Stirling-motor

A Stirling-motor vagy más néven forró levegős motor, külső hőbevezetésű hőerőgép, általában dugattyús-forgattyús mechanizmussal készül. A belsőégésű motorokkal szemben a Stirling-motor hőforrása nem a hengerben elégő fűtőanyag, mint az Otto- és Diesel-motoroknál vagy a gázturbinában, hanem a motoron kívül van. A hőátadási folyamat lehetővé teszi, hogy az összes hőerőgép közül a legjobb hatásfokot nyújtsa: hatásfoka megközelítheti annak az ideális Carnot-körfolyamatnak a hatásfokát, mely az alkalmazott szerkezeti anyagoknál gyakorlatilag elérhető. (A termikus hatásfokot a hőmérséklet határolja le).

A motort Robert Stirling lelkész találta fel 1816-ban, aki az első gépeken lényeges újításokat dolgozott ki, az első szabadalmat adta be és később segített mérnök fivérének, James Stirlingnek a további fejlesztésben.

[szerkesztés] Általános leírás

A feltalálók szándéka az volt, hogy olyan hőerőgépet dolgozzanak ki, amely biztonságosabb, mint a korabeli gőzgépek, melyek kazánjai gyakran robbantak fel a nagy gőznyomás és a nem megfelelő anyagok használata miatt.

A Stirling motorban egy adott tömegű, a környezettől tömítésekkel elzárt gáz, általában levegő, hidrogén vagy hélium van. Ennek a gáznak az állapotjelzői (pl. nyomás, hőmérséklet, fajtérfogat) a gáztörvények szerint változnak. Amikor az adott térfogatú gázt melegítik, a nyomása megnő, és a dugattyú felületére hatva mechanikai munkát fog végezni a motor munka-ütemében. Amikor a gázt lehűtik, nyomása esik, ez azt jelenti, hogy kevesebb munkára van szükség a gáz összenyomására a következő ütemben, mint amit a munka ütemben szolgáltatott, így az energiamérleg nyereséges lesz, ez a motor tengelyén hasznos munkaként fog megjelenni. A gáz ciklikusan áramlik a fűtő és hűtő hőcserélők között.

A gáz nem távozik a munka ütem után, hanem állandóan a motorban marad. Nincs szükség szelepekre sem, mint más motoroknál.

[szerkesztés] A motor

Egyes Stirling-motorok külön dugattyút használnak a gáz áramoltatására a meleg és hideg kamrák között. Mások úgy kapcsolják össze a munkadugattyúkat a többhengeres motorokban, hogy megfelelően áramoltassák a gázt a különböző hőmérsékletű hengerek között. A gyakorlatban a Stirling-motorokban egy regeneratív alkatrészt, általában huzalok kötegét helyezik el a hideg és meleg hengerek közé. Ahogy a gáz áramlik a hideg és meleg kamrák között, hőt ad vagy kap a regenerátortól. Egyes konstrukciókban a visszaáramoltató dugattyú maga a regenerátor. A regenerátor javítja a motor hatásfokát. Az ideális Stirling-körfolyamat megegyezik a Carnot-körfolyamattal, vagyis az adott hőmérsékleti határok között a legnagyobb hatásfokot szolgáltatja. Termodinamikai hatásfoka nagyobb, mint a gőzgépé, sőt egyes korszerű belsőégésű Otto- vagy Diesel-motorokénál is.

1

2

3

4

A Stirling-motor egyik változatának vázlata látható az ábrán. Az 1. ütemben az alsó munkadugattyú alatti térben a gáz felmelegszik, kitágul és felfelé nyomja a munkadugattyút. Ez a munkaütem. A felső holtpont után a munkadugattyú lefelé mozdul el és átnyomja a gázt a hideg térbe, eközben a másik dugattyú még felfelé mozog, így a hűtő henger térfogata nő. (2. ütem: átáramoltatás) A 3. ütemben a hideg kamrában lévő gáz fokozatosan lehűl. Végül a hideg gázt a másik dugattyú átnyomja a meleg hengerbe (4. ütem) és a folyamat kezdődik elölről.

[szerkesztés] Stirling-hűtőgép

A Striling-motor működése megfordítható: ha a tengelyt forgatjuk, a kamrákon hőfokkülönbség mérhető. Az első Stirling hűtőgépeket a Philips fejlesztette ki az 1950-es években és többek között folyékony nitrogén gyártáshoz használták. 1990-ig több típust készítettek, ekkor feloszlatták a vállalatot, helyébe a Stirling Cryogenics & Refrigeration BV-ot alapították, mely ma is termel. Érzékelők hűtésére sokféle kis Stirling hűtőgépet használnak.

