanik olarak daha basittir ve genellikle çok silindirli Stirling motorlarında kullanılır.

Diğer çeşitler

Yatay pistona güç sağlayan iki döner yer değiştiricinin üstten görünümü. Anlaşılır olması için rejeneratörler ve radyatör kaldırıldı

Diğer Stirling konfigürasyonları, mühendislerin ve mucitlerin ilgisini çekmeye devam ediyor.

  • Döner Stirling motor ile doğrudan benzer tork içine Stirling çevrimi güç dönüştürme arar döner yanmalı motor . Henüz pratik bir motor yapılmadı, ancak Quasiturbine motoru gibi bir dizi konsept, model ve patent üretildi .
  • Piston ve döner konfigürasyon arasındaki bir hibrit, çift etkili bir motordur. Bu tasarım, güç pistonunun her iki tarafındaki yer değiştiricileri döndürür. Isı transfer alanında büyük tasarım değişkenliği sağlamanın yanı sıra, bu düzen, çıkış milinde bir dış conta ve pistonda bir dahili conta dışında hepsini ortadan kaldırır. Ayrıca her iki taraf da birbirlerine karşı dengede oldukları için yüksek basınç altında kalabilirler.
  • Başka bir alternatif, Stirling döngüsünü uygulamak için hidrolik pistonlar kullanan Fluidyne motorudur (veya Fluidyne ısı pompası) . Bir Fluidyne motoru tarafından üretilen iş , sıvıyı pompalamaya gider. En basit haliyle, motor bir çalışma gazı, bir sıvı ve iki çek valf içerir.
  • Ringbom motor 1907'de yayınlanan kavramı değiştiricisi için bir döner mekanizması ya da bağlantı vardır. Bunun yerine küçük bir yardımcı piston, genellikle kalın bir yer değiştirme çubuğu tarafından tahrik edilir ve hareketi durdurmalarla sınırlandırılır.
  • Mühendis Andy Ross , özel bir boyunduruk kullanılarak bağlanan iki silindirli bir Stirling motoru (90° değil 0°'de konumlandırılmış) icat etti.
  • Franchot motoru tarafından icat bir çift etkili motorudur Charles-Louis-Félix Franchot on dokuzuncu yüzyılda. Çift etkili bir motorda, çalışma sıvısının basıncı pistonun her iki tarafına da etki eder. Çift etkili bir makinenin en basit biçimlerinden biri olan Franchot motoru, iki piston ve iki silindirden oluşur ve iki ayrı alfa makinesi gibi çalışır. Franchot motorunda, her piston iki gaz fazında hareket eder, bu da mekanik bileşenlerin tek etkili bir alfa makinesinden daha verimli kullanılmasını sağlar. Bununla birlikte, bu makinenin bir dezavantajı, bir bağlantı çubuğunun motorun sıcak tarafında, yüksek basınç ve sıcaklıklarla uğraşırken zor olan kayar bir contaya sahip olması gerektiğidir.

Serbest pistonlu motorlar

Çeşitli serbest pistonlu Stirling konfigürasyonları... F. "serbest silindir", G. Fluidyne, H. "çift etkili" Stirling (tipik olarak 4 silindir).

Serbest pistonlu Stirling motorları, sıvı pistonlu olanları ve piston olarak diyaframlı olanları içerir. Serbest pistonlu bir cihazda, bir elektrikli lineer alternatör , pompa veya başka bir koaksiyel cihaz tarafından enerji eklenebilir veya çıkarılabilir . Bu, bir bağlantı ihtiyacını ortadan kaldırır ve hareketli parça sayısını azaltır. Bazı tasarımlarda, temassız gaz yatakları veya düzlemsel yaylar aracılığıyla çok hassas süspansiyon kullanımı ile sürtünme ve aşınma neredeyse ortadan kaldırılır .

Serbest pistonlu bir Stirling motorunun çevrimindeki dört temel adım şunlardır:

