Stirlingmotor
Fra Wikipedia, den frie encyklopædi
En Stirlingmotor er en varmekraftmaskine, som kan konstrueres, så den kan anvendes som varmepumpe og/eller mekanisk generator.
Stirlingmotoren er en ekstern forbrændingsstempelmotor opfundet i 1816 af Reverend Robert Stirling, en skotsk præst, og ingeniør James Stirling. Opfindernes mål var dengang at skabe et sikrere alternativ til dampmaskiner, hvis kedler ofte eksploderede pga. for højt damptryk og primitive materialer. Stirlingmotorer konverterer enhver temperaturforskel direkte til mekanisk bevægelse.
Kort forklaret virker Stirlingmotoren ved, at man skubber en indesluttet mængde gas (luft, helium...) mellem et kammer hvor gassen opvarmes og et kammer hvor gassen afkøles. Som bekendt vil varm luft udvide sig - og trække sig sammen når det afkøles, i forhold til omgivelsernes luft. Dette benyttes via stempler til at skubbe og trække i stempelstænger og herved kan mekanisk energi udvindes.
I Stirlingmotorer er en varmeregenerator en indretning, som kan genindvinde noget af energien i temperaturforskellen, når gassen flyttes mellem det varme og køligere kammer. Varmeregeneratoren kan være et metaltrådsnet, men kan med fordel i 2 og især 4-cylindrede Stirlingmotorer udformes som en modstrømsvarmeveksler. Selv hvis der ikke er en eksplicit varmeregenerator vil dele af Stirlingmotoren fungere som en sådan, men med ringere effektivitet.
Den ideele Stirlingmotor cyklus har samme effektivitet som en Carnot varmemaskine for samme input og output-temperaturer. Den termodynamiske effektivitet er højere end for dampmaskiner.
Fordi varmevekslere separerer arbejdsgassen fra varmekilden og kølingen, kan mange forskellige typer brændsler og solenergi anvendes; selv spildvarme kan anvendes.
Stirlingmotorer kan også anvendes som varmepumper, idet tilført mekanisk energi kan omsættes til at pumpe varme med høj effektivitet. Det er i mange år blevet anvendt til cryogenics.
Indholdsfortegnelse |
[redigér] Stirlingmotor typer
Stirlingmotorer kan klassificeres i 3 hovedtyper:
- En alfa Stirlingmotor indeholder 2 separate tætte stempler, der begge fungerer som arbejdsstempler og gasfortrængningsstempler, et "varmt" stempel(kammer) og et "koldt" stempel(kammer). Denne motortype har et højt effekt-til-rumfangsforhold, men den har tekniske problemer pga. det varme stempels høje temperaturer og stempelforing.
- En beta Stirlingmotor har et enkelt arbejdsstempel koaksialt (i samme akse) som et gasfortrængerstempel. Gasfortrængerstemplet udvinder ingen mekanisk energi, dets formål er alene at flytte gassen frem og tilbage mellem det varme og kølige kammer. Denne motortype behøver ingen stempelforing i det varme kammer og kan opnå høje kompressionsforhold pga. at stemplerne kan have overlappende bevægelser.
- En gamma Stirlingmotor er simpelthen en beta Stirlingmotor, hvor arbejdsstemplet ikke er placeret i samme akse som gasfortrængerstemplet. Dette er mekanisk simplere og anvendes ofte i flercylindrede Stirlingmotorer, men resulterer i mindre kompressionsforhold.
[redigér] Virkemåde - beta stirlingmotor
I en encylindret beta Stirlingmotor er der 2 stempler kaldet: Gasfortrængerstemplet (VK) og arbejdsstemplet (AK). Stemplernes bevægelse er indbyrdes cyklusforskudt ca. 90 grader og som svarer til en vinkelforskel på svinghjulet. Gasfortrængerstemplet har en længde, som sikrer at arbejdsgassen ikke samtidig er i åben kontakt med varmekammer (rød) og kølekammer (lyseblå). I de aktuelle tegninger er gasfortrængerstemplet også designet til at virke som varmeregenerator. Varmeregeneratorens opbygning bør ikke lede varmen i rørhulrummenes retning, selvom gassen løber gennem her, men derimod gerne påtværs af rørhulrummene, men der ikke et krav. Derimod er det vigtigere at varmeregeneratorens minivarmelagre har en god kontakt til den gennemstrømmende gas og med så lidt turbulens som muligt. Nogle laver varmeregeneratoren som en vandret stak af metaltrådnet.
