Stirling motor

Alpha Stirling motor. Den har to cylindre, den røde holdes på højt tryk og temperatur, mens den blå er køler. Mellemrummet mellem de to cylindre indeholder regeneratoren.

Beta Stirling motor. Den har en enkelt cylinder med to topstykker, en varm og en kold. Et frit stempel flytter luft mellem det varme og kolde rum. En kraftcylinder for enden af ​​akslen driver svinghjulet.

Design af en Beta Rombic Stirling Engine.

En Stirling-motor er en varmemotor, der fungerer ved cyklisk kompression og ekspansion af luft eller en anden gas (den såkaldte arbejdsvæske) ved forskellige temperaturniveauer, der producerer en nettoomdannelse af varmeenergi til mekanisk energi. ​ Mere specifikt er det en lukket cyklus regenerativ varmemotor med en permanent gasformig væske. I denne definition beskriver lukket cyklus et termodynamisk system , hvor væske er permanent indeholdt i systemet, og regenerativ beskriver brugen af ​​en specifik type varmeveksling og termisk lagring, kendt som regeneratoren . Inkluderingen af ​​en regenerator er det, der adskiller Stirling-motorer fra andre lukkede motorer.

Stirling-motoren blev opfundet i 1816 af den skotske pastor Robert Stirling , som udtænkte den for at konkurrere med dampmaskinen . I praksis var dens anvendelse begrænset til indenlandske applikationer i næsten et århundrede. Stirling-motoren blev berømt i 1842, da Stirling byggede en maskine af dette design i Dundee, vurderet til 37 hestekræfter. Stirlingmotorer har høj effektivitet, sammenlignet med dampmaskiner, og lette påføring på enhver varmekilde. Disse fordele forårsager en tilbagevenden til interessen for denne type motorer og i dens anvendelse på vedvarende energiopsamlingssystemer.

Historie

Robert Stirling betragtes som opfinderen af ​​varmluftmotoren på trods af nogle tidligere forgængere, især Guillaume Amontons . Det lykkedes ham at bygge den første fungerende varmluftsmotor i 1816.

Stirling motor fra 1816

Cayley fulgte senere efter. Denne type motor var en af ​​dem, hvor ilden lukkes og tilføres af luft, der pumpes under risten i tilstrækkelig mængde til at opretholde forbrændingen, mens det meste af luften kommer ind over ilden for at opvarme og udvide sig; det hele sammen med forbrændingsprodukterne virker så på stemplet og passerer gennem arbejdscylinderen; og operationen er enkel blanding, der kræves ingen metalvarmeflade, luften, der skal opvarmes, kommer i øjeblikkelig kontakt med ilden.

Princippet for Stirling-luftmotoren adskiller sig fra Sir George Cayleys (1807), hvor luft presses gennem ovnen og udstødes, hvorimod luften i Stirling-motoren arbejder i et lukket kredsløb. Det var til dette, at opfinderen viede det meste af sin opmærksomhed. En to-hestes motor, bygget i 1818 til at pumpe vand i et stenbrud i Ayrshire, Skotland, fortsatte med at køre i nogen tid, indtil en skødesløs ledsager tillod varmelegemet at overophede. Dette eksperiment viste opfinderen, at motoren på grund af det lave arbejdstryk, der kunne opnås, kun kunne tilpasses til små kræfter, som der ikke var behov for på det tidspunkt.

Stirlings patent fra 1816 refererede også til en "Economizer", som er forgængeren til regeneratoren. I dette patent (#4081) beskriver han "economizer"-teknologien og forskellige applikationer, hvor nævnte teknologi kan anvendes. Fra dem kom et nyt arrangement til en varmluftsmotor. I 1818 blev en motor bygget til at pumpe vand fra et stenbrud i Ayrshire, men på grund af tekniske problemer blev motoren forladt for en tid.

Stirling patenterede en anden varmluftsmotor sammen med sin bror James i 1827. De vendte designet om, så de varme ender af fortrængerne var under maskineriet og tilføjede en trykluftpumpe, så luften indeni kunne opbygge et tryk. 20 atmosfærer.

De to Stirling-brødre blev fulgt kort efter (1828) af Parkinson og Crossley og Arnott i 1829.

Disse forstadier, som Ericsson skal føjes til , har bragt til verden varmluftmotorens teknologi og dens enorme fordele i forhold til dampmaskinen. Hver af disse kom med deres egen specifikke teknologi, og selvom Stirling-motoren og Parkinson- og Crossley-motorerne var ret ens, udmærkede Robert Stirling sig ved at opfinde regeneratoren.