  1. Güç pistonu, genleşen gaz tarafından dışarı doğru itilir ve böylece iş yapar. Yerçekimi döngüde hiçbir rol oynamaz.
  2. Motordaki gaz hacmi artar ve dolayısıyla basınç düşer, bu da yer değiştiriciyi sıcak uca doğru zorlamak için yer değiştirici çubuğu boyunca bir basınç farkına neden olur. Yer değiştirici hareket ettiğinde, piston neredeyse sabittir ve bu nedenle gaz hacmi neredeyse sabittir. Bu adım, gazın basıncını azaltan sabit hacimli soğutma işlemiyle sonuçlanır.
  3. Azalan basınç şimdi pistonun dışa doğru hareketini durdurur ve tekrar sıcak uca doğru hızlanmaya başlar ve kendi ataleti ile esas olarak soğuk alanda bulunan ve artık soğuk olan gazı sıkıştırır.
  4. Basınç arttıkça, yer değiştirme çubuğu boyunca basınç farkının, yer değiştirme çubuğunu (ve dolayısıyla yer değiştiriciyi) pistona doğru itmeye ve böylece soğuk alanı daraltmaya ve soğuk, sıkıştırılmış gazı aktarmaya başlayacak kadar büyük hale geldiği bir noktaya ulaşılır. neredeyse sabit hacimli bir süreçte sıcak tarafa doğru. Gaz sıcak tarafa ulaştığında basınç artar ve (1)'de açıklandığı gibi genişleme adımını başlatmak için pistonu dışarı doğru hareket ettirmeye başlar.

1960'ların başında, William T. Beale ait Ohio Üniversitesi Athens, Ohio bulunan krank mekanizmasını yağlama zorluğunu aşmak için Stirling motorunun serbest pistonlu versiyonunu icat etti. Temel serbest pistonlu Stirling motorunun icadı genellikle Beale'e atfedilirken, benzer tipteki motorların bağımsız buluşları EH Cooke-Yarborough ve C. West tarafından Birleşik Krallık AERE'deki Harwell Laboratuarlarında yapılmıştır . GM Benson ayrıca erken dönemde önemli katkılarda bulundu ve birçok yeni serbest piston konfigürasyonunun patentini aldı.

Serbest hareket eden bileşenleri kullanan bir Stirling çevrim makinesinden bilinen ilk söz, 1876'da bir İngiliz patent açıklamasıdır. Bu makine, bir buzdolabı olarak tasarlanmıştır (yani, ters Stirling çevrimi). Serbest pistonlu Stirling cihazı kullanan ilk tüketici ürünü, Twinbird Corporation of Japan tarafından üretilen ve 2004 yılında Coleman tarafından ABD'de sunulan portatif bir buzdolabıydı .

Düz motorlar

Düz Stirling motorunun kesiti: 10 - Sıcak silindir. 11 - Bir hacim sıcak silindir. 12 - B hacmi sıcak silindir. 17 - Sıcak piston diyaframı. 18 - Isıtma ortamı. 19 - Piston kolu. 20 - Soğuk silindir. 21 - A Soğuk silindir hacmi. 22 - B Soğuk silindir hacmi. 27 - Soğuk piston diyaframı. 28 - Soğutma sıvısı ortamı. 30 - Çalışma silindiri. 31 - Bir çalışma silindiri hacmi. 32 - B çalışma silindiri hacmi. 37 - Çalışan piston diyaframı. 41 - A hacminin rejeneratör kütlesi. 42 - B hacminin rejeneratör kütlesi. 48 - Isı akümülatörü. 50 - Isı yalıtımı. 60 - Jeneratör. 63 - Manyetik devre. 64 - Elektrik sargısı. 70 - Sıcak ve çalışan silindirleri birbirine bağlayan kanal.

Düz çift etkili Stirling motorunun tasarımı, yer değiştiricinin sıcak ve soğuk pistonlarının alanlarının farklı olması gerçeğinin yardımıyla bir yer değiştiricinin tahrikini çözer.

Sürücü bunu herhangi bir mekanik şanzıman olmadan yapar. Diyaframların kullanılması sürtünmeyi ve yağlayıcı ihtiyacını ortadan kaldırır.

Yer değiştirici hareket halindeyken, jeneratör, çalışma pistonunu sınır konumunda tutar, bu da motor çalışma döngüsünü ideal bir Stirling döngüsüne yaklaştırır. Düz bir tasarımın uygulanmasıyla ısı eşanjörlerinin alanının makinenin hacmine oranı artar.

Çalışma silindirinin düz tasarımı, izotermal olana daha yakın olan genleşme ve sıkıştırmanın termal sürecine yaklaşır.

Dezavantajı, sıcak ve soğuk alan arasındaki ısı yalıtımının geniş bir alanıdır.

termoakustik döngü

Termoakustik cihazlar, Stirling cihazlarından çok farklıdır, ancak her çalışan gaz molekülünün kat ettiği bireysel yol gerçek bir Stirling döngüsünü takip eder . Bu cihazlar termoakustik motoru ve termoakustik buzdolabını içerir . Yüksek genlikli akustik duran dalgalar , bir Stirling güç pistonuna benzer şekilde sıkıştırma ve genişlemeye neden olurken, faz dışı akustik hareket dalgaları , bir Stirling yer değiştirme pistonuna benzer bir sıcaklık gradyanı boyunca yer değiştirmeye neden olur . Bu nedenle, bir termoakustik cihaz, tipik olarak, bir beta veya gama Stirling'de olduğu gibi bir yer değiştiriciye sahip değildir.

Diğer gelişmeler

NASA , dış güneş sistemine uzun süreli görevler için nükleer bozunmayla ısıtılan Stirling Motorlarını düşündü . 2018 yılında NASA ve Amerika Birleşik Devletleri Enerji Bakanlığı başarıyla denilen nükleer reaktörün yeni bir tür test ettiğini açıkladı Krusty güç derin uzay araçlarına edebilmek için tasarlanmış olan "Kilopower Reaktör Stirling teknolojisi kullanılarak" anlamına gelir, ve ve sondalar ve ötegezegen kampları.

Society of Cable Telecommunications Engineers tarafından düzenlenen 2012 Cable-Tec Expo'da Dean Kamen, Time Warner Cable Chief Technology Officer Mike LaJoie ile birlikte kendi şirketi Deka Research ile SCTE arasında yeni bir girişimi duyurmak için sahne aldı. Kamen buna Stirling motoru diyor.

Operasyonel hususlar

Çok küçük bir Stirling Motorunun kompresörünü ve yer değiştiricisini çalışırken gösteren video

Boyut ve sıcaklık

0,5 K kadar küçük bir sıcaklık farkıyla çalışan çok düşük güçlü motorlar yapılmıştır. Yer değiştirici tipi bir Stirling motorunun bir pistonu ve bir yer değiştiricisi vardır. Motoru çalıştırmak için büyük silindirin üstü ve altı arasında bir sıcaklık farkı gereklidir. Durumunda düşük sıcaklık farkı (LTD) Stirling motoru, bir kişinin el ile çevreleyen hava arasındaki sıcaklık farkı, motoru çalıştırmak için yeterli olabilir. Yer değiştirici tipi Stirling motorundaki güç pistonu sıkıca kapatılmıştır ve içerideki gaz genişledikçe yukarı ve aşağı hareket edecek şekilde kontrol edilir. Öte yandan yer değiştirici, piston yukarı ve aşağı hareket ederken havanın motorun sıcak ve soğuk bölümleri arasında serbestçe hareket edebilmesi için çok gevşek bir şekilde takılmıştır. Yer değiştirici, yer değiştirici silindirdeki gazın çoğunun ısıtılmasına veya soğutulmasına neden olmak için yukarı ve aşağı hareket eder.

Stirling motorları, özellikle küçük sıcaklık farklarında çalışan motorlar ürettikleri güç miktarına göre oldukça büyüktür (yani, özgül güçleri düşüktür ). Bu öncelikle, tipik bir soğuk ısı eşanjöründe elde edilebilecek ısı akışını yaklaşık 500 W/(m 2 ·K) ve bir sıcak ısı eşanjöründe elde edilebilecek ısı akışını yaklaşık 500- 5000 W/(m 2 ·K). İçten yanmalı motorlarla karşılaştırıldığında, bu, motor tasarımcısının ısıyı çalışma gazının içine ve dışına aktarmasını daha zor hale getirir. Termal verim nedeniyle , gerekli ısı transferi daha düşük sıcaklık farkı ile büyür ve 1 kW çıkış için ısı eşanjörü yüzeyi (ve maliyeti) (1/ΔT) 2 ile büyür . Bu nedenle, çok düşük sıcaklık farkı olan motorların özgül maliyeti çok yüksektir. Sıcaklık farkını ve/veya basıncı arttırmak, ısı eşanjörlerinin artan ısı yükü için tasarlandığını ve gerekli konveksiyonlu ısı akışını sağlayabildiğini varsayarak, Stirling motorlarının daha fazla güç üretmesini sağlar.

Bir Stirling motoru anında başlatılamaz; kelimenin tam anlamıyla "ısınması" gerekiyor. Bu, tüm dıştan yanmalı motorlar için geçerlidir, ancak Stirlings için ısınma süresi, buhar motorları gibi bu tip diğerlerine göre daha uzun olabilir . Stirling motorları en iyi sabit hızlı motorlar olarak kullanılır.