[szerkesztés] Változatok

A mérnökök a Stirling-motor három fő típusát különböztetik meg:

• Az alfa Stirling változat két külön dugattyúval rendelkezik, egyik a meleg hőcserélőben, a másik a hideg hőcserélőben. Ennek a típusnak a az egységnyi térfogatra eső teljesítménye nagy, de nehézségek merülnek fel a tömítéssel, mivel az egyik dugattyú állandó magas hőmérsékleten üzemel. Egy alfa Stirling animáció: [1])

Rombusz hajtású béta Stirling konstrukció

• A béta Stirling-motornak egyetlen hengerben egy teljesítmény-dugattyúja és ezt körülvevő második dugattyúja van, mely az első dugattyúval egy tengely mentén mozog. A második dugattyú hézaggal illeszkedik a hengerbe, nem szolgáltat hasznos munkát, csupán arra szolgál, hogy a gázt a forró kamrából a hideg kamrába tolja. Amikor eléri a hideg hengervéget, a lendítőkerék átsegíti a holtponton és megkezdi a hideg gáz atnyomását és komprimálását a meleg hengerbe. Ez a konstrukció elkerüli az alfa változatnál felmerülő problémákat.(Béta Stirling animáció: [2])

• A gamma Stirling-motor egyszerűen egy olyan béta változat, ahol a munka-dugattyú és a második dugattyú két különálló hengerben mozog, de mindkét forgattyú ugyanahhoz a forgattyús tengelyhez csatlakozik. A gáz a két henger között szabadon áramolhat. Ez a megoldás kisebb kompresszióviszonyt tesz lehetővé, de az előbbieknél egyszerűbb a szerkezete és gyakran használják többhengeres kiviteleknél. (Gamma Stirling animáció: [3])

[szerkesztés] Hőforrások

A Stirling-motort mindenfajta hőmérsékletkülönbség működteti. Az a fogalom, hogy külsőégésű motor, félrevezető, mert a hőforrás nemcsak égés lehet, hanem szoláris (napenergia), geotermikus vagy nukleáris. Ugyanígy a hideg oldal lehet egyszerűen a hűvös környezet, jég vagy hűtőfolyadék. A kis hőmérsékletkülönbség a hideg és meleg oldal között azt eredményezi, hogy a szivattyúzási veszteségek jelentősen megnőhetnek és így rontják a hatásfokot.

Ha égéshőt használnak, a tüzelőanyag minőségére nem érzékeny a Stirling-motor. A Stirling motor kenésére használt olaj élettertama hosszabb, mint a belsőégésű motoroknál.

[szerkesztés] Előnyök

• Az égés kivül zajlik le, ezért a levegő-tüzelőanyag-keveréket sokkal pontosabban lehet szabályozni.
• A hőforrás folytonos égést kíván, ezért az elégetlen füstgázok mennyisége elenyésző.
• Sok Stirling-motor csapágyazása a hideg oldalon helyezkedik el, ezért a kenést egyszerűbb megoldani és a kenőanyag élettartama két olajcsere között hosszabb lehet.
• Az egész motor sokkal kevésbé bonyolult szerkezet, mint a belsőégésű motorok. Nincsenek szelepek, a tüzelőanyag és beömlő rendszer sokkal egyszerűbb.
• Sokkal kisebb nyomáson üzemelnek, ezért sokkal biztonságosabbak mint a konvencionális hőerőgépek.
• A kisebb üzemnyomás könnyebb szerkezeti elemek beépítését teszi lehetővé.
• Nagyon nyugodt járású szerkezetet lehet kivitelezni, működéséhez nincs szüksége külső levegőre, így tengeralattjárókon ideális erőgép lehet.
• Igéretesnek tűnik alkalmazása repülőgépeken: csendesebbek, kevésbé szennyezik a környezetet, megőrzik hatásfokukat a magasságtól függetlenül, megbízhatóbbak, mert kevesebb alkatrészből állnak, elmarad az indítóberendezés, kisebb rezgésszinten üzemelnek, az üzemanyaguk kevésbé robbanásveszélyes.

