Stirling motoru

Alfa Stirling motoru. İki silindiri vardır, kırmızı olan yüksek basınç ve sıcaklıkta tutulur, mavi olan ise daha soğuktur. İki silindir arasındaki boşluk rejeneratörü içerir.

Beta Stirling tipi motor. Biri sıcak diğeri soğuk olmak üzere iki silindir kafasına sahip tek bir silindire sahiptir. Serbest bir piston, havayı sıcak ve soğuk alan arasında hareket ettirir. Milin ucundaki bir güç silindiri volanı çalıştırır.

Beta Rombic Stirling Motorunun Tasarımı.

Bir Stirling motoru , ısı enerjisinin mekanik enerjiye net bir şekilde dönüştürülmesini sağlayan farklı sıcaklık seviyelerinde hava veya diğer gazın (çalışma sıvısı olarak adlandırılan) döngüsel olarak sıkıştırılması ve genişletilmesiyle çalışan bir ısı motorudur . ​ Daha spesifik olarak, kalıcı gaz sıvısı olan kapalı çevrim rejeneratif bir ısı motorudur . Bu tanımda kapalı çevrim , akışkanın sistemde kalıcı olarak bulunduğu ve rejeneratif bir termodinamik sistemi tanımlar.rejeneratör olarak bilinen belirli bir tür ısı değişimi ve termal depolamanın kullanımını tanımlar . Bir rejeneratörün dahil edilmesi, Stirling motorlarını diğer kapalı çevrim motorlarından ayıran şeydir.

Stirling motoru 1816'da İskoç Rahip Robert Stirling tarafından icat edildi ve onu buhar motoruna rakip olacak şekilde tasarladı . Pratikte ise neredeyse bir asırdır kullanımı ev içi uygulamalarla sınırlıydı. Stirling motoru 1842'de Stirling'in Dundee'de 37 beygir gücünde bu tasarımda bir makine yaptığında ünlendi. Stirling motorları, buhar motorlarına kıyasla yüksek verimliliğe, ve herhangi bir ısı kaynağına uygulama kolaylığına sahiptir. Bu avantajlar, bu tip motora ve yenilenebilir enerji yakalama sistemlerine uygulanmasına olan ilginin geri dönmesine neden oluyor.

Tarih

Robert Stirling, daha önceki bazı öncüllere, özellikle Guillaume Amontons'a rağmen, sıcak hava motorunun mucidi olarak kabul edilir . 1816'da çalışan ilk sıcak hava motorunu yapmayı başardı.

1816'dan Stirling motoru

Cayley daha sonra takip etti. Bu tip motor, yangının kapatıldığı ve yanmayı sürdürmek için yeterli miktarda ızgara altına pompalanan hava ile beslendiği, havanın çoğunun ısınmak ve genleşmek için ateşin üzerine girdiği; bütün, yanma ürünleriyle birlikte, daha sonra pistona etki eder ve çalışma silindirinden geçer; ve işlem sadece basit karıştırmadır, metal ısıtma yüzeyi gerekmez, ısıtılacak hava ateşle anında temas eder.

Stirling havalı motorunun prensibi, havanın fırına zorlandığı ve dışarı atıldığı Sir George Cayley'den (1807) farklıdır , oysa Stirling motorunda hava kapalı bir devrede çalışır. Mucit dikkatinin çoğunu buna adadı. Ayrshire, İskoçya'daki bir taş ocağında su pompalamak için 1818'de inşa edilen iki beygir gücünde bir motor, dikkatsiz bir görevli ısıtıcının aşırı ısınmasına izin verene kadar bir süre daha çalışmaya devam etti. Bu deney, mucide, elde edilebilecek düşük çalışma basıncı nedeniyle motorun sadece o sırada talep olmayan küçük güçlere uyarlanabileceğini gösterdi.

Stirling'in 1816 patenti, aynı zamanda, rejeneratörün öncülü olan bir "Ekonomizer"e de atıfta bulunmuştur. Bu patentte (#4081) "ekonomizer" teknolojisini ve söz konusu teknolojinin kullanılabileceği çeşitli uygulamaları anlatmaktadır. Onlardan bir sıcak hava motoru için yeni bir düzenleme geldi. 1818'de Ayrshire'daki bir taş ocağından su pompalamak için bir motor yapıldı, ancak teknik sorunlar nedeniyle motor bir süreliğine terk edildi.

Stirling, 1827'de kardeşi James ile birlikte ikinci bir sıcak hava motorunun patentini aldı. Yer değiştiricilerin sıcak uçları makinenin altında kalacak şekilde tasarımı tersine çevirdiler ve içerideki havanın basınç oluşturabilmesi için bir basınçlı hava pompası eklediler. 20 atmosfer.

İki Stirling kardeşi kısa bir süre sonra (1828) 1829'da Parkinson ve Crossley ve Arnott izledi.

