Stirlingmotoren

Av | mai 18, 2022

En ‘Stirling Engine’ er i familien av varmemotorer. Det er en lukket syklus regenerativ varmluft (eller annen permanent gass) motor .. Lukket syklus betyr at det er et fast volum av ‘arbeidsvæsken’ i systemet. Det er ikke noe inntak, det er ingen eksos.

Stirling-motoren ble først patentert i 1816 av Dr. Robert Stirling. Det opprinnelige patentet fokuserte mer på ‘The Economizer’ som var en varmevekslerenhet som så primær interesse for bruk som den første inkarnasjonen av solvarmeren.

Opprinnelig ble Stirling-motoren utviklet av Robert Stirling og broren James. Det resulterte i mange patenter og den første Sterling i kommersiell bruk ble brukt til å pumpe vann i et steinbrudd i 1818. Etter mer utvikling kom mange patenter for ulike forbedringer, inkludert trykksetting, som direkte påvirket mengden arbeid eller kraft motoren kunne produsere, omtrent i 1845. På dette tidspunktet var kraftuttaket til denne motoren brakt opp til et nivå at den kunne drive alt maskineriet på et jernstøperi i Dundee.

Motoren ble promotert som svært drivstoffbesparende og ble presset til å være et tryggere alternativ til datidens dampmaskiner som hadde mange dødelige hendelser med eksploderende kjeler. Men på grunn av varmen som kreves og utvekslingsnivået som kreves, kombinert med datidens materialer, kunne Stirling-motoren aldri virkelig gi dampmaskinen seriøs konkurranse, og på slutten av 1930-tallet var Stirling så godt som glemt i mainstream vitenskap og industri og kun representert i rare leker og små ventilasjonsvifter.

Rundt denne tiden var Philips, den store elektriske og elektroniske produsenten i ferd med å utvide markedet for radioapparater til områder der en strømkilde eller batteriforsyning ble ansett som ustabil. Philips videreutviklet Stirling-motoren gjennom andre verdenskrig og oppnådde egentlig bare kommersiell suksess med den ‘reverserte Stirling-motoren’-kryokjøleren. Imidlertid tok Philips ut ganske mange patenter og fikk en stor mengde informasjon om Stirling-motoren.

Siden Stirling-motoren er en lukket syklus, inneholder den en fast masse gass kalt «arbeidsvæsken», oftest luft, hydrogen eller helium. Ved normal drift er motoren forseglet og ingen gass kommer inn eller ut av motoren. Ingen ventiler er nødvendig, i motsetning til andre typer stempelmotorer. Stirling-motoren, som de fleste varmemotorer, går gjennom fire hovedprosesser: kjøling, kompresjon, oppvarming og ekspansjon. Dette oppnås ved å flytte gassen frem og tilbake mellom varme og kalde varmevekslere. Den varme varmeveksleren er i termisk kontakt med en ekstern varmekilde, f.eks. en brenselbrenner, og den kalde varmeveksleren er i termisk kontakt med en ekstern varmeavleder, f.eks. luftfinner. En endring i gasstemperatur vil forårsake en tilsvarende endring i gasstrykk, mens bevegelsen av stempelet fører til at gassen vekselvis utvides og komprimeres.

Gassen følger oppførselen beskrevet av gasslovene som beskriver hvordan en gass trykk, temperatur og volum henger sammen. Når gassen varmes opp, fordi den er i et forseglet kammer, stiger trykket og dette virker deretter på kraftstempelet for å produsere et kraftslag. Når gassen er avkjølt synker trykket og dette betyr at mindre arbeid må gjøres av stemplet for å komprimere gassen i returslaget, og dermed gi en netto effekt.

Når den ene siden av stempelet er åpen mot atmosfæren, er operasjonen litt annerledes. Ettersom det forseglede volumet av arbeidsgass kommer i kontakt med den varme siden, utvider det seg og utfører arbeid på både stempelet og på atmosfæren. Når arbeidsgassen kommer i kontakt med den kalde siden, virker atmosfæren på gassen og «komprimerer» den. Atmosfærisk trykk, som er større enn den avkjølte arbeidsgassen, presser på stemplet.