Bir Stirling'in güç çıkışı sabit olma eğilimindedir ve bunu ayarlamak bazen dikkatli tasarım ve ek mekanizmalar gerektirebilir. Tipik olarak, çıktıdaki değişiklikler, motorun yer değiştirmesini değiştirerek (genellikle bir eğik plakalı krank mili düzenlemesi kullanarak) veya çalışma sıvısının miktarını değiştirerek veya piston/yer değiştirici faz açısını değiştirerek veya bazı durumlarda basitçe motor yükünü değiştirmek. Bu özellik, sabit güç çıkışının gerçekten istendiği hibrit elektrik tahrikinde veya "temel yük" hizmet üretiminde daha az dezavantajdır.

Gaz seçimi

Kullanılan gazın ısı kapasitesi düşük olmalıdır , böylece belirli bir miktarda aktarılan ısı basınçta büyük bir artışa neden olur. Bu konu göz önüne alındığında, çok düşük ısı kapasitesi nedeniyle helyum en iyi gaz olacaktır. Hava uygun bir çalışma sıvısıdır, ancak yüksek basınçlı bir hava motorundaki oksijen, yağlama yağı patlamalarından kaynaklanan ölümcül kazalara neden olabilir. Böyle bir kazanın ardından Philips, bu tür patlama risklerini önlemek için diğer gazların kullanılmasına öncülük etti.

  • Hidrojenin düşük viskozitesi ve yüksek termal iletkenliği , onu en güçlü çalışma gazı yapar, çünkü öncelikle motor diğer gazlardan daha hızlı çalışabilir. Bununla birlikte, hidrojen emilimi, bu düşük ile ilişkili yüksek difüzyon oranı göz önüne alındığında ve molekül ağırlığı , özellikle yüksek sıcaklıklarda, bir gaz, H 2 ısıtıcının kat metali sızıntı. Karbon çeliği yoluyla difüzyon pratik olamayacak kadar yüksektir, ancak alüminyum ve hatta paslanmaz çelik gibi metaller için kabul edilebilir düzeyde düşük olabilir . Bazı seramikler de difüzyonu büyük ölçüde azaltır. Hermetik basınçlı kap contaları, kaybolan gazın yerine yenisini koymadan motorun içindeki basıncı korumak için gereklidir. Yüksek sıcaklık diferansiyel (HTD) motorları için, yüksek basınçlı çalışma sıvısını korumak için yardımcı sistemler gerekebilir. Bu sistemler bir gaz depolama şişesi veya bir gaz jeneratörü olabilir. Hidrojen, suyun elektrolizi , buharın kırmızı sıcak karbon bazlı yakıt üzerindeki etkisi, hidrokarbon yakıtın gazlaştırılması veya asidin metal üzerinde reaksiyonu ile üretilebilir . Hidrojen ayrıca metallerin gevrekleşmesine neden olabilir . Hidrojen yanıcı bir gazdır ve motordan salındığında güvenlik açısından endişe yaratır.
  • Amerika Birleşik Devletleri devlet laboratuvarları için geliştirilenler gibi teknik olarak gelişmiş Stirling motorlarının çoğu , çalışma gazı olarak helyum kullanır , çünkü daha az malzeme muhafaza sorunuyla hidrojenin verimliliğine ve güç yoğunluğuna yakın çalışır. Helyum inerttir ve bu nedenle yanıcı değildir. Helyum nispeten pahalıdır ve şişelenmiş gaz olarak tedarik edilmelidir. Bir test, GPU-3 Stirling motorunda hidrojenin helyumdan (nispeten %24) %5 (mutlak) daha verimli olduğunu gösterdi. Araştırmacı Allan Organ, iyi tasarlanmış bir hava motorunun teorik olarak bir helyum veya hidrojen motoru kadar verimli olduğunu , ancak helyum ve hidrojen motorlarının birim hacim başına birkaç kat daha güçlü olduğunu gösterdi .
  • Bazı motorlar , çalışma sıvısı olarak hava veya nitrojen kullanır . Bu gazlar çok daha düşük güç yoğunluğuna sahiptir (bu da motor maliyetlerini artırır), ancak kullanımları daha uygundur ve gaz tutma ve tedarik sorunlarını en aza indirir (bu da maliyetleri düşürür). Kullanımı , basınçlı hava , sıkıştırılmış havanın, yüksek içerdiğinden, yağ halindeki bir patlama tehlikesi yağlama gibi yanıcı malzeme veya madde ile temas içinde kısmi basıncı ve oksijen . Bununla birlikte, oksijen bir oksidasyon reaksiyonu yoluyla havadan uzaklaştırılabilir veya neredeyse inert ve çok güvenli olan şişelenmiş nitrojen kullanılabilir.
  • Diğer olası havadan hafif gazlar arasında metan ve amonyak bulunur .

