Stirling Cycle Engine

Achtergrond

Een motor is een machine die energie omzet in nuttig werk:het verbranden van kolen om bijvoorbeeld de aandrijfas van een generator van een elektriciteitscentrale te laten draaien. De meest voorkomende motor die tegenwoordig in productie is, is de benzine-aangedreven automotor. Andere veel voorkomende motoren zijn de dieselmotor die wordt gebruikt in zware vrachtwagens en sommige personenauto's, de stoomturbine die elektriciteit opwekt in elektriciteitscentrales, de straalmotor die wordt gebruikt om vliegtuigen aan te drijven en de tweetaktbenzinemotor die wordt gebruikt om kleinere apparaten zoals grasmaaiers aan te drijven. Elk van deze motoren zet de warmte die wordt gegenereerd door de verbranding van een fossiele brandstof om in nuttig werk.

Energie is het vermogen om arbeid te verrichten. De twee grootheden zijn gerelateerd en hebben dezelfde eenheden, maar energie kan niet volledig in arbeid worden omgezet. Als het bijvoorbeeld wordt gebruikt om een ​​kachel van brandstof te voorzien, bevat 1 gal (3,8 1) benzine voldoende chemische energie om onder standaardomstandigheden ongeveer 14 gal (53 1) water te koken. Als diezelfde liter benzine echter in een draagbare generator zou worden gestopt (die de benzine zou omzetten in werk en vervolgens het werk in elektriciteit) en als de elektriciteit vervolgens zou worden gebruikt om water op een elektrisch fornuis te koken, is het onwaarschijnlijk dat meer dan 3 gal (11,4 1) water kon worden gekookt voordat de brandstof in de generator opraakte.

De reden dat het elektrische fornuis niet zoveel water kan koken als een gasfornuis op benzine, is dat motoren niet 100% thermisch efficiënt zijn in het omzetten van warmte in arbeid - thermisch rendement betekent de hoeveelheid geproduceerd nuttig werk gedeeld door de energie die aan de motor wordt geleverd. Daarom is een gasfornuis of wasdroger goedkoper in gebruik dan een gelijkwaardig elektrisch apparaat. In het geval van de draagbare generator zou een deel van de benzine-energie in de uitlaatgassen van de motor terechtkomen, een deel zou worden verspild aan het verwarmen van de generator en een deel zou intern worden verspild als de bewegende delen in de generator tegen elkaar wrijven, waardoor mechanische energie wordt omgezet in wrijvingswarmte.

De wetenschap die bestudeert hoe warmte in een motor wordt gecirculeerd om werk te creëren, wordt thermodynamica genoemd, van het Griekse therme (warmte) en dynamis (stroom). Een cyclus die warmte omzet in arbeid staat bekend als een thermodynamische cyclus. Een automotor op benzine maakt gebruik van de Otto-cyclus. Een dieselmotor maakt gebruik van de dieselcyclus. Een stoommachine of stoomkrachtcentrale maakt gebruik van de Rankine-cyclus. Geen van deze cycli kan worden gebruikt om energie volledig in arbeid om te zetten. Dit komt omdat ze allemaal warmte moeten afstoten naar de omgeving. Een elektriciteitscentrale of stoommachine moet stoom condenseren om het water terug naar de ketel te sturen (energieverlies). Een automotor moet de hete uitlaatgassen, die een aanzienlijke hoeveelheid energie bevatten, uit de uitlaat afvoeren. De meest thermisch efficiënte praktische cyclus voor het omzetten van warmte in arbeid is de Stirlingcyclus. De Stirlingcyclus is de thermisch meest efficiënte motor omdat deze de minste hoeveelheid warmte aan de omgeving verspilt (of afstoot) voor de hoeveelheid werk die hij van een motor produceert. Een motor die de Stirling-cyclus gebruikt, staat bekend als een Stirling-cyclusmotor. Een Stirling Cycle-motor kan worden gebruikt om een ​​auto, vrachtwagen of vliegtuig aan te drijven of om elektriciteit op te wekken. Het zal dit werk doen voor minder energie-input dan een vergelijkbare Otto-, Diesel- of Rankine Cycle-motor zou kunnen.

