Stirling-cyclusi Motoren: Uitgebreid Overzicht van Ontwerp, Efficiëntie en Toepassingen

Oorsprong

Motoren converteren energie in nuttig werk. Van benzine-aangedreven automobielmotoren tot dieselmotoren in zware vrachtwagens, stoomturbines in elektriciteitscentrales, en straalmotoren in vliegtuigen, benut elk ontwerp warmte van brandende brandstoffen om mechanische taken uit te voeren.

Energie, het vermogen om werk te verrichten, kan niet volledig in werk geconverteerd worden. Bijvoorbeeld, één gallon (3,8 L) benzine bevat genoeg chemische energie om ruwweg 14 gallon (53 L) water direct te laten koken. Als dezelfde gallon een draagbare generator aandrijft, en de resulterende elektriciteit gebruikt wordt om water te koken, levert dit veel minder op—typisch slechts ongeveer 3 gallon (11 L)—voordat de generator leegloopt.

Dit verschil ontstaat omdat motoren niet 100% thermisch efficiënt zijn. De thermische efficiëntie—de verhouding van nuttig werk tot invoerenergie—daalt naarmate warmte verloren gaat door uitlaatgassen, wrijving, en andere mechanismen. Daarom is een gasfornuis of kledingdroger vaak goedkoper in gebruik dan de elektrische tegenhanger.

De wetenschap van hoe warmte gecyceld wordt om werk te produceren is thermodynamica. Elke motor werkt op een specifieke thermodynamische cyclus: benzine-motoren op de Otto-cyclus, dieselmotoren op de Diesel-cyclus, en stoomcentrales op de Rankine-cyclus. Hoewel deze cycli onmisbaar zijn geweest, kan geen enkele alle invoerwarmte in werk converteren omdat ze warmte aan de omgeving moeten afgeven. De Stirling-cyclus biedt de hoogste praktische thermische efficiëntie, omdat het de grootste hoeveelheid bruikbare warmte per cyclus behoudt.

Geschiedenis

De eerste praktische motor was James Watt's 1769 stoommotor, die kool-gevuurde ketels gebruikte om zuigers via een vier-staps cyclus aan te drijven: toetoe van stoom, expansie, condensatie, en terugkeer. Hoewel revolutionair, leden stoommotoren aan energietekortkomingen in de condenser en frequente ketelontploffingen door het mengen van hete stoom met koud water.

Als reactie bedacht dominee Robert Stirling, een ingenieur en dominee van de Kerk van Schotland, een motor die lucht in plaats van stoom gebruikte. Door de noodzaak om stoom te condenseren te elimineren, verminderde Stirlings ontwerp energietekortkomingen en verbeterde veiligheