Motorul Stirling

Un „motor Stirling” face parte din familia motoarelor termice. Este un motor regenerativ cu aer cald (sau alt gaz permanent) cu ciclu închis. Ciclul închis înseamnă că există un volum fix de „fluid de lucru” în sistem. Nu există admisie, nu există evacuare.

Motorul Stirling a fost brevetat pentru prima dată în 1816 de Dr. Robert Stirling. Brevetul original s-a concentrat mai mult pe „The Economizer”, care a fost o unitate de schimb de căldură care a văzut interesul principal pentru utilizare ca prima încarnare a încălzitorului solar de apă.

Inițial, motorul Stirling a fost dezvoltat de Robert Stirling și fratele său James. A dus la multe brevete și prima liră sterlină în uz comercial a fost folosită pentru pomparea apei într-o carieră în 1818. După mai multe dezvoltări, multe brevete pentru diverse îmbunătățiri, inclusiv presurizarea, care a afectat direct cantitatea de muncă sau forța pe care o putea produce motorul, au venit. cam în 1845. Până atunci, puterea de ieșire a acestui motor fusese ridicată la nivelul în care putea conduce toate mașinile de la o turnătorie de fier din Dundee.

Motorul a fost promovat ca fiind foarte economisitor de combustibil și a fost împins să fie o alternativă mai sigură la motoarele cu abur ale vremii, care au avut multe incidente mortale care au implicat explozia cazanelor. Cu toate acestea, din cauza căldurii necesare și a nivelului de schimb necesar, împreună cu materialele din timpul zilei, motorul Stirling nu a putut niciodată să ofere motorului cu abur o concurență serioasă, iar la sfârșitul anilor 1930 Stirling-ul a fost aproape uitat în știința și industrie. și reprezentat doar în jucării ciudate și mici ventilatoare.

În această perioadă, Philips, marele producător de produse electrice și electronice, avea de gând să-și extindă piața de aparate radio în zone în care o sursă de alimentare sau alimentarea cu baterii era considerată instabilă. Philips a dezvoltat în continuare motorul Stirling în timpul celui de-al Doilea Război Mondial și, într-adevăr, a obținut succes comercial doar cu răcitorul criogen cu „motor Stirling inversat”. Cu toate acestea, Philips a scos destul de multe brevete și a obținut o cantitate mare de informații despre motorul Stirling.

Deoarece motorul Stirling este un ciclu închis, acesta conține o masă fixă ​​de gaz numită „fluid de lucru”, cel mai frecvent aer, hidrogen sau heliu. În funcționare normală, motorul este sigilat și nici un gaz nu intră sau iese din motor. Nu sunt necesare supape, spre deosebire de alte tipuri de motoare cu piston. Motorul Stirling, ca majoritatea motoarelor termice, circulă prin patru procese principale: răcire, compresie, încălzire și expansiune. Acest lucru se realizează prin deplasarea gazului înainte și înapoi între schimbătoarele de căldură calde și reci. Schimbătorul de căldură fierbinte este în contact termic cu o sursă de căldură externă, de exemplu un arzător de combustibil, iar schimbătorul de căldură rece este în contact termic cu un radiator extern, de exemplu aripioare de aer. O modificare a temperaturii gazului va determina o modificare corespunzătoare a presiunii gazului, în timp ce mișcarea pistonului face ca gazul să fie expandat și comprimat alternativ.

Gazul urmează comportamentul descris de legile gazelor care descriu modul în care presiunea, temperatura și volumul unui gaz sunt legate. Când gazul este încălzit, deoarece este într-o cameră etanșă, presiunea crește și aceasta acționează apoi asupra pistonului de putere pentru a produce o cursă de putere. Când gazul este răcit, presiunea scade și aceasta înseamnă că pistonul trebuie să facă mai puțină muncă pentru a comprima gazul pe cursa de retur, obținând astfel o putere netă de ieșire.

Când o parte a pistonului este deschisă către atmosferă, funcționarea este ușor diferită. Pe măsură ce volumul etanș al gazului de lucru intră în contact cu partea fierbinte, acesta se extinde, lucrând atât asupra pistonului, cât și asupra atmosferei. Când gazul de lucru intră în contact cu partea rece, atmosfera lucrează asupra gazului și îl „comprimă”. Presiunea atmosferică, care este mai mare decât gazul de lucru răcit, împinge pistonul.