basınçlandırma

Yüksek güçlü Stirling motorlarının çoğunda, çalışma sıvısının hem minimum basıncı hem de ortalama basıncı atmosfer basıncının üzerindedir. Bu ilk motor basınçlandırması, bir pompa ile veya motorun sıkıştırılmış bir gaz deposundan doldurulmasıyla veya hatta ortalama sıcaklık ortalama çalışma sıcaklığından daha düşük olduğunda motorun sızdırmaz hale getirilmesiyle gerçekleştirilebilir . Bu yöntemlerin tümü, termodinamik döngüde çalışma sıvısının kütlesini arttırır. Tüm ısı eşanjörleri, gerekli ısı transfer oranlarını sağlamak için uygun şekilde boyutlandırılmalıdır. Isı eşanjörleri iyi tasarlanmışsa ve konvektif ısı transferi için gereken ısı akışını sağlayabiliyorsa, motor, ilk yaklaşımda, West sayısı ve Beale sayısı tarafından tahmin edildiği gibi, ortalama basınçla orantılı olarak güç üretir . Pratikte maksimum basınç, aynı zamanda basınçlı kabın güvenli basıncı ile sınırlıdır . Stirling motor tasarımının çoğu yönü gibi, optimizasyon da çok değişkenlidir ve çoğu zaman çelişkili gereksinimleri vardır. Basınçlandırmanın bir zorluğu, gücü arttırırken gerekli ısının artan güçle orantılı olarak artmasıdır. Artan basınç aynı zamanda motorun duvarlarının daha kalın olmasını gerektirdiğinden, bu ısı transferi basınçlandırma ile giderek daha zor hale gelir ve bu da ısı transferine karşı direnci arttırır.

Yağlayıcılar ve sürtünme

Kombine ısı ve güç uygulamaları için 55 kW elektrik çıkışlı modern bir Stirling motor ve jeneratör seti.

Yüksek sıcaklık ve basınçlarda, hava basınçlı karterlerdeki veya sıcak hava motorlarının çalışma gazındaki oksijen , motorun yağlama yağı ile birleşebilir ve patlayabilir. Böyle bir patlamada en az bir kişi öldü. Yağlayıcılar ayrıca ısı eşanjörlerini, özellikle de rejeneratörü tıkayabilir. Bu nedenlerden dolayı tasarımcılar , özellikle kayar contalar için, hareketli parçalar üzerinde düşük normal kuvvetlere sahip, yağlanmamış, düşük sürtünme katsayılı malzemeleri ( rulodin veya grafit gibi ) tercih ederler . Bazı tasarımlar, sızdırmaz pistonlar için diyaframlar kullanarak kayma yüzeylerini tamamen önler. Bunlar, Stirling motorlarının içten yanmalı motorlara göre daha düşük bakım gereksinimlerine ve daha uzun ömre sahip olmasını sağlayan faktörlerden bazılarıdır.

Yeterlik

Teorik termal verim , varsayımsal Carnot çevrimininkine eşittir , yani herhangi bir ısı makinesinin ulaşabileceği en yüksek verim. Bununla birlikte, genel ilkeleri göstermek için yararlı olsa da ideal çevrim, pratik Stirling motorlarından önemli ölçüde sapar. Mühendislik termodinamiği üzerine birçok standart kitapta gelişigüzel kullanımının, genel olarak Stirling motorlarının incelenmesine zarar verdiği iddia edilmiştir.