Ericsson'un eklenmesi gereken bu öncüler, dünyaya sıcak hava motoru teknolojisini ve buhar motoruna göre muazzam avantajlarını getirdi. Bunların her biri kendi özel teknolojisiyle geldi ve Stirling motoru ile Parkinson ve Crossley motorları oldukça benzer olmasına rağmen, Robert Stirling rejeneratörü icat ederek kendini farklılaştırdı.

Parkinson ve Crosley, atmosferden daha yüksek yoğunluklu hava kullanma ilkesini ortaya koydular, böylece aynı pusulada daha yüksek güçlü bir motor elde ettiler. James Stirling, ünlü Dundee motorunu yaparken aynı fikri izledi.

Stirling'in 1827 patenti, Stirling'in 1840 tarihli üçüncü patentinin temelini oluşturuyordu. 1827 patentindeki değişiklikler küçük ama önemliydi ve bu üçüncü patent Dundee motorunun yolunu açtı.

James Stirling, motorunu 1845'te İnşaat Mühendisleri Enstitüsü'ne sundu. Çeşitli modifikasyonlardan sonra yapılan ve verimli bir şekilde ısıtılan bu tipteki ilk motor, 30 santimetre çapında ve 60 strok uzunluğunda bir silindire sahipti. santimetre ve bir dakikada 40 devir yaptı (40 rpm). Bu motor, Dundee Foundry Company'deki tüm makineleri sekiz ila on ay boyunca çalıştırdı ve daha önce bir dakikada 320.000 kg 60 cm kaldırma kapasitesine sahip olduğu tespit edildi, yaklaşık 21 beygir gücü.

Bu gücü işleri için yetersiz bulan Dundee Foundry Company, 16 inç çaplı silindirli, 4 fit stroklu ve bir dakikada 28 vites yapan ikinci motoru kurdu. Bu motor iki yıldan uzun bir süredir sürekli olarak çalıştırıldığında, sadece dökümhanenin işini en tatmin edici şekilde yerine getirmekle kalmamış, aynı zamanda (üçüncü bir motordaki bir sürtünme freni ile) neredeyse 687 ton kaldırma noktasına kadar test edilmiştir. yaklaşık 45 beygir gücü.

Bu, beygir gücü başına saatte 1,2 kilogramlık bir tüketim sağlar; ancak motor tam yüklü olmadığında, tüketim beygir gücü başına saatte 1,1 kilogramdan oldukça azdı. Bu performans, verimliliği %10 civarında olan en iyi buhar motorları seviyesindeydi. James Stirling'den sonra, bu verimlilik ancak ekonomizör (veya rejeneratör) kullanımı sayesinde mümkün oldu.

İşlem açıklaması

Stirling motoru, Carnot verimliliği olarak bilinen teorik maksimum verime yaklaşabilen (teorik olarak ona ulaşır) tek motordur, bu nedenle, termik motor verimliliği söz konusu olduğunda, en iyi seçenektir. Bir araba motoru olarak hizmet etmeyeceğine dikkat edilmelidir, çünkü performansı daha yüksek olmasına rağmen gücü daha düşüktür (eşit ağırlık için) ve optimum performansa yalnızca düşük hızlarda ulaşılır. Teorik Carnot çevrimi pratikte elde edilemez ve gerçek Stirling çevrimi, doğası gereği Carnot Çevriminden daha düşük bir performansa sahip olacaktır , ayrıca çevrim performansı dış sıcaklığa duyarlıdır, bu nedenle verimliliği, İskandinav ülkelerindeki kış gibi soğuk iklimlerde daha yüksektir. , ekvator ülkeleri gibi iklimlere daha az ilgi duyacak olsa da, her zaman minimum kirletici gaz emisyonu sağlayan dıştan yanmalı motorların avantajını ve yanma olmadan ısı kaynaklarını kabul etme olasılığını korur.

Çalışma döngüsü 2 izokorik dönüşümden (sabit hacimde ısıtma ve soğutma) ve iki izotermden ( sabit sıcaklıkta sıkıştırma ve genleşme) oluşur. ]

Motorda rejeneratör adı verilen ve zorunlu olmamakla birlikte daha yüksek performansın elde edilmesini sağlayan ek bir unsur vardır . Rejeneratör, çevrimin sabit hacim değişimlerinde ısıyı emme ve verme işlevine sahip bir dahili ısı eşanjörüdür. Rejeneratör, ihmal edilebilir termal iletkenliğe sahip, bir sıvı içeren gözenekli bir ortamdan oluşur . Rejeneratör motoru iki bölgeye ayırır: sıcak bölge ve soğuk bölge. Akışkan, çeşitli çalışma döngüleri sırasında sıcaktan soğuk bölgeye doğru hareket eder ve rejeneratörden geçer.

1, 2, 3 veya daha fazla piston kullanabilirsiniz.