Pentru a rezuma, motorul Stirling folosește diferența de temperatură dintre capătul său cald și capătul rece pentru a stabili un ciclu al unei mase fixe de gaz care se extinde și se contractă în interiorul motorului, transformând astfel energia termică în putere mecanică. Cu cât diferența de temperatură dintre sursele calde și reci este mai mare, cu atât eficiența potențială a ciclului Carnot este mai mare.

Avantaje și dezavantaje ale motoarelor Stirling

Pro

• Ele pot funcționa direct pe orice sursă de căldură disponibilă, nu doar una produsă prin ardere, astfel încât pot fi folosite pentru a funcționa cu căldură din surse solare, geotermale, biologice, nucleare sau căldură reziduală din orice proces industrial.

• Un proces de ardere continuă poate fi utilizat pentru a furniza căldură, astfel încât majoritatea tipurilor de emisii pot fi reduse foarte mult.

• Majoritatea tipurilor de motoare Stirling au rulmentul și etanșările pe partea rece a motorului; în consecință, necesită mai puțin lubrifiant și durează semnificativ mai mult între revizii decât alte tipuri de motoare cu piston.

• Mecanismele motorului sunt într-un fel mai simple decât alte tipuri de tipuri de motoare cu piston, adică nu sunt necesare supape, iar sistemul arzătorului de combustibil poate fi relativ simplu.

• Un motor Stirling utilizează un fluid de lucru monofazat care menține o presiune internă apropiată de presiunea de proiectare și, astfel, pentru un sistem proiectat corespunzător, riscul de explozie este relativ scăzut. În comparație, un motor cu abur utilizează un fluid de lucru bifazic gaz/lichid, astfel încât o supapă de siguranță defectă poate provoca o stare de suprapresiune și o explozie potențial periculoasă.

• În unele cazuri, presiunea scăzută de funcționare permite utilizarea cilindrilor ușori.

• Pot fi construite pentru a rula foarte silențios și fără alimentare cu aer, pentru utilizarea propulsiei independente de aer în submarine sau în spațiu.

• Ele pornesc ușor (deși încet, după o perioadă de încălzire) și rulează mai eficient pe vreme rece, spre deosebire de arderea internă care începe rapid pe vreme caldă, dar nu pe vreme rece.

• Un motor Stirling folosit pentru pomparea apei poate fi configurat astfel încât apa pompată să răcească spațiul de compresie. Acest lucru este, desigur, cel mai eficient atunci când pompați apă rece.

• Sunt extrem de flexibili. Ele pot fi folosite ca CHP (Combined Heat and Power) iarna și ca răcitoare vara.

• Căldura reziduală este recoltată relativ ușor (comparativ cu căldura reziduală de la un motor cu ardere internă), ceea ce face motoarele Stirling utile pentru sistemele de căldură și putere cu dublă ieșire.

Contra

Probleme de putere și cuplu

• Motoarele Stirling, în special cele care funcționează pe diferențe mici de temperatură, sunt destul de mari pentru cantitatea de putere pe care o produc (adică au putere specifică scăzută). Acest lucru se datorează în primul rând coeficientului scăzut de transfer de căldură al convecției gazoase care limitează fluxul de căldură care poate fi atins într-un schimbător de căldură intern la aproximativ 4 – 20 W/(m*K). Acest lucru face ca proiectantul motorului să fie foarte dificil să transfere căldură în și din gazul de lucru. Creșterea diferențelor de temperatură și/sau a presiunii permite motoarelor Stirling să producă mai multă putere, presupunând că schimbătoarele de căldură sunt proiectate pentru sarcina termică crescută și pot furniza fluxul de căldură convectiv necesar.

• Un motor Stirling nu poate porni instantaneu; literalmente trebuie să se „încălzească”. Acest lucru este valabil pentru toate motoarele cu ardere externă, dar timpul de încălzire poate fi mai scurt pentru Stirlings decât pentru altele de acest tip, cum ar fi motoarele cu abur. Motoarele Stirling sunt cel mai bine folosite ca motoare cu turație constantă.

• Puterea de ieșire a unui Stirling tinde să fie constantă și ajustarea acesteia poate necesita uneori o proiectare atentă și mecanisme suplimentare. În mod obișnuit, modificările de putere sunt realizate prin variarea deplasării motorului (adesea prin utilizarea unui aranjament al arborelui cotit cu plăci oscilătoare), sau prin modificarea cantității de fluid de lucru sau prin modificarea unghiului de fază piston/deplasator sau, în unele cazuri, pur și simplu prin modificarea sarcinii motorului. Această proprietate este mai puțin un dezavantaj în propulsia electrică hibridă sau generarea de utilități cu „sarcină de bază” în cazul în care puterea de ieșire constantă este de fapt de dorit.