[szerkesztés] Hátrányok

• A Stirling-motor hideg és meleg oldali hőcserélői költséges szerkezetek, ezek nyomásálló és korrózióálló kivitelben kell, hogy készüljenek. Ez megnöveli a költségeket különösen akkor, ha jó hatásfokú motort kell készíteni.
• Különösen kis hőmérsékletkülönbség esetén a hideg és meleg oldal között a motor méretei sokkal nagyobbak az azonos teljesítményű belsőégésű motorokhoz képest a nagy hőcserélők miatt.
• A környezet felmelegítésekor keletkező hőveszteség a legnagyobb akadálya annak, hogy Stirling motorokat alkalmazzanak gépkocsi hajtására. Ez azonban nem hátrányos házaknál, ahol a hőveszteséget jól fel lehet használni melegvíz előállítására és fűtésre.
• A Stirling motort nem lehet gyorsan beindítani, lassú felmelegedésre van szüksége. Ez ugyan a belsőégésű motorokra is igaz, de a felfűtéshez szükséges idő itt sokkal hosszabb.
• A leadott teljesítményt nehéz változtatni, gyors változtatás nem is lehetséges. A teljesítményt vagy a dugattyú lökethosszának változtatásával vagy az áramló gáz mennyiségével lehet szabályozni. Ez hibrid hajtásokban és alaperőforrásoknál, ahol állandó teljesítményre van szükség, kevéssé problematikus.
• A hidrogént kis molekulasúlya ideális munkaközeggé teszi, de a hidrogént kicsi molekulái miatt nagyon nehéz zárt térben tartani szivárgás nélkül.

[szerkesztés] Története

Légmotornak nevezett gépekről már 1699-től szólnak feljegyzések, körülbelül ekkor fedezték fel a gáztörvényeket. Sir George Caley angol feltalálóról tudott, hogy kieszelt egy légmotort 1807-ben. Robert Stirling innovatív hozzájárulása a fejlesztéshez az általa "economiser"-nek (hatásfok javítónak) nevezett regeneratív hőcserélő volt.

A tizenkilencedik század folyamán a Stirling-motor olyan alkalmazásoknál terjedt el, ahol kis vagy közepes teljesítményekre volt szükség. Ma ilyen helyen villanymotorokat használnak.

Az első hűtőgépekben hőszivattyúként használták. A 40-es évek vége felé Hollandiában a Philips Elektronikai Vállalat olyan sokoldalú erőgépet keresett elektronikus berendezéseik aggregátjaihoz, melyet világszerte alkalmazni tudott olyan helyeken, ahol nem volt kiépítve villamos hálózat. A társaság hatalmas fejlsztési munkát szentelt a Stirling-motornak az 1930-as évektől az 1970-es évekig. Az utolsó nagy felfutás a fejlesztésben a hűtőtechnikában történt fordított működésű Stirling motorra.

A Kokums svéd hajógyár több, mint tíz tengeralattjárót épített Stirling hajtással az 1980-as években, melyek nagyan üzleti sikert jelentettek. [4]

2005-ben a Southern California Edison jelentett be egy megállapodást 500 MW összteljesítményű, 20 000 db napfény fűtésű Stirling motor szállítására a Energy Systemstől 20 éven keresztül. Ez a rendszer egy 19 km² területű napfény farmon lesz elhelyezve és tükrök fogják a napfényt a motorokra vetíteni, melyek generátorokat hajtanak majd.

A Los Alamos Nemzeti Laboratórium mozgó alkatrészek nélküli akusztikus Stirling-motort [5] fejlesztett. Ez a hőenergiát rendkívül erős hangenergiává alakítja.

[szerkesztés] Külső hivatkozások

• BME Gépjárművek tanszék oktatási segédletei
• Stirling motor építése házilag! Fórum!
• Hogyan működik
  • Hogyan működnek a dolgok: Stirling-motor Jó leírás animációkkal.
  • Hogy működik Amitabha Mukerjeetől
• Animációk:
  • Alpha típusú motor,
  • Alpha típusú motor Ross-mechanizmussal,
  • Beta típusú motor,
  • Gamma típusú motor
  • Stirling fly motor animáció

[szerkesztés] Irodalom

A Wikimedia Commons tartalmaz Stirling-motor témájú médiaállományokat.

• Van Wylan, Gordon J. and Sontag, Richard F. , "Fundamentals of Classical Thermodynamics SI Version 2nd Ed.", John Wiley and Sons, New York, 1976, ISBN 0471041882
• Walker, G. , "Free Piston Stirling Cycle Engines", Springer-Verlag (1985), ISBN 0387154957
• Hargreaves, C. M., "The Philips Stirling Engine", Elsevier Publishers, (1991), ISBN 0444884637