Parkinson og Crosley introducerede princippet om at bruge luft med højere densitet end atmosfærens og dermed opnå en motor med højere effekt i det samme kompas. James Stirling fulgte den samme idé, da han byggede den berømte Dundee-motor.

Stirlings 1827-patent var grundlaget for Stirlings tredje patent fra 1840. Ændringerne fra 1827-patentet var små, men væsentlige, og dette tredje patent førte til Dundee-motoren.

James Stirling præsenterede sin motor for Institution of Civil Engineers i 1845. Den første motor af denne type, som efter forskellige modifikationer blev bygget og effektivt opvarmet, havde en cylinder på 30 centimeter i diameter, med en slaglængde på 60 centimeter, og lavede 40 omdrejninger på et minut (40 rpm). Denne motor drev alt maskineriet hos Dundee Foundry Company i otte til ti måneder, og den viste sig tidligere at være i stand til at løfte 320.000 kg 60 cm på et minut, en effekt på omkring 21 hestekræfter.

Da de fandt denne kraft utilstrækkelig til deres job, byggede Dundee Foundry Company den anden motor med en 16-tommers cylinder, en 4 fods slaglængde og lavede 28 skift på et minut. Da denne motor havde været i kontinuerlig drift i over to år, havde den ikke kun udført støberiets arbejde mest tilfredsstillende, men var blevet testet (med en friktionsbremse på en tredje motor) til det punkt, hvor den løftede næsten 687 tons, en effekt på omkring 45 hestekræfter.

Dette giver et forbrug på 1,2 kg pr. hestekræfter i timen; men når motoren ikke var fuldt lastet, var forbruget betydeligt mindre end 1,1 kg pr. hestekræfter i timen. Denne ydeevne var på niveau med de bedste dampmaskiner, hvis effektivitet var omkring 10%. Efter James Stirling var en sådan effektivitet kun mulig takket være brugen af ​​economizeren (eller regeneratoren).

Beskrivelse af operationen

Stirling-motoren er den eneste, der er i stand til at nærme sig (teoretisk når den) den teoretiske maksimale effektivitet kendt som Carnot-effektiviteten , og derfor er den, hvad angår termisk motoreffektivitet, den bedste løsning. Det skal bemærkes, at det ikke ville tjene som en bilmotor, for selvom dens ydeevne er højere, er dens kraft lavere (for lige vægt), og optimal ydeevne opnås kun ved lave hastigheder. Den teoretiske Carnot-cyklus er uopnåelig i praksis, og den faktiske Stirling-cyklus ville have en iboende lavere ydeevne end Carnot-cyklussen , plus at cyklussens ydeevne er følsom over for udendørstemperaturer, så dens effektivitet er højere i kolde klimaer som vinteren i de nordiske lande , mens det ville have mindre interesse i klimaer som dem i de ækvatoriale lande, altid bevare fordelen ved eksterne forbrændingsmotorer med minimale emissioner af forurenende gasser og muligheden for at acceptere varmekilder uden forbrænding.

Dens arbejdscyklus består af 2 isokoriske transformationer (opvarmning og afkøling ved konstant volumen) og to isotermer (kompression og ekspansion ved konstant temperatur). ]

Der er et ekstra element til motoren, kaldet en regenerator , som, selvom det ikke er afgørende, tillader højere ydeevne. Regeneratoren er en intern varmeveksler, der har den funktion at absorbere og afgive varme i cyklussens konstante volumenudvikling. Regeneratoren består af et porøst medium med ubetydelig termisk ledningsevne , der indeholder en væske . Regeneratoren opdeler motoren i to zoner: en varm zone og en kold zone. Væsken bevæger sig fra den varme til den kolde zone under de forskellige arbejdscyklusser og passerer gennem regeneratoren.

Du kan bruge 1, 2, 3 eller flere stempler.

Cyklus ydeevne

Definitionen af ​​effektivitet for en varmemotor er:

$\eta = \frac{W_{\rm net}}{Q_{\rm absorberet}}$

Nettoarbejdet vil være på grund af isotermisk ekspansion og kompression , da der ikke arbejdes under isokoriske processer . For en ideel gas beregnes det som

$W_{\rm net} = n R T_C \ln \left( \frac{V_{\rm max}}{V_{\rm min}} \right) + n R T_F \ln \left( \frac{V_{ \rm min}}{V_{\rm max}}\right)$

Symbol	Navn
vmin _	minimum volumen
Vmax _	maksimal lydstyrke
TC _	varm kildetemperatur
T F	kold kildetemperatur
r	kompressions forhold

Ved at definere kompressionsforholdet som og anvende egenskaber for logaritmen reduceres det til $r=V_{\rm max}/V_{\rm min}$

$W_{\rm net} = n R (T_C-T_F) \ln (r)$.