Stirling motorları, tanımı gereği, içten yanmalı motor için tipik olan toplam verimleri sağlayamaz , ana kısıtlama termal verimliliktir. İçten yanma sırasında, sıcaklıklar kısa bir süre için yaklaşık 1500 °C–1600 °C'ye ulaşır, bu da termodinamik çevrimin herhangi bir Stirling motorunun elde edebileceğinden daha yüksek ortalama ısı besleme sıcaklığı ile sonuçlanır. Stirling motorlarında olduğu gibi iletimle bu kadar yüksek sıcaklıklarda ısı sağlamak mümkün değildir, çünkü hiçbir malzeme bu yüksek sıcaklıkta yanmadan ısıyı büyük ısı kayıpları ve malzemelerin ısı deformasyonu ile ilgili problemler olmadan iletemez. Stirling motorları sessiz çalışabilir ve hemen hemen her ısı kaynağını kullanabilir. Isı enerjisi kaynağı, Otto çevrimi veya Dizel çevrimli motorlarda olduğu gibi içten yanmadan ziyade Stirling motorunun dışında üretilir . Bu tür motor, karşılaştırılabilir bir buhar motorundan daha verimli ve daha güvenli olduğu mikro birleşik ısı ve güç (CHP) birimlerinin temel bileşeni olarak şu anda ilgi görmektedir. Bununla birlikte, düşük bir güç-ağırlık oranına sahiptir , bu da onu alan ve ağırlığın önemli olmadığı statik kurulumlarda kullanım için daha uygun hale getirir.

Diğer gerçek dünya sorunları, konvektif ısı transferi ve viskoz akış (sürtünme) sınırları nedeniyle gerçek motorların verimliliğini azaltır . Pratik, mekanik hususlar da vardır: mesela, basit bir kinematik bağlantı idealize döngüsü çoğaltmak için gereken daha karmaşık bir mekanizma üzerinden tercih edilebilir, ve sınırlama gibi uygun malzemeler tarafından uygulanan ideal olmayan çalışma gazının özellikleri, ısı iletkenliği , çekme mukavemeti , sürünme , kopma mukavemeti ve erime noktası . Sıklıkla ortaya çıkan bir soru, izotermal genişleme ve sıkıştırma ile ideal çevrimin aslında Stirling motoruna uygulanacak doğru ideal çevrim olup olmadığıdır. Profesör CJ Rallis, genişleme ve sıkıştırma uzaylarının izotermal davranışa yaklaşabileceği herhangi bir durumu hayal etmenin çok zor olduğuna ve bu uzayları adyabatik olarak hayal etmenin çok daha gerçekçi olduğuna dikkat çekti . İzotermal ısı eşanjörleri ve mükemmel rejenerasyon ile genleşme ve sıkıştırma boşluklarının adyabatik olarak alındığı ideal bir analiz Rallis tarafından analiz edildi ve Stirling makineleri için daha ideal bir ölçü olarak sunuldu. Bu döngüye 'sözde Stirling döngüsü' veya 'ideal adyabatik Stirling döngüsü' adını verdi. Bu ideal döngünün önemli bir sonucu, Carnot verimliliğini tahmin etmemesidir. Bu ideal döngünün bir başka sonucu da, gerçek makinelerde gözlemlenen bir özellik olan daha düşük sıkıştırma oranlarında maksimum verimliliklerin bulunmasıdır. Bağımsız bir çalışmada, T. Finkelstein ayrıca Stirling makinesi analizinde adyabatik genişleme ve sıkıştırma uzaylarını da kabul etti.

İdeal Stirling çevrimi, herhangi bir ısı motorunda olduğu gibi gerçek dünyada elde edilemez. Stirling makinelerinin verimliliği aynı zamanda çevre sıcaklığıyla da bağlantılıdır: hava daha soğuk olduğunda daha yüksek verim elde edilir, bu nedenle bu tür motorları daha sıcak iklimlere sahip yerlerde daha az çekici hale getirir. Diğer dıştan yanmalı motorlarda olduğu gibi, Stirling motorları da yakıtların yanması dışında ısı kaynaklarını kullanabilir. Örneğin, güneş enerjili Stirling motorları için çeşitli tasarımlar geliştirilmiştir.

İçten yanmalı motorlarla karşılaştırma

İçten yanmalı motorların aksine Stirling motorları, yenilenebilir ısı kaynaklarını daha kolay kullanma ve daha az bakım ile daha sessiz ve daha güvenilir olma potansiyeline sahiptir . Özellikle üretilen birim enerji başına maliyetin, birim güç başına sermaye maliyetinden daha önemli olduğu durumlarda, bu benzersiz avantajlara değer veren uygulamalar için tercih edilirler. Bu temelde, Stirling motorları yaklaşık 100 kW'a kadar maliyet açısından rekabetçidir.

Aynı güç derecesine sahip içten yanmalı bir motorla karşılaştırıldığında , Stirling motorları şu anda daha yüksek bir sermaye maliyetine sahiptir ve genellikle daha büyük ve daha ağırdır. Bununla birlikte, çoğu içten yanmalı motordan daha verimlidirler. Daha düşük bakım gereksinimleri, genel enerji maliyetini karşılaştırılabilir hale getirir . Termal verim % 15 ila% 30 arasında değişen, (küçük motorlar için) da karşılaştırılabilir. Mikro-CHP gibi uygulamalar için , bir Stirling motoru genellikle içten yanmalı bir motora tercih edilir. Diğer kullanım alanları şunlardır su pompalama , astronotik Güneş enerjisi, ve içten yanmalı motor ile uyumsuz olan bol enerji kaynaklarından, ve elektrik üretimini biyokütle gibi tarımsal atıklar ve diğer atıklar böyle ev çöpüne olarak. Bununla birlikte, Stirling motorları, birim güç başına yüksek maliyet ve düşük güç yoğunluğu nedeniyle genellikle bir otomobil motoru gibi fiyat açısından rekabetçi değildir .

Temel analiz, kapalı form Schmidt analizine dayanmaktadır.

Stirling motorlarının içten yanmalı motorlara kıyasla avantajları şunları içerir:

  • Stirling motorları, yalnızca yanma ile üretilen değil, doğrudan mevcut herhangi bir ısı kaynağı üzerinde çalışabilir, böylece güneş, jeotermal, biyolojik, nükleer kaynaklardan gelen ısı veya endüstriyel proseslerden gelen atık ısı ile çalışabilirler.
  • Isı sağlamak için sürekli bir yanma prosesi kullanılabilir, böylece bir pistonlu içten yanmalı motorun aralıklı yanma prosesleri ile bağlantılı emisyonlar azaltılabilir.
  • Bazı Stirling motor tipleri, diğer pistonlu motor tiplerindeki muadillerine göre daha az yağlayıcıya ihtiyaç duydukları ve daha uzun ömürlü oldukları motorun soğuk tarafında yataklara ve contalara sahiptir.
  • Motor mekanizmaları bazı yönlerden diğer pistonlu motor tiplerinden daha basittir. Valf gerekmez ve brülör sistemi nispeten basit olabilir. Ham Stirling motorları, yaygın ev malzemeleri kullanılarak yapılabilir.
  • Bir Stirling motoru, tasarım basıncına yakın bir iç basıncı koruyan tek fazlı bir çalışma sıvısı kullanır ve bu nedenle uygun şekilde tasarlanmış bir sistem için patlama riski düşüktür. Karşılaştırıldığında, bir buhar motoru iki fazlı bir gaz/sıvı çalışma sıvısı kullanır, bu nedenle hatalı bir aşırı basınç tahliye valfi patlamaya neden olabilir.
  • Bazı durumlarda, düşük çalışma basıncı, hafif silindirlerin kullanılmasına izin verir.
  • Denizaltılarda havadan bağımsız tahrik kullanımı için sessiz ve hava beslemesi olmadan çalışacak şekilde inşa edilebilirler .
  • Sıcak havalarda hızlı başlayan, ancak soğuk havalarda olmayan içten yanmanın aksine, kolayca (ısındıktan sonra yavaş da olsa) başlarlar ve soğuk havalarda daha verimli çalışırlar.
  • Su pompalamak için kullanılan bir Stirling motoru, suyun sıkıştırma alanını soğutması için yapılandırılabilir. Bu, soğuk su pompalarken verimliliği artırır.
  • Son derece esnektirler. Kışın CHP ( birleşik ısı ve güç ) olarak, yazın ise soğutucu olarak kullanılabilirler.
  • Atık ısı kolayca toplanır (içten yanmalı bir motordan gelen atık ısıya kıyasla), Stirling motorlarını çift çıkışlı ısı ve güç sistemleri için kullanışlı hale getirir.
  • 1986'da NASA bir Stirling otomotiv motoru yaptı ve onu bir Chevrolet Celebrity'ye yerleştirdi . Yakıt ekonomisi %45 iyileştirildi ve emisyonlar büyük ölçüde azaldı. Hızlanma (güç tepkisi), standart içten yanmalı motora eşdeğerdi. Mod II olarak adlandırılan bu motor, Stirling motorlarının ağır, pahalı, güvenilmez olduğu ve düşük performans gösterdiği yönündeki argümanları da geçersiz kılar. Katalitik konvertör, susturucu ve sık yağ değişimi gerekli değildir.