Döngü performansı

Bir ısı motoru için verimliliğin tanımı :

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

İzokorik süreçler sırasında hiçbir iş yapılmadığından net iş, izotermal genişleme ve sıkıştırma nedeniyle olacaktır . İdeal bir gaz için şu şekilde hesaplanır:

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

Sembol	İsim
vmin _	minimum hacim
Vmaks _	maksimum hacim
TC _	sıcak kaynak sıcaklığı
T F	soğuk kaynak sıcaklığı
r	Sıkıştırma oranı

Sıkıştırma oranını logaritmanın özellikleri olarak tanımlayarak ve uygulayarak, $r=V_{\rm maks}/V_{\rm min}$

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

Gaz sadece iki aşamada ısıyı emer: sabit hacimde ısıtma ve izotermal genleşme. İdeal bir gaz için bu temsil eder

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

Uygulamada, sabit hacimde soğutma sırasında gaz tarafından açığa çıkan ısının depolanmasını ve daha sonra ısıtma işlemi sırasında sisteme geri verilmesini sağlayan rejeneratörlerin kullanımı yaygındır. Her iki nicelik de modül olarak eşit olmasına rağmen, aynı iki sıcaklık arasındaki izokorik süreçler olduğundan, rejeneratör mükemmel değildir ve bu enerjinin bir kısmı kaybolur. Verimliliğini şu şekilde tanımlıyoruz : $\eta_R = Q_{\rm iade edildi}/Q_{\rm verildi}$

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

Son olarak, makinenin toplam performansı

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

Rejeneratör performansı ideal duruma yaklaştıkça, çevrim performansı Carnot çevriminin performansına yaklaşır.

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

Uygulamalar

İspanya'da , Almería Güneş Platformunda , güneş ışığını bir alternatör aracılığıyla elektriğe dönüştürülen mekanik enerjiyi üreten bir Stirling motoruna yansıtan ve yoğunlaştıran büyük parabolik çanaklardan oluşan ekipman ( Distal ve EuroDISH olarak bilinir) inşa edilmiştir . elektrik gücü. Harika performansın deneysel ve kanıtlayıcı modelleridir .

Bu teknolojinin, bir elektrik şebekesi ile ulaşılması çok pahalı olan çok sayıda dağınık nüfusun bulunduğu bölgeler için harika bir uygulama olduğu düşünülmektedir.

Stirling motor üreticilerinin, örneğin, ayda yaklaşık 200 ila 400 kWh üretim kapasitesine sahip (yaklaşık olarak ekipman) gibi, büyük ölçekte (güneş diski ile) aynı tipte küçük üniteler inşa etmeleri beklenmektedir. 1 ila 2 kW güç). ; özellikle tropikler arasında yer alan ülkeler için, çünkü bu bölgelerde yıl boyunca güneş radyasyonu miktarı çok fazladır ve sırayla nüfusun daha dağınık olduğu bölgedir.

Uzay endüstrisi ve diğerleri

Kuzey Amerika Uzay Ajansı , ısıtma ünitesi radyoizotoplara dayanan bir Stirling motoruna dayanan Stirling radyoizotop jeneratörlerini (SRG) geliştirdi. Sıcak uç yüksek sıcaklıklara ulaşır ve ısıtılan helyum, hareketi elektriğe dönüştürülen pistonu çalıştırır ve motorun soğuk ucundaki ısıyı dağıtır. Pistonlar ve manyetik kaldırma yatakları sayesinde, jeneratörün yüksek verim ve uzun ömürlü olması sağlanarak, bakım gerektirmeden 14 yıl sürekli çalışmaya ulaşılır. ]

Çok sınırlı plütonyum kaynağı göz önüne alındığında, Stirling dönüştürücü, bir radyoizotop termoelektrik jeneratörüne (RTG) kıyasla yaklaşık dört kat daha fazla elektrik gücü üretmesiyle dikkat çekiyor . NASA, Stirling jeneratörlerini Dünya üzerinde kapsamlı bir şekilde test etti, ancak gerçek uzay aracı görevlerinde konuşlandırılmadan önce 2013'te geliştirmeleri iptal edildi. 21 Nisan 2020 itibariyle hala geliştirilmekte olan Kilopower adlı benzer bir NASA projesi de Stirling motorlarını kullanıyor, ancak ısı kaynağı olarak küçük bir uranyum fisyon reaktörü kullanıyor.

Hollanda'da , Hollandalı bir girişim olan SoundEnergy, bir Stirling motoru aracılığıyla ısıyı soğuğa dönüştürüyor. Şirket, bunun iyi anlaşılmış termoakustik ilkelerine dayandığını ve ilk olarak ABD Savunma Bakanlığı tarafından araştırıldığını söylüyor. ]

Dış bağlantılar

• Wikimedia Commons , Stirling Engine için bir medya kategorisi barındırır .
• Almería Solar Platformun Distal Projesi ve EuroDISH
• Stirling motorları hakkında bilgiler: tarihçesi, türleri, çalışması, yapımı, vb. (İngilizcede)
• Stirling motorlarında J. Gros'un İspanyolca sayfası