Kaj je Stirlingov motor? Kako deluje Stirlingov motor? Kako so odkrili Stirlingov motor? Na katerih področjih se uporablja? Kako se toplotna energija pretvori v energijo gibanja? Podrobnosti o Stirlingovih motorjih so v našem članku.

Kaj je Stirling Engine?

Stirlingov motor je stroj, ki pretvarja energijo, ki nastane z zunanjim segrevanjem zaprte komore, v mehansko energijo. Poznan tudi kot motor na vroč zrak. Ko se ogret zrak širi in stisne, se motor začne premikati. Leta 1816 ga je izumil škotski duhovnik, častiti Robert Stirling. Motor je razvil njegov brat James Stirling. V času izumiteljev so uporabljali stroje na parni pogon in so bili precej nevarni. Odločili so se poiskati bolj zanesljivo alternativo. Kar so želeli, je bilo toplotno energijo pretvoriti neposredno v energijo gibanja.

Kaj je v Stirlingovem motorju?

Moč bata (izpodrivalec): Služi za premikanje plina v zaprti komori. Na splošno se uporablja v motorjih tipa beta in alfa.
Bat: Pomaga pri pretvarjanju toplotne energije v mehansko energijo s premikanjem v valjih v motorju.
vztrajnik: To je struktura, na katero so pritrjeni bati. Naloga te strukture je prenos ustvarjene mehanske energije na gibljive dele.
Hladilnik: Pomaga pri hlajenju plina v zaprti komori. Pomaga pri daljši uporabi motorja.
grelec: Je najpomembnejši del motorja. Uporablja se za segrevanje plina v zaprti komori za pretvorbo toplotne energije v energijo gibanja.

Poleg tega se pri nekaterih tipih motorjev lahko uporablja v drugih komponentah, ki niso ti. To je v celoti po presoji razvijalcev.

Načelo delovanja Stirlingovega motorja

Stirlingov motor deluje s ponavljajočim se segrevanjem in hlajenjem izolirane količine delovnega plina (običajno zraka ali plinov, kot so helij, vodik).

Plin kaže obnašanje, opredeljeno s plinskimi zakoni (glede na tlak, temperaturo in prostornino). Ko se plin segreje, ker je v izoliranem prostoru, se njegov tlak dvigne in vpliva na močnostni bat, kar povzroči močni udar. Ko se plin ohladi, tlak pade in posledično bat uporabi del dela, opravljenega pri povratnem hodu, da ponovno stisne plin. Nastala mreža ustvarja silo na vretenu. Delovni plin občasno teče med vročim in hladnim izmenjevalnikom toplote. Delovni plin je zaprt v batnih cilindrih. Tu torej ni izpušnih plinov. Za razliko od drugih vrst batnih motorjev ventili niso potrebni.

Nekateri Stirlingovi motorji uporabljajo razdelilni bat za premikanje delovnega plina naprej in nazaj med hladnim in vročim rezervoarjem. Delovni plin se premika tako, da ohranja jeklenke pri različnih temperaturah, zahvaljujoč medsebojni povezavi močnostnih batov več valjev.

V pravih Stirlingovih motorjih je med rezervoarje nameščen regenerator. Ta toplota se prenaša iz regeneratorja, ko se plinski cikel pojavi med toplo in hladno stranjo. V nekaterih izvedbah je ločevalni bat sam regenerator. Ta regenerator prispeva k učinkovitosti Stirlingovega cikla. Struktura, ki jo tukaj omenjamo kot regenerator, je pravzaprav trdna struktura, ki ne bo preprečila prehoda zraka skozi njo. Za to delo lahko na primer uporabite jeklene kroglice. Ko se zrak premika med hladno in toplo sobo, prehaja skozi ta regenerator. Preden vroč zrak doseže hladen del, na teh kroglicah pusti nekaj toplotne energije. Ko hladen zrak prehaja na vročo stran, se nekoliko segreje s toplotno energijo, ki se je prej sprostila. Z drugimi besedami, poveča učinkovitost motorja s predogrevanjem zraka pred vstopom v vroč del in predhodnim hlajenjem pred vstopom v hladni del.

Idealen cikel Stirlingovega motorja ima enako teoretično učinkovitost kot Carnotov toplotni motor za enake vstopne in izstopne temperature. Njegova termodinamična učinkovitost je višja od parnih strojev. (ali nekaj preprostih motorjev z notranjim zgorevanjem in dizelskih motorjev)

Vsak vir toplote lahko poganja Stirlingov motor. Motor z zunanjim zgorevanjem, zgorevanje v izrazu je pogosto napačno razumljeno. Vir toplote je lahko proizveden z izgorevanjem, lahko pa je tudi sončna energija, geotermalna energija ali jedrska energija. Prav tako so lahko vir mraza, ki se uporablja za ustvarjanje temperaturne razlike, različni materiali pod temperaturo okolice. Hlajenje je mogoče doseči z uporabo hladne vode ali hladilnega sredstva. Ker pa bo temperaturna razlika, ki jo je treba pridobiti iz hladnega vira, majhna, bo potrebno delo z večjimi masami, izguba moči, ki bo nastala pri črpanju, pa bo zmanjšala učinkovitost cikla.Produkti zgorevanja ne pridejo v stik z notranjimi deli motorja. Življenjska doba mazalnega olja v Stirlingovem motorju je daljša kot pri motorjih z notranjim zgorevanjem.

Vrste Stirlingovih motorjev

Obstajajo 3 glavne vrste Stirlingovih motorjev. Druge vrste motorjev so izboljšane različice 3 motorjev.

Stirling motor tipa alfa:

Sestavljen je iz dveh batov, vztrajnika, zaprte plinske komore z bati, toplotnih izmenjevalnikov, generatorja toplote in vztrajnika. Namenjen je aktiviranju plina v njem tako, da z virom toplote segreje območje bata, nameščenega na vrhu. Ogreti plin začne potiskati bat naprej in nazaj, drugi povezani bat pa se začne premikati, tako da se vroč in hladen plin izpodrivata v komori. Ustvarjena energija se prenaša s pomočjo vztrajnika, na katerega sta povezana ta dva bata.

Stirlingov motor beta tipa:

Na isti gredi sta 2 bata. Ta dva bata sta med seboj povezana. S segrevanjem komore z batom na dnu se plin v zaprti komori segreje in aktivira. Na ta način se bat začne premikati navzgor. Drugi povezani bat pomaga tudi pri premikanju hladnega plina v komori. Ustvarjeno energijo prenaša vztrajnik, na katerega so pritrjeni bati.

Stirlingov motor tipa gama:

Obstajata dva ločena bata. Komora z večjim batom se segreje in plin v njej se aktivira. Na ta način se bati, ki so povezani med seboj z vztrajnikom, začnejo premikati.

Prednosti Stirlingovih motorjev

Ker se toplota uporablja od zunaj, lahko natančno nadzorujemo mešanico goriva in zraka.
Ker se za zagotavljanje toplote uporablja neprekinjen vir toplote, je količina neizgorelega goriva zelo majhna.
Ta tip motorja zahteva manj vzdrževanja in mazanja kot tipi motorjev na njihovi ravni moči.
V primerjavi z motorji z notranjim zgorevanjem so precej enostavne strukture.
Delujejo lahko tudi pri nizkem tlaku, varnejši so od strojev z virom pare.
Nizek tlak omogoča uporabo lažjih in trpežnejših jeklenk.

Slabosti Stirlingovih motorjev

Stroški so visoki v smislu varčevanja z gorivom, saj je potrebna toplota potrebna pri prvem zagonu motorja.
Njegovo moč je precej težko dvigniti na drugo raven.
Nekateri Stirlingovi motorji se ne morejo hitro zagnati. Potrebujejo zadostno toploto.
Na splošno se vodikov plin uporablja v zaprti komori. Ko pa so molekule tega plina precej majhne, ga je težko zadržati v komori. Zato se soočamo z dodatnimi stroški.
Hladilni del mora absorbirati dovolj toplote. Če je toplotna izguba prevelika, se bo učinkovitost motorja zmanjšala.

Področja uporabe Stirlingovih motorjev

Stirlingovi motorji se uporabljajo v letalskih motorjih majhne moči, ladijskih motorjih, toplotnih črpalkah, kombiniranih toplotnih in električnih sistemih. Danes se večinoma uporablja za proizvodnjo električne energije na poljih sončnih panelov.

Kaj je Stirling Engine? Kako deluje Stirlingov motor?