Geschiedenis

De eerste praktische motor was de stoommachine die in 1769 door James Watt werd gepatenteerd. De motor van Watt zette energie om in werk met behulp van stoom uit kolengestookte ketels. De Watt-motor bestond uit een ketel, een zuiger in een cilinder, een watergekoelde condensor, een waterpomp, leidingen en leidingen om het water en de stoom rond de motor te verplaatsen, en koppelingen die de op en neer beweging van de zuiger omgezet in cirkelvormige beweging op een aandrijfas. De aandrijfas kan voor allerlei doeleinden worden gebruikt, zoals het aandrijven van een molen of het pompen van water uit een kolenmijn.

De motor van Watt gebruikte een thermodynamische cyclus in vier stappen om werk te creëren. De cyclus begon met een klepopening om stoom onder druk in de cilinder te laten stromen. Terwijl de stoom in de cilinder uitzette, drukte deze de zuiger in, wat nuttig werk opleverde. Toen de zuiger de bodem van de cilinder bereikte, werd de klep waardoor stoom de cilinder kon binnendringen gesloten en een klep tussen de cilinder en de condensor geopend. Omdat de condensor op een veel lagere druk stond dan de cilinder, zoog hij de stoom letterlijk omhoog de condensor in. Terwijl de stoom uit de cilinder werd getrokken, werd de zuiger samen met de stoom omhoog getrokken, waardoor de zuiger terugkeerde naar zijn startlocatie waar hij klaar was om meer werk te creëren. Nadat de stoom in de condensor weer volledig in water was omgezet, werd het water terug naar de ketel gepompt waar het weer in stoom werd omgezet, waarmee de cyclus werd voltooid.

De thermische inefficiëntie in deze cyclus is dat er nog veel energie in de stoom achterblijft wanneer deze naar de condensor wordt gestuurd. Van deze energie kan echter nauwelijks worden teruggewonnen, omdat stoom niet terug in de ketel kan worden gepompt zonder er veel werk aan te verrichten; vaak meer werk dan de warmte die in de condensor verloren gaat. De stoom moet worden omgezet in water voordat deze naar de ketel kan worden gepompt. Zo gaat een groot deel van de door de brandende kolen geleverde warmte verloren.

De stoommachine maakte de moderne industriële wereld mogelijk, maar was niet zonder nadelen. Het mengen van koud water en stoom in combinatie met primitieve metallurgie leidde tot frequente ketelexplosies. Het resulterende verlies aan mensenlevens was de motiverende factor die dominee Robert Stirling ertoe bracht (naast een van de meest vooraanstaande ingenieurs van zijn tijd, hij was ook een gewijde predikant van de Church of Scotland) om een ​​motor te ontwikkelen die lucht gebruikte in plaats van stoom om zijn zuiger aan te drijven. Als bijproduct was de Stirling-motor veel thermisch efficiënter dan de Watt-motor, voornamelijk omdat het niet nodig was dat stoom tijdens de cyclus werd gecondenseerd. Hoewel de motor van Stirling veel veiliger was, stond de technologie van die tijd de productie van Stirling-motoren van meer dan een paar pk (kilowatt) niet toe.

Stirlings motor sloeg nooit aan in de negentiende eeuw. Fossiele brandstoffen waren er in overvloed en de metallurgie verbeterde tot het punt waarop stoommachines niet langer zo gevaarlijk waren. Het inherente thermische efficiëntievoordeel van de Stirling Cycle was dus niet voldoende om de grote ontwerpuitdagingen te overwinnen waarmee ingenieurs werden geconfronteerd die krachtigere Stirling Cycle-motoren wilden bouwen. In de twintigste eeuw domineerde de verbrandingsmotor - die op de Otto-cyclus liep - de industriële wereld omdat het goedkoper was om te bouwen dan een Stirling Cycle-motor en omdat fossiele brandstoffen nog steeds redelijk geprijsd en overvloedig waren. Motorontwerpers zijn echter nooit vergeten dat de Stirling-cyclus de meest thermisch efficiënt mogelijke thermodynamische cyclus is en zijn doorgegaan met het ontwerpen van motoren die deze gebruiken. Tegenwoordig worden Stirling Cycle-motoren gebruikt om de meeste vloeibare lucht te produceren die in onderzoekslaboratoria wordt gemaakt. Ze worden ook gebruikt in weer- en spionagesatellieten en door de Zweedse marine om sommige van haar onderzeeërs aan te drijven.