Stirling motorlarının içten yanmalı motorlara kıyasla dezavantajları şunlardır:

  • Stirling motor tasarımları , ısı girişi ve ısı çıkışı için ısı eşanjörleri gerektirir ve bunlar, basıncın motor gücü çıkışıyla orantılı olduğu çalışma sıvısının basıncını içermelidir. Ek olarak, genleşme tarafındaki ısı eşanjörü genellikle çok yüksek sıcaklıktadır, bu nedenle malzemelerin ısı kaynağının aşındırıcı etkilerine direnmesi ve düşük sürünme olması gerekir . Tipik olarak bu malzeme gereksinimleri, motorun maliyetini önemli ölçüde artırır. Yüksek sıcaklıklı bir ısı eşanjörü için malzeme ve montaj maliyetleri, tipik olarak toplam motor maliyetinin %40'ını oluşturur.
  • Tüm termodinamik çevrimler, verimli çalışma için büyük sıcaklık farkları gerektirir. Dıştan yanmalı bir motorda, ısıtıcı sıcaklığı her zaman genleşme sıcaklığına eşittir veya onu aşar. Bu, ısıtıcı malzeme için metalurjik gereksinimlerin çok talepkar olduğu anlamına gelir. Bu, bir Gaz türbinine benzer , ancak giriş ısı kaynağı motor aracılığıyla iletilmediği için genleşme sıcaklığının motor malzemelerinin metalurjik sınırını çok aşabileceği bir Otto motoru veya Dizel motorun aksinedir. çalışma gazının ortalama sıcaklığına daha yakın çalışır. Stirling çevrimi gerçekte elde edilemez, Stirling makinelerindeki gerçek çevrim teorik Stirling çevriminden daha az verimlidir, ayrıca Stirling çevriminin verimliliği ortam sıcaklıklarının ılıman olduğu yerlerde daha düşüktür, en iyi sonuçları serin bir ortamda verir. , kuzey ülkelerinin kışları gibi.
  • Isıl verimliliği en üst düzeye çıkarmak için soğutucu sıcaklığı mümkün olduğunca düşük tutulduğundan atık ısının dağıtılması özellikle karmaşıktır. Bu, radyatörlerin boyutunu artırarak paketlemeyi zorlaştırabilir. Malzeme maliyetiyle birlikte bu, Stirling motorlarının otomotiv ana taşıyıcıları olarak benimsenmesini sınırlayan faktörlerden biri olmuştur. Birleşik ısı ve güç (CHP) kullanan gemi tahriki ve sabit mikro üretim sistemleri gibi diğer uygulamalar için yüksek güç yoğunluğu gerekli değildir.

Uygulamalar

Ana madde: Stirling motorunun uygulamaları
Bulaşık Stirling SES gelen

Stirling motorunun uygulamaları, ısıtma ve soğutmadan su altı güç sistemlerine kadar uzanır. Bir Stirling motoru, ısıtma veya soğutma için bir ısı pompası olarak ters yönde çalışabilir. Diğer kullanımlar, birleşik ısı ve güç, güneş enerjisi üretimi, Stirling kriyo soğutucular, ısı pompası, deniz motorları, düşük güçlü model uçak motorları ve düşük sıcaklık farkı motorlarını içerir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

bibliyografya

  • EH Cooke-Yarborough; E. Franklin; J. Geisow; R. Howlett; CD Batı (1974). "Harwell Termo-Mekanik Jeneratör". 9. IECEC Bildirileri . San Francisco: Amerikan Makine Mühendisleri Derneği. s. 1132-1136. Bibcode : 1974iece.conf.1132C .
  • EH Cooke-Yarborough (1970). "Isı Motorları", ABD patenti 3548589 . İngiltere Atom Enerjisi Kurumu'na verildi, 22 Aralık 1970.
  • EH Cooke-Yarborough (1967). "Isı ile Çalışan Dönmeyen Elektrikli Alternatör için Bir Öneri", Harwell Memorandumu AERE-M881 .
  • T. Finkelstein; AJ Organı (2001). Hava Motorları . Profesyonel Mühendislik Yayıncılık. ISBN'si 1-86058-338-5.
  • CM Hargreaves (1991). Philips Stirling Motoru . Elsevier Bilimi . ISBN'si 0-444-88463-7.
  • AJ Organı (1992). Stirling Çevrim Makinasının Termodinamiği ve Gaz Dinamiği . Cambridge Üniversitesi Yayınları. ISBN'si 0-521-41363-X.
  • R.Sier (1995). Muhterem Robert Stirling DD: Isı Ekonomizörü ve Stirling Çevrim Motorunun Mucidinin Biyografisi . Los Angeles Mair. ISBN'si 0-9526417-0-4.

daha fazla okuma

Dış bağlantılar