Stirlingmotorens arbejdsgang kan opdeles i 4 arbejdsprocesser, som beskrives sammen med tegninger fra arbejdsfasernes yderpunkter.
Billede 1: Stirlingsmotorens arbejdsgas (luft, helium...) er hovedsageligt i varmekammeret (røde) og trykket er det højeste i hele Stirlingcyklussen.
Faseovergang billede 1->2: Arbejdsgassen bliver nu opvarmet af ydre tilført varme. Pga. opvarmningen udvider gassen sig og skubber det ideelt set tætte arbejdsstempel (AK) udad. Gasfortrængerstemplet (VK) bevæger sig kun lidt, fordi det er 90° ude af fase med (AK). Svinghjulet drejer pga. at arbejdsstemplet skubbes udad. Ideelt set er gassens temperatur konstant i denne fase, fordi gassen får lov at udvide sig under opvarmningen.
Faseovergang billede 2->3: Svinghjulet drejer i denne fase pga. svinghjulets inertimoment videre. Det utætte gasfortrængerstempel (VK) skubber arbejdsgassen fra det varme kammer (rød) til det køligere (lyseblå). Gassen afgiver varme til varmeregenerator, mens den løber igennem. Kammeret køles, fordi køleribberne (blålilla) har en god varmekobling til omgivelserne. Arbejdsstemplet bevæger sig kun lidt, så arbejdsgassens rumfang er stort set konstant, så trykket falder.
Billede 3: Stirlingsmotorens arbejdsgas (luft, helium...) er hovedsageligt i det kølige kammer (lyseblå) og trykket er det laveste i hele Stirlingcyklussen.
Faseovergang billede 3->4: I denne fase vil det tætte arbejdsstempel (AK) blive skubbet indad fordi at arbejdsgassens trækker sig sammen og pga. svinghjulets inertimoment. Ideelt set vil der ske en isoterm (T=konstant) kompression sted i arbejdsgassen. Gasfortrængerstemplet (VK) bevæger sig kun lidt i denne fase.
Faseovergang billede 4->1: Svinghjulet drejer i denne fase pga. hjulets inertimoment videre og trækker det utætte gasfortrængerstempel opad, så arbejdsgassen flyttes til det varme kammer (rød). Gassen henter varme fra varmeregenerator, mens den løber igennem. I denne fase bevæger arbejdsstemplet (AK) sig næsten ikke. Ideelt set er rumfanget konstant og opvarmningen gør at trykket stiger.
[redigér] Virkemåde - gamma Stirlingmotor

(1) Tæt arbejdsstemplet.
(2) Kølekammer - varmeenergi ud; Q2.
(3) "Utæt" gasfortrængerstemplet.
(4) Varmekammer - varmeenergi ind; Q1.
De 2 træk- og skub-stænger fra de 2 stempler sidder på samme sted på et svinghjul, som roterer højre om under normal drift.
I en tocylindret gamma Stirlingmotor er der 2 stempler med hver deres formål: Gasfortrængerstemplet (3) og arbejdsstemplet (1). Stemplernes bevægelse er indbyrdes cyklusforskudt ca. 90 grader. Gasfortrængerstemplet har en længde, som sikrer at arbejdsgassen ikke samtidig er i åben kontakt med varmekammer (nedenfor stempel) og kølekammer (ovenfor stempel). Der er ingen egentlig varmeregenerator, men stempeloverfladen tættest ved cylindervæggen har en mindre regeneratorvirkning pga. den her forbipasserende gas.
Gamma Stirlingmotorens arbejdsgang kan ligesom de andre Stirlingmotortyper opdeles i 4 arbejdsprocesser.