Grondstoffen

De Stirling Cycle-motor kan van verschillende metalen worden gemaakt. Het motorblok is meestal gemaakt van gietijzer of een gegoten aluminiumlegering (meestal aluminium en silicium). Veel van de interne onderdelen (krukken en zuigers) zijn ook gemaakt van gietijzer of aluminium, maar sommige componenten die een hogere sterkte vereisen, kunnen worden vervaardigd uit zeer sterk S-7-gereedschapsstaal. Pakkingen en afdichtingen zijn gemaakt van Lexan, neopreen of natuurlijk rubber. De motor is gevuld met helium of lucht onder druk, de werkvloeistof genoemd. Het onderdeel dat warmte van de warmtebron naar de werkvloeistof overdraagt, moet bestand zijn tegen zeer hoge en constante temperaturen. Het kan worden gemaakt van hoogwaardig staal of een keramisch composietmateriaal zoals siliciumcarbide (SiC).

Ontwerp

Het ontwerp van de Stirling Cycle-motor is een complexe samensmelting van thermodynamica, analyse van warmteoverdracht, trillingsanalyse, mechanische dynamica, sterkte van materialen en machineontwerp. Thermodynamica wordt gebruikt om de motor te dimensioneren en de temperatuur te selecteren waarbij deze zal werken. Analyse van warmteoverdracht is vereist om te bepalen hoe warmte wordt overgedragen van de warmtebron naar de werkvloeistof en hoe de motorcomponenten worden ontworpen om deze warmtestroom te weerstaan. Trillingsanalyse wordt gebruikt om de motor in evenwicht te brengen voor een soepele werking. Mechanische dynamica is vereist om de geïnduceerde spanningen in de afzonderlijke motorcomponenten te berekenen. Sterkte van materiaalanalyse is vereist om de grootte van de afzonderlijke componenten in de motor te bepalen, zodat ze de geïnduceerde spanning kunnen weerstaan. Machineontwerp is vereist om de thermodynamische cyclus te vertalen naar een werkende motor. Elk van deze ontwerpvereisten brengt enorme hoeveelheden analyse met zich mee.

De Stirling Cycle-motor is vergelijkbaar met een stoommachine. Beide hebben zuigers en cilinders en beide zijn externe verbrandingsmotoren, aangezien de brandstofverbranding buiten de motor plaatsvindt. Het eerste grote verschil tussen de twee motoren is dat de Stirling Cycle-motor een gas (meestal lucht, waterstof of helium) gebruikt in plaats van water en stoom als werkvloeistof, de vloeistof die de zuiger beweegt en werk creëert. Een ander belangrijk verschil is dat de Stirling Cycle-motor twee cilinders of ruimtes heeft, een voor de expansie van de werkvloeistof en een voor de compressie van de werkvloeistof, terwijl een stoommachine slechts één cilinder heeft. Het belangrijkste verschil tussen de twee motoren is echter dat, in plaats van zijn overtollige warmte te verspillen in een condensor, de Stirling Cycle-motor zijn thermodynamische cyclus voltooit door zijn overtollige warmte op te slaan voor gebruik in de volgende cyclus. Hierdoor is de Stirling Cycle-motor niet alleen de meest thermisch efficiënte motor die er is, maar ook de meest thermisch efficiënte motor die er kan zijn. Een typische auto heeft een thermisch rendement van ongeveer 30%. Een kolencentrale is misschien wel 45% efficiënt. Een zeer grote dieselmotor kan een thermisch rendement van 50% hebben. Het theoretische maximale thermische rendement van een Stirling Cycle-motor die werkt bij een verbrandingstemperatuur van 2.500 ° F (1.370 ° C) zou ongeveer 78% zijn. Natuurlijk is het niemand gelukt om een ​​Stirling Cycle-motor te bouwen met iets dat in de buurt komt van die thermische efficiëntie. Tot op heden zijn ingenieurs er niet in geslaagd om de belangrijke ontwerpproblemen te overwinnen die werden veroorzaakt door de realisatie van de Stirling-cyclus.