For å oppsummere bruker Stirling-motoren temperaturforskjellen mellom den varme enden og den kalde enden for å etablere en syklus med en fast gassmasse som ekspanderer og trekker seg sammen i motoren, og konverterer dermed termisk energi til mekanisk kraft. Jo større temperaturforskjellen er mellom de varme og kalde kildene, desto større er potensiell Carnot-sykluseffektivitet.

Fordeler og ulemper med Stirling-motorer

Fordeler

  • De kan kjøre direkte på en hvilken som helst tilgjengelig varmekilde, ikke bare en som produseres ved forbrenning, så de kan brukes til å kjøre på varme fra solenergi, geotermiske, biologiske, kjernefysiske kilder eller spillvarme fra enhver industriell prosess.

  • En kontinuerlig forbrenningsprosess kan brukes til å levere varme, så de fleste typer utslipp kan reduseres kraftig.

  • De fleste typer Stirling-motorer har lager og tetninger på den kjølige siden av motoren; følgelig krever de mindre smøremiddel og varer betydelig lenger mellom overhalinger enn andre stempelmotortyper.

  • Motormekanismene er på noen måter enklere enn andre typer stempelmotortyper, det vil si at det ikke trengs ventiler, og brennstoffbrennersystemet kan være relativt enkelt.

  • En Stirling-motor bruker en enfaset arbeidsvæske som opprettholder et internt trykk nær designtrykket, og dermed er eksplosjonsfaren relativt lav for et riktig designet system. Til sammenligning bruker en dampmotor en tofaset gass / flytende arbeidsvæske, så en defekt overtrykksventil kan forårsake overtrykkstilstand og en potensielt farlig eksplosjon.

  • I noen tilfeller tillater lavt driftstrykk bruk av lette sylindre.

  • De kan bygges for å gå veldig stille og uten lufttilførsel, for luftuavhengig fremdriftsbruk i ubåter eller i verdensrommet.

  • De starter lett (riktignok sakte, etter en oppvarmingsperiode) og går mer effektivt i kaldt vær, i motsetning til internforbrenningen som starter raskt i varmt vær, men ikke i kaldt vær.

  • En Stirling-motor som brukes til å pumpe vann kan konfigureres slik at det pumpede vannet avkjøler kompresjonsrommet. Dette er selvfølgelig mest effektivt når man pumper kaldt vann.

  • De er ekstremt fleksible. De kan brukes som CHP (kombinert varme og kraft) om vinteren og som kjølere om sommeren.

  • Spillvarme høstes relativt enkelt (sammenlignet med spillvarme fra en forbrenningsmotor), noe som gjør Stirling-motorer nyttige for varme- og kraftsystemer med to utgangseffekter

Ulemper

Problemer med kraft og dreiemoment

  • Stirling-motorer, spesielt de som kjører på små temperaturforskjeller, er ganske store for mengden kraft de produserer (dvs. de har lav spesifikk effekt). Dette skyldes først og fremst den lave varmeoverføringskoeffisienten for gassformig konveksjon som begrenser varmefluksen som kan oppnås i en intern varmeveksler til ca. 4 – 20 W / (m * K). Dette gjør det svært utfordrende for motordesigneren å overføre varme inn og ut av arbeidsgassen. Økning av temperaturdifferansen og/eller trykket lar Stirling-motorer produsere mer kraft, forutsatt at varmevekslerne er designet for den økte varmebelastningen og kan levere den nødvendige konveksjonsvarmefluksen.

  • En Stirling-motor kan ikke starte umiddelbart; den trenger bokstavelig talt å «varme opp». Dette gjelder alle eksterne forbrenningsmotorer, men oppvarmingstiden kan være kortere for Stirlings enn for andre av denne typen, for eksempel dampmaskiner. Stirlingmotorer brukes best som motorer med konstant hastighet.

  • Effekten til en Stirling har en tendens til å være konstant, og å justere den kan noen ganger kreve nøye design og ekstra mekanismer. Vanligvis oppnås endringer i ytelse ved å variere forskyvningen til motoren (ofte ved bruk av et veivakselarrangement med svingplater), eller ved å endre mengden arbeidsvæske, eller ved å endre fasevinkelen på stempelet/forskyveren, eller i noen tilfeller ganske enkelt. ved å endre motorbelastningen. Denne egenskapen er mindre av en ulempe ved hybrid elektrisk fremdrift eller «base load» verktøygenerering der konstant kraftutgang faktisk er ønskelig.

Problemer med valg av gass

  • Hydrogens lave viskositet, høye termiske ledningsevne og spesifikke varme gjør det til den mest effektive arbeidsgassen, når det gjelder termodynamikk og væskedynamikk, å bruke i en Stirling-motor. Men gitt den høye diffusjonshastigheten forbundet med denne lavmolekylære gassen, vil hydrogen lekke gjennom fast metall, og det er derfor svært vanskelig å opprettholde trykket inne i motoren over lengre tid uten å erstatte gassen. Vanligvis må hjelpesystemer legges til for å opprettholde riktig mengde arbeidsvæske. Disse systemene kan være en gassflaske eller en gassgenerator. Hydrogen kan genereres enten ved elektrolyse av vann, eller ved reaksjon av syre på metall. Hydrogen kan også forårsake sprøhet av metaller. Hydrogen er også en svært brannfarlig gass, mens helium er inert.

  • De fleste teknisk avanserte Stirling-motorer, som de som er utviklet for amerikanske regjeringslaboratorier, bruker helium som arbeidsgass, fordi den fungerer nær effektiviteten og krafttettheten til hydrogen med færre problemer med materialet. Helium er relativt dyrt, og må tilføres med flaskegass. En test viste at hydrogen var 5 % absolutt (24 % relativt) mer effektivt enn helium i GPU-3 Stirling-motoren.[14]

  • Noen motorer bruker luft eller nitrogen som arbeidsvæske. Disse gassene er mindre termodynamisk effektive, men de minimerer problemene med gassinneslutning og -tilførsel. Bruk av trykkluft i kontakt med brennbare materialer eller stoffer som smøreolje, introduserer en eksplosjonsfare, fordi trykkluft inneholder et høyt partialtrykk av oksygen. Imidlertid kan oksygen fjernes fra luft gjennom en oksidasjonsreaksjon, eller nitrogen på flaske kan brukes.

Størrelses- og kostnadsproblemer

  • Stirlingmotordesign krever varmevekslere for varmetilførsel og for varmeeffekt, og disse må inneholde trykket til arbeidsvæsken, hvor trykket er proporsjonalt med motoreffekten. I tillegg er varmeveksleren på ekspansjonssiden ofte på svært høy temperatur, så materialene må motstå varmekildens korrosive effekter og ha lav kryp (deformasjon). Vanligvis øker disse materialkravene kostnadene for motoren betydelig. Materialene og monteringskostnadene for en varmeveksler med høy temperatur utgjør vanligvis 40 % av den totale motorkostnaden. (Hargraves)

  • Alle termodynamiske sykluser krever store temperaturforskjeller for effektiv drift; i en ekstern forbrenningsmotor er imidlertid varmeapparatets temperatur alltid lik eller overstiger ekspansjonstemperaturen. Dette gjør at de metallurgiske kravene til varmeovnsmaterialet er svært krevende. Dette ligner på en gassturbin, men er i motsetning til en Otto-motor eller dieselmotor, hvor ekspansjonstemperaturen kan langt overstige den metallurgiske grensen for motormaterialene, fordi den tilførte varmekilden ikke ledes gjennom motoren; slik at motormaterialene fungerer nærmere gjennomsnittstemperaturen til arbeidsgassen.

  • Avledning av spillvarme er spesielt komplisert fordi kjølevæsketemperaturen holdes så lav som mulig for å maksimere termisk effektivitet. Dette øker størrelsen på radiatorene, noe som kan gjøre emballasje vanskelig. Sammen med kostnadsmaterialer har dette vært en av faktorene som begrenser bruken av Stirling-motorer som drivkraft for biler. For andre applikasjoner er det imidlertid ikke nødvendig med høy effekttetthet, slik som skipsfremdrift og stasjonære mikrogenerasjonssystemer som bruker kombinert varme og kraft (CHP).[13]

    Det er mange mulige bruksområder for Stirling-designet. Mer forskning og utvikling vil bidra til å flytte teknologien videre.

Kategori: gpu

Legg igjen en kommentar

Din e-postadresse vil ikke bli publisert.