[redigér] Anvendelser
[redigér] Stirlingmotor som mekanisk generator
Drejer Stirlingmotor akslen på grund af en temperaturforskel, virker den som mekanisk generator og energien fås i processen: Overførsel af varme fra et varmereservoir (varmt) til et andet varmereservoir (koldt).
En del af varmeenergien, vil under overførslen blive lavet om til mekanisk energi, med en øvre virkningsgrad bestemt af Carnot's formel: Effektivitet(%)= 100*(1-Tkold/Tvarm), Varmereservoir temperaturerne Tvarm og Tkold skal sættes ind i formlen i Kelvin. Kelvin= Celsius + 273,16.
[redigér] Stirlingmotor som varmepumpe
Drejer man motorakslen den modsatte vej, vil Stirlingmotoren pumpe varme den modsatte vej, fra et varmereservoir (f.eks. koldt) til det andet varmereservoir (f.eks. varmt). Det vil sige at den kan anvendes til køling (køleskabe) og/eller opvarmning af boligen. Formel: Varmepumpningseffektivitet(%)= 100/(1-Tkold/Tvarm).
Det overraskende er, at der via en varmepumpe bliver pumpet mere varmeenergi, end der tilføres mekanisk via akslen. F.eks. vil en ideel varmepumpe kunne pumpe ca. 9 gange så meget varme som der til føres mekanisk, når Tkold = -10°C og Tvarm = 20°C. Med kompressorbaserede varmepumper, er det almindeligt med en faktor 2 til 3.
Man får derfor mere varme ved pumpe det med en varmepumpe, end ved at omsætte energi direkte til varme (brødrister, el-radiatorer, olie- og gasfyr,...).
[redigér] Eksempler
[redigér] Vandkogning på havet
En ideel varmepumpe kan pumpe ca. 3,7 gange så meget varme, som der til føres mekanisk, når Tkold = Tvand = 0°C ca.= 273 K og Tvarm = 100°C = ca.= 373 K. Varmepumpningseffektivitet(%)= 100/(1-273/373) ca.= 370%.
Man skal dog huske på, at ved opvarmning at et varmereservoir fra en lavere til en højere temperatur, f.eks. opvarmning af vand fra 10°C til kogepunktet ca. 100°C, så vil varmepumpningens effektivitet ved start være højere end varmepumpningens effektivitet ved slut, når det ene varmereservoir har nået ca. 100°C. Derfor vil den gennemsnitlige varmepumpningseffektivitet for hele opvarmningen, ligge mellem varmepumpningseffektiviteten ved start og slut.
[redigér] Mekanisk energi fra solfanger
Mekanisk energi fra havet og en solfanger: En ideel Carnot-maskine kan ideelt hente mekanisk energi fra varmeforskellen mellem havvand og solfangervand, når Tkold = Tvand = 10°C ca.= 283 K og Tvarm = 100°C = ca.= 373 K. Mekanisk energi effektivitet(%)= 100*(1-283/373) ca.= 24%.
Er solfangeren under tryk, så vandet kan komme op på 200°C, så er den ideelle mekaniske energieffektivitet(%)= 100*(1-283/473) ca.= 40%.
[redigér] Eksterne henvisninger
[redigér] Vejvisere
- Stirling engine combustor research at Lund Institute of Technology (med vejviser)
- Google: Stirling Engines; DMOZ: Stirling Engines
- Web archive: Sun Power vejviser
- Red Rock Energy Solar Heliostats: This is the start of Will's Stirling engine links
- Webarchive backup: Adam's place > projects > stirling engines
- Robert Sier: Stirling Engine and Hot Air Engine
- Webring: Home > Hobbies & Crafts > Models, Stirling and Hot Air Engine Ring
[redigér] Virkemåde
- Matt Keveney: Animated Engines, Two Cylinder Stirling, Animated Engines, Single Cylinder Stirling, Animated Engines, Ross Yoke Stirling, Animated Engines
- How Stuff Works: Stirling-engine
- University of Canterbury: An introduction to Stirling-cycle machines (PDF), Stirling-Cycle Research Group
- (God information til selvbyggere:) Why Aviation Needs the Stirling Engine by Darryl Phillips, hoved adresse, mirror Citat: "...This 4-part series appeared in the March 1993 through March 1994 issues of Stirling Machine World...Common four cylinder engines such as Lycoming and Continental show torque that varies from a negative 100% to a positive 350% of the nominal torque...A Stirling with the same number of cylinders and identical horsepower has a torque variation of +/- 5%!..."