In een stoommachine wordt warmte toegevoerd aan een ketel om stoom te creëren, die vervolgens wordt gebruikt om zuigers aan te drijven. In een Stirling Cycle-motor wordt warmte toegepast op de buitenkant van de hoofdcilinder van de motor, waardoor de lucht in de cilinder wordt verwarmd. Deze hete lucht zet uit en drijft de krachtzuiger van de motor aan. Een van de grote voordelen van een externe verbrandingsmotor ten opzichte van een interne verbrandingsmotor is dat de werkvloeistof in een externe verbrandingsmotor nooit wordt blootgesteld aan verbrandingsproducten en dus veel schoner blijft. Omdat de warmte op een gecontroleerde manier kan worden gecreëerd buiten de snel cyclische motor, produceert de Stirling Cycle-motor minder dan 5% van de smog-creërende stikstofoxiden die worden geproduceerd door een interne verbrandingsmotor voor hetzelfde werkvermogen.

De Stirling-cyclus bestaat uit vier stappen, net als de Rankine-cyclus van de stoommachine. In plaats van de werkvloeistof echter van de ketel naar de cilinder naar de condensor naar de ketel te verplaatsen, verplaatst de Stirling Cycle-motor de werkvloeistof van een expansieruimte met hoge temperatuur naar een regeneratieve warmtewisselaar naar de compressieruimte bij lage temperatuur en terug. De werkvloeistof wordt verplaatst vanwege de temperatuurverschillen tussen de warme en koude kanten van de motor. De warme kant wordt verwarmd door bijvoorbeeld afval te verbranden. De koude kant is gewoon de kant die niet wordt verwarmd, het is alleen koud ten opzichte van de warme kant. De sleutel tot het proces is de regeneratieve warmtewisselaar. Het wordt regeneratief genoemd omdat het warmte opslaat in het ene deel van de cyclus en het vervolgens teruggeeft in het volgende.

Beginnend bij het begin van de arbeidsslag, zijn de vier stappen van de Stirling-cyclus:De werkvloeistof bevindt zich allemaal in de expansieruimte, het adsorbeert warmte van de externe warmtebron, waardoor het uitzet, waarbij de krachtzuiger wordt ingedrukt en de verdringer, producerend werk; de krachtzuiger is stationair terwijl de verdringer, een zuiger die de werkvloeistof tussen ruimten in de motor heen en weer pendelt, maar geen werk doet, omhoog beweegt en de werkvloeistof uit de expansieruimte in de compressieruimte duwt. Onderweg wordt het grootste deel van de warmte die achterblijft in de werkvloeistof die niet is omgezet in werk, overgebracht naar de regeneratieve warmtewisselaar; met de werkzuiger bevestigd aan de bovenkant van de hoofdcilinder, wordt de werkvloeistof in de compressieruimte teruggecomprimeerd tot het oorspronkelijke volume, wat vereist dat wat warmte wordt afgestoten naar de koude kant van de motor, een bron van verloren warmte en dus verloren gaat thermische efficiëntie; het werkfluïdum wordt teruggevoerd door de regeneratieve warmtewisselaar, waar het een groot deel van de opgeslagen warmte terugwint, en in de expansieruimte waar het klaar is om opnieuw te worden geëxpandeerd door de externe warmtebron om werk uit te voeren.

De verschillende bewegingen van de krachtzuiger en de verdringer (soms bewegen ze samen voor processen met constant volume, terwijl de ene stationair is terwijl de andere beweegt voor compressie en expansie) worden bestuurd door een ruitvormige aandrijving.