Probleme ale alegerii gazelor

• Vâscozitatea scăzută a hidrogenului, conductivitatea termică ridicată și căldura specifică îl fac cel mai eficient gaz de lucru, din punct de vedere termodinamic și dinamica fluidelor, de utilizat într-un motor Stirling. Cu toate acestea, având în vedere viteza mare de difuzie asociată cu acest gaz cu greutate moleculară mică, hidrogenul se va scurge prin metalul solid, astfel încât este foarte dificil să se mențină presiunea în interiorul motorului pentru o perioadă de timp fără înlocuirea gazului. De obicei, sistemele auxiliare trebuie adăugate pentru a menține cantitatea adecvată de fluid de lucru. Aceste sisteme pot fi o butelie de stocare a gazului sau un generator de gaz. Hidrogenul poate fi generat fie prin electroliza apei, fie prin reacția acidului pe metal. Hidrogenul poate provoca, de asemenea, fragilizarea metalelor. Hidrogenul este, de asemenea, un gaz foarte inflamabil, în timp ce heliul este inert.

• Majoritatea motoarelor Stirling avansate din punct de vedere tehnic, precum cele dezvoltate pentru laboratoarele guvernului Statelor Unite, folosesc heliu ca gaz de lucru, deoarece funcționează aproape de eficiența și densitatea de putere a hidrogenului, cu mai puține probleme de izolare a materialului. Heliul este relativ scump și trebuie furnizat cu gaz îmbuteliat. Un test a arătat că hidrogenul este cu 5% absolut (24% relativ) mai eficient decât heliul în motorul GPU-3 Stirling.[14]

• Unele motoare folosesc aer sau azot ca fluid de lucru. Aceste gaze sunt mai puțin eficiente din punct de vedere termodinamic, dar minimizează problemele de reținere și alimentare cu gaze. Utilizarea aerului comprimat în contact cu materiale sau substanțe inflamabile precum uleiul de lubrifiere, introduce un pericol de explozie, deoarece aerul comprimat conține o presiune parțială mare de oxigen. Cu toate acestea, oxigenul poate fi îndepărtat din aer printr-o reacție de oxidare sau poate fi utilizat azotul îmbuteliat.

Probleme legate de dimensiune și cost

• Proiectele motoarelor Stirling necesită schimbătoare de căldură pentru aportul de căldură și pentru ieșirea de căldură, iar acestea trebuie să conțină presiunea fluidului de lucru, unde presiunea este proporțională cu puterea motorului. În plus, schimbătorul de căldură pe partea de expansiune este adesea la o temperatură foarte ridicată, astfel încât materialele trebuie să reziste efectelor corozive ale sursei de căldură și să aibă fluaj (deformare) scăzut. De obicei, aceste cerințe de material cresc substanțial costul motorului. Materialele și costurile de asamblare pentru un schimbător de căldură la temperatură înaltă reprezintă de obicei 40% din costul total al motorului. (Hargraves)

• Toate ciclurile termodinamice necesită diferențe mari de temperatură pentru o funcționare eficientă; totuși, într-un motor cu ardere externă, temperatura încălzitorului este întotdeauna egală sau depășește temperatura de expansiune. Aceasta înseamnă că cerințele metalurgice pentru materialul de încălzire sunt foarte exigente. Aceasta este similară cu o turbină cu gaz, dar este în contrast cu un motor Otto sau un motor diesel, unde temperatura de expansiune poate depăși cu mult limita metalurgică a materialelor motorului, deoarece sursa de căldură de intrare nu este condusă prin motor; astfel încât materialele motorului funcționează mai aproape de temperatura medie a gazului de lucru.

• Disiparea căldurii reziduale este deosebit de complicată deoarece temperatura lichidului de răcire este menținută cât mai scăzută pentru a maximiza eficiența termică. Acest lucru mărește dimensiunea radiatoarelor, ceea ce poate îngreuna ambalarea. Alături de costul materialelor, acesta a fost unul dintre factorii care au limitat adoptarea motoarelor Stirling ca motor principal al autovehiculelor. Cu toate acestea, pentru alte aplicații nu este necesară o densitate mare de putere, cum ar fi propulsia navei și sistemele staționare de microgenerare care utilizează căldură și energie combinată (CHP).[13]

  Există multe utilizări posibile pentru designul Stirling. Mai multe cercetări și dezvoltare vor ajuta la mutarea tehnologiei.