Gassen optager kun varme i to trin: opvarmning ved konstant volumen og isotermisk ekspansion. For en ideel gas repræsenterer dette

$Q_{\rm absorberet} = n C_V (T_C-T_F) + n R T_C \ln(r)$.

I praksis er brugen af ​​regeneratorer almindelig, hvilket gør det muligt at lagre den varme, der frigives af gassen under køling ved konstant volumen, og derefter returneres til systemet under opvarmningsprocessen. Selvom begge mængder er ens i modulus, da de er isokoriske processer mellem de samme to temperaturer, er regeneratoren ikke perfekt, og en del af denne energi går tabt. At definere dens effektivitet som , får vi $\eta_R = Q_{\rm returneret}/Q_{\rm givet væk}$

$Q_{\rm absorberet} = (1-\eta_R) n C_V (T_C-T_F) + n R T_C \ln(r)$.

Endelig er maskinens samlede ydeevne

$\eta = \frac{n R (T_C-T_F) \ln (r)}{(1-\eta_R) n C_V (T_C-T_F) + n R T_C \ln(r)}$.

Når regeneratorydelsen nærmer sig det ideelle tilfælde, nærmer cyklusydelsen sig Carnot-cyklussens.

$\eta \ \xrightarrow[\eta_R \rightarrow 1]{} \left ( 1 - \frac{T_F}{T_C} \right )$.

Ansøgninger

I Spanien er der på Almería Solar Platform bygget udstyr (kendt som Distal og EuroDISH ) bestående af store parabolske skåle, der reflekterer og koncentrerer sollys mod en Stirling-motor, som producerer mekanisk energi, der omdannes til elektricitet ved hjælp af en generator. elektrisk strøm. De er eksperimentelle og demonstrative modeller med stor ydeevne .

Denne teknologi anses for at være meget anvendelig i regioner, hvor der er et stort antal spredte indbyggere, hvilket ville være meget dyrt at nå med et elektrisk netværk.

Det må forventes, at Stirling-motorfabrikanterne vil bygge små enheder af samme type i stor skala (med en solcelledisk) som f.eks. med kapacitet til at producere omkring 200 til 400 kWh om måneden (udstyr på ca. 1 til 2 kW effekt). især for lande beliggende mellem troperne, fordi mængden af ​​solstråling i disse områder er stor hele året og til gengæld er den region, hvor der er mere spredt befolkning.

Rumindustrien og andre

Det nordamerikanske rumfartsagentur udviklede Stirling-radioisotopgeneratorer (SRG), baseret på en Stirling-motor, hvis varmeenhed er baseret på radioisotoper. Den varme ende når høje temperaturer, og det opvarmede helium driver stemplet, hvis bevægelse omdannes til elektricitet og afleder varme i den kolde ende af motoren. Ved hjælp af stempler og magnetiske levitationslejer opnås en høj effektivitet og lang varighed af generatoren, der når 14 års kontinuerlig drift uden vedligeholdelse. ]

I betragtning af den meget begrænsede forsyning af plutonium er Stirling-konverteren kendt for at producere omkring fire gange så meget elektrisk strøm sammenlignet med en radioisotop termoelektrisk generator (RTG). NASA testede omfattende Stirling-generatorer på Jorden, men deres udvikling blev aflyst i 2013, før de kunne indsættes på rigtige rumfartøjsmissioner. Et lignende NASA-projekt, der stadig er under udvikling pr. 21. april 2020, kaldet Kilopower, bruger også Stirling-motorer, men bruger en lille uranfissionsreaktor som varmekilde.

I Holland omdanner SoundEnergy, en hollandsk startup , varme til kulde via en Stirling-motor. Det er baseret på velforståede principper for termoakustik og blev oprindeligt undersøgt af det amerikanske forsvarsministerium, siger virksomheden. ]

Eksterne links

• Wikimedia Commons er vært for en mediekategori for Stirling Engine .
• Distal Project og EuroDISH af Almería Solar Platform
• Information om Stirling-motorer: historie, typer, drift, konstruktion osv. (på engelsk)
• Spansk side af J. Gros om Stirling-motorer