Het fabricageproces

Fabricage van componenten

• 1 Motorblokken en zuigers worden gegoten. Gesmolten staal of aluminium wordt in een holle mal gegoten die de vorm heeft van het gewenste eindproduct en laat afkoelen. Een Stirling Cycle-motorblok heeft ruimte nodig voor twee zuigercilinders, een voor de krachtzuiger en een voor de verdringerzuiger (die de werkvloeistof terug in de krachtcilinder brengt), een regeneratieve warmtewisselaar, een krukas, een verbrandingskamer en verschillende doorgangen voor de werkvloeistof om heen en weer te bewegen tussen de twee cilinders.
• 2 Zodra het gietstuk is afgekoeld, wordt eventueel vreemd materiaal eraf geslepen. Het is meestal nodig om motorblokken af ​​te werken door gaten uit te boren die economisch niet gegoten konden worden (vanwege hun grootte of complexe geometrie) en de cilinders uit te ruimen tot de uiteindelijke gewenste diameter. Ruimen is noodzakelijk A. Warmtebron. B. Regeneratieve warmtewisselaar. C. Verdringer. D. Werkende zuiger. E. Rhombische aandrijving. F. Carter. G. Verdringer drijfstang. H. Krukas. 1. Gasafdichtingen. J. Expansieruimte waar werkvloeistof wordt verwarmd. vanwege de vereiste fijne tolerantie tussen zuiger en cilinder.
• 3 De krukas en drijfstangen worden vervaardigd door smeden of gieten. Bij het smeden wordt een stuk metalen voorraad, een knuppel genoemd, tussen twee matrijzen geplaatst (matrijzen zijn mallen gemaakt van zeer sterk gereedschapsstaal). Een hamer, met een gewicht van enkele tonnen, wordt dan op de matrijzen gedropt. De knuppel wordt gewoonlijk vóór het smeden bijna tot het smeltpunt verwarmd. Het smeedproces kan in verschillende stappen worden uitgevoerd met verschillende matrijzen om de uiteindelijke vorm te verkrijgen. Een gietstuk wordt gemaakt door een holle mal te vullen met gesmolten metaal. Het metaal kan nodulair gietijzer, staal, aluminium of een legering zijn.
• 4 De motorcomponenten worden machinaal bewerkt om de uiteindelijke toleranties te bereiken. De uiteindelijke vormgeving wordt meestal gedaan op een draaibank. De krukas/drijfstang/zuiger wordt rondgedraaid terwijl frezen (gemaakt van een harder materiaal dan het onderdeel dat wordt bewerkt) op het draaiende onderdeel worden voortbewogen om overtollig metaal te verwijderen. Moderne, computergestuurde draaibanken kunnen gemakkelijk toleranties van 0,0001 in (0,0025 mm) bereiken. Een freesmachine, waarbij het onderdeel stilstaat en het snijgereedschap draait, wordt gebruikt om de benodigde gaten, sleuven of kanalen in het laatste onderdeel te snijden.
• 5 De regeneratieve warmtewisselaar wordt vervaardigd door duizenden fijne staaldraden door een staalplaat te steken. Terwijl de werkvloeistof van de hoofdcilinder naar de hulpcilinder beweegt, geeft het zijn warmte af aan deze pennen. De pinnen die zich het dichtst bij de hoofdcilinder bevinden, zijn het heetst. De pinnen die zich het dichtst bij de hulpcilinder bevinden, zijn het koelst.
• 6 Elke warmtebron, zonne-energie of verbranding, kan worden gebruikt om een ​​Stirling Cycle-motor aan te drijven. Ongeacht de bron wordt de warmte geconcentreerd in een kamer direct naast de werkzuiger. Het fietsen van de motor verwijdert een deel van deze warmte en verbergt het om te werken. Omdat de Stirling Cycle-motor een externe verbrandingsmotor is, kan de invoerwarmte constant zijn (in tegenstelling tot de warmte die wordt gegenereerd in een interne verbrandingsmotor die wordt geproduceerd in een reeks explosies). Omdat de warmte echter constant is, moeten de motorcomponenten die in contact staan ​​met de warmtebron ontworpen zijn om gedurende een lange periode hoge temperaturen te kunnen opvangen.

