Mi az a Stirling-motor? Hogyan működik a Stirling motor? Hogyan fedezték fel a Stirling-motort? Milyen területeken használják? Hogyan alakul át a hőenergia mozgási energiává? A Stirling motorokkal kapcsolatos részletek cikkünkben találhatók.

Mi az a Stirling motor?

A Stirling-motor egy olyan gép, amely a zárt kamra külső fűtése során keletkező energiát mechanikai energiává alakítja. Más néven meleglevegős motor. Ahogy a felmelegített levegő kitágul és összenyomódik, a motor mozogni kezd. 1816-ban találta fel a skót pap, Robert Stirling tiszteletes. A motort testvére, James Stirling fejlesztette ki. A feltalálók idejében gőzüzemű gépeket használtak, és elég veszélyesek voltak. Megbízhatóbb alternatívát kerestek. Azt akarták, hogy a hőenergiát közvetlenül mozgási energiává alakítsák át.

Mi van a Stirling-motorban?

Erős dugattyú (kiszorító): A gáz mozgatására szolgál a zárt kamrában. Általában béta és alfa típusú motorokban használják.
Dugattyú: Segíti a hőenergiát mechanikai energiává alakítani azáltal, hogy a motor hengereiben mozog.
Lendkerék: Ez az a szerkezet, amelyhez a dugattyúk rögzítve vannak. Ennek a szerkezetnek az a feladata, hogy a keletkezett mechanikai energiát átadja a mozgó alkatrészeknek.
Hűtő: Segít lehűteni a gázt a zárt kamrában. Segíti a motor hosszabb ideig tartó használatát.
Fűtés: Ez a motor legfontosabb része. A gáz felmelegítésére szolgál a zárt kamrában, hogy a hőenergiát mozgási energiává alakítsa.

Ezen túlmenően egyes motortípusoknál ezektől eltérő alkatrészekben is használható. Ez teljes mértékben a fejlesztők belátása szerint történik.

A Stirling-motor működési elve

A Stirling-motor szigetelt mennyiségű munkagáz (általában levegő vagy gázok, például hélium, hidrogén) ismételt fűtésével és hűtésével működik.

A gáz viselkedését a gáztörvények határozzák meg (a nyomáshoz, hőmérséklethez és térfogathoz viszonyítva). Amikor a gázt felmelegítjük, mivel szigetelt térben van, nyomása megemelkedik, és hatással van a teljesítménydugattyúra, és erőlöketet hoz létre. Amikor a gáz lehűl, a nyomás csökken, és ennek eredményeként a dugattyú a visszatérő löketében végzett munka egy részét a gáz újrasűrítésére használja. Az így létrejövő hálómunka erőt hoz létre az orsón. A munkagáz időszakosan áramlik a meleg és a hideg hőcserélő között. A munkagáz a dugattyús hengerek belsejében van tömítve. Tehát itt nincs kipufogógáz. Más típusú dugattyús motorokkal ellentétben nincs szükség szelepekre.

Egyes Stirling-motorok osztódugattyút használnak a munkagáz ide-oda mozgatására a hideg és meleg tartályok között. A munkagáz úgy mozog, hogy a hengereket különböző hőmérsékleten tartja, köszönhetően a több henger teljesítménydugattyúinak összekapcsolásának.

Az igazi Stirling-motorokban a tartályok közé regenerátort helyeznek el. Ez a hő a regenerátorból a meleg és a hideg oldal közötti gázciklus során kerül átadásra. Egyes kiviteleknél a leválasztódugattyú maga a regenerátor. Ez a regenerátor hozzájárul a Stirling-ciklus hatékonyságához. Az itt regenerátorként említett szerkezet valójában egy szilárd szerkezet, amely nem akadályozza meg, hogy néhány levegő áthaladjon rajta. Például acélgolyókat lehet használni ehhez a munkához. Amint a levegő a hideg és a meleg helyiség között mozog, ezen a regenerátoron halad át. Mielőtt a forró levegő elérné a hideg részt, némi hőenergiát hagy ezeken a golyókon. Ahogy a hideg levegő átmegy a meleg oldalra, kicsit felmelegszik a korábban felszabaduló hőenergiával. Más szóval, növeli a motor hatásfokát azáltal, hogy előmelegíti a levegőt, mielőtt belép a forró részbe, és előhűti, mielőtt belépne a hideg részbe.