- Stirling fly motor animation
- Israel Urieli: Stirling Engine Simple Analysis, hoved adresse, Alpha Stirlings, Beta Stirlings, Gamma Stirlings
- Peter Fette: Stirling Engine Research and Computer (simulation) Programm Development, animation, prozess, mirror
- Citat: "...One possibility of equalizing the regenerators loss in double acting engines is to design it as a counterflow heatexchanger as described in (1)..."
- Citat: "...This Stirling Engine with 8 cylinders is twice double acting. Its special highlight is the facility for the heat transfer from a liquid [f.eks. vand] to the working fluid [f.eks. luft] which results in extremly low temperature losses....Because of the nearly isothermalized heat transfer the efficiency is near carnot's ..."
- Amitabha Mukerjee: Stirling Engine, usage, How does it work? Citat: "...As a final note a solar powered stirling engine coupled with a generator achieved a record solar-to-electric efficiency of 30%!..."
[redigér] Informations medier
- Stirling Machine World SMW
- Stirling News is published quarterly in the UK by The Stirling Engine Society
- Flere Stirling News blade, Søg efter "Stirling News" på denne side
- 10th Stirling Engine Conference 2001 ISEC
- Today's Stirling Engine. Extra Green...Extra Quiet...Extraordinary!
[redigér] Byg selv model Stirling/Hot-Air maskiner
- Simpel byg selv Stirling motor, links Kræver kun en temperaturforskel på 8°C for at kunne køre. En varm hånd og/eller en kold isklump er nok til at den kører.
- Stirling Engine Open Sourcing Projects
- Ivan's practical tips on building a gamma type Stirling Motor (or, things that the other sites don't talk about)
- Simple Performance Prediction Method for Stirling Engine
- The Metalmaster and Stirling Page: Stirling Pages, The Tin Can Stirling
- Stirling Walking Beam Engine
- Generates Energy from Small External Temperature Gradients -- No Longer the Neglected Technology
- DeKalb Tech's Rhombic Drive Stirling Engine
- Philips Stirling hot gas engine with rhomboid drive
- Quasiturbine Stirling Engine (Sterling)
- Koichi Hirata: Welcome to Stirling Engine Home Page
- National Maritime Research Institute: Stirling Engine Dictionary
- Test-Tube Stirling Engine
- Melbourne Society of Model & Experimental Engineers Journal: A Novel Stirling Cycle Hot Air Engine To Build
- Stirling Prayer Engine
- Film af den i funktion: 10 second movie showing the engine in operation
- Byggeplaner: Koichi Hirata: Let's build a Can Stirling Engine
[redigér] Moving Cylinder Stirlingmotor
- The Moving Cylinder Stirling Engine by Hubert Stierhof. Welcome to my web page of Low Temperature Differential Stirling engine designs
- RotaColaSola, A Rotary Fluidyne Stirling Engine Citat: "...Unusually for Stirling engines, it is reliably self starting..."
[redigér] Anvendelser
- Webarchive backup (uden billeder): Ecoliving: Homegrown micropower has macro prospects
- Home-scale generators, Micro Combined Heat and Power MCHP
- Power Producing Engines - American Stirling Company
- Stirling Technology, Inc.-- The leader in energy recovery ventilator technology
- e Stirling Engine Boat Page
- Stirling Cryogenics & Refrigeration BV, SPC: Stirling Process Cryogenerator, SGL: The Stirling gas liquefier, StirLIN: Stirling liquid nitrogen production plants, StirLOX: Stirling liquid oxygen production plants, Power Coolers, Stirling Danmark (ved DTU)