Montage

• 7 De krukas wordt in het motorblok gestoken en daar met lagers vastgehouden. Lagers zorgen ervoor dat de krukas in het motorblok kan draaien zonder overmatige wrijvingswarmte te genereren. De lagers worden door middel van persen aan het motorblok bevestigd (de buitendiameter van het lager is iets groter dan de binnendiameter van het gat in het motorblok). Door het lager in het motorblok te drukken, wordt het lager stevig aan het blok bevestigd.
• 8 De zuigers en drijfstangen worden in de cilinders gelaten en van onderaf aan de krukas bevestigd met behulp van zeer sterke bouten en borgringen. De bouten worden vastgedraaid met een vooraf bepaald aanhaalmoment.
• 9 De regeneratieve warmtewisselaar wordt in de leiding gestoken die tussen de hoofdcilinder en de hulpcilinder stroomt en op zijn plaats vastgeschroefd.
• 10 De cilinderkoppen zijn vastgeschroefd aan de bovenkant van de motor, een toegangsklep is vastgeschroefd aan de onderkant van de motor. Tussen het motorblok en de deksels worden pakkingen gebruikt voor een effectieve afdichting. De warmtebronkamer is ingebouwd in het deksel van de hoofdcilinder.
• 11 De werkvloeistof wordt in de motor gepompt. De werkvloeistof is gewoonlijk helium onder druk.

Bijproducten/afval

De Stirling Cycle-motor levert veel nuttiger werk dan een verbrandingsmotor, gezien de hoeveelheid broeikasgassen en smogproducerende chemicaliën die hij uitstoot. De motor kan ook worden gebruikt om warmte terug te winnen die anders verloren zou gaan, zoals stortgas dat hij gewoon verbrandde om er vanaf te komen. De motor is dus over het algemeen milieuvriendelijk. Door zonnewarmte te benutten in Stirling Cycle-motoren, kan elektriciteit worden geproduceerd in gebieden zonder toegang tot het elektriciteitsnet zonder dat er fotovoltaïsche cellen nodig zijn.

De Toekomst

De toekomst van de Stirling Cycle-motor ziet er rooskleurig uit. Als ingenieurs een kleine, betrouwbare Stirling Cycle-motor kunnen ontwerpen en in massa produceren, zouden er geen kernenergie of elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen nodig zijn. Het grootste deel van de elektrische stroom die in huizen wordt gebruikt, kan op het terrein worden opgewekt. De motor kon het huis in de zomer koelen zonder gebruik te maken van ozonafbrekende koelmiddelen en het in de winter verwarmen. Helaas zijn er ernstige praktische ontwerpproblemen die moeten worden overwonnen voordat de Stirling Cycle-motor op grote schaal kan worden gebruikt. Het belangrijkste technische obstakel is het ontwerp van de verbrandingskamer van de motor. Omdat de Stirling Cycle-motor bij zeer hoge temperaturen werkt, kan de verbrandingskamer niet worden gebouwd uit dezelfde goedkope materialen die worden gebruikt om automotoren te produceren. Het gebruik van roestvrij staal of keramische composieten van hoge sterkte, is niet alleen duur, maar maakt de fabricage van de motor uiterst moeilijk. Andere niet-triviale ontwerpobstakels zijn onder meer het ontwerpen van een betrouwbaar overbrengingsmechanisme om de Stirling Cycle-zuigerbewegingen (die zeer complex zijn in vergelijking met een standaard Otto Cycle-automotor) om te zetten in krukasbeweging en het ontwerpen van afdichtingen die in staat zijn om de werkvloeistof in de motor te houden.

Waar meer te leren

Boeken

Moran, Michael J. en Howard N. Shapiro. Grondbeginselen van technische thermodynamica. 4e druk. John Wiley en zonen, 2000.

Orgel, A. J. Thermodynamica en gasdynamica van de Stirling Machine. Cambridge University Press, 1992.

Walker, Bram. Stirlingmotoren. Oxford University Press, 1980.

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel en Edward Bingham. Het Stirling-alternatief, energiesystemen, koelmiddelen en warmtepompen. Gordon en Breach Science Publishers, 1996.

Overige

Griessel, Eugène. Startpagina. "Animatie van een Stirling-cyclus." 27 september 2001. .

"Veelgestelde vragen van Stirling Cycle." Amerikaanse webpagina van Stirling Company. 27 september 2001. .

Jeff Raines