Egy ideális Stirling-motorciklus elméleti hatékonysága megegyezik a Carnot-fűtőmotoréval azonos bemeneti és kimeneti hőmérséklet mellett. Termodinamikai hatásfoka magasabb, mint a gőzgépeké. (vagy néhány egyszerű belső égésű és dízelmotor)

Bármilyen hőforrás működtetheti a Stirling-motort. Külső égésű motor, égés a kifejezésben gyakran félreértik. A hőforrás előállítható égetéssel, de lehet napenergia, geotermikus energia vagy atomenergia is. Hasonlóképpen, a hőmérséklet-különbség létrehozásához használt hidegforrás különböző anyagok lehetnek a környezeti hőmérséklet alatt. A hűtés hideg víz vagy hűtőközeg használatával érhető el. Mivel azonban a hidegforrásból nyerhető hőmérséklet-különbség kicsi lesz, ezért nagyobb tömegekkel kell dolgozni, és a szivattyúzás során fellépő teljesítményveszteség csökkenti a ciklus hatékonyságát, az égéstermékek nem érintkeznek a motor belső részeivel. A Stirling-motor kenőolajának élettartama hosszabb, mint a belső égésű motoroké.

Stirling motortípusok

A stirling motoroknak 3 fő típusa van. A többi motortípus 3 motor továbbfejlesztett változata.

Alfa típusú stirling motor:

Két dugattyúból, lendkerékből, dugattyúkkal ellátott zárt gázkamrából, hőcserélőkből, hőgenerátorból és lendkerékből áll. Célja, hogy aktiválja a benne lévő gázt a dugattyú tetején elhelyezett területének hőforrással történő felmelegítésével. A felmelegített gáz elkezdi előre-hátra tolni a dugattyút, a másik csatlakoztatott dugattyú pedig mozogni kezd, így a meleg és hideg gáz kiszorul a kamrába. A keletkezett energia a lendkerék segítségével kerül átvitelre, amelyhez ez a két dugattyú kapcsolódik.

Béta típusú stirling motor:

Ugyanazon a tengelyen 2 dugattyú van. Ez a két dugattyú össze van kötve egymással. A kamra felfűtésével a dugattyú alján a zárt kamrában lévő gáz felmelegszik és aktiválódik. Ily módon a dugattyú megkezdi felfelé irányuló mozgását. A másik csatlakoztatott dugattyú is segíti a hideg gáz mozgását a kamrában. A lendkerék, amelyre a dugattyúk vannak rögzítve, továbbítja a keletkezett energiát.

Gamma típusú stirling motor:

Két külön dugattyú van. A nagyobb dugattyús kamrát felfűtik és a benne lévő gázt aktiválják. Ily módon a lendkerékkel egymáshoz kapcsolódó dugattyúk elkezdenek mozogni.

A Stirling motorok előnyei

Mivel a hőt kívülről adagoljuk, pontosan tudjuk szabályozni az üzemanyag-levegő keveréket.
Mivel folyamatos hőforrást használnak a hő biztosítására, az el nem égett tüzelőanyag mennyisége nagyon kicsi.
Ez a típusú motor kevesebb karbantartást és kenést igényel, mint a motortípusok teljesítményszintjükön.
A belső égésű motorokhoz képest meglehetősen egyszerű szerkezetűek.
Alacsony nyomáson is működnek, biztonságosabbak, mint a gőzforrásos gépek.
Az alacsony nyomás lehetővé teszi a könnyebb és tartósabb hengerek használatát.

A Stirling motorok hátrányai

A költség az üzemanyag-takarékosság szempontjából magas, mivel a szükséges hő szükséges a motor első indításakor.
Elég nehéz az erejét más szintre emelni.
Egyes stirling motorok nem tudnak gyorsan beindulni. Elegendő melegre van szükségük.
Általában a hidrogéngázt zárt kamrában használják. Ha azonban ennek a gáznak a molekulái meglehetősen kicsik, nehéz a kamrában tartani. Ezért többletköltségekkel kell szembenéznünk.
A hűtőrésznek elegendő hőt kell felvennie. Ha túl nagy a hőveszteség, a motor hatásfoka csökken.

Stirling motorok alkalmazási területei

A Stirling-motorokat kis teljesítményű repülőgép-hajtóművekben, tengeri hajtóművekben, hőszivattyúkban, kombinált hő- és villamosenergia-rendszerekben használják. Napjainkban leginkább napelem mezőkben használják villamos energia előállítására.

Mi az a Stirling motor? Hogyan működik a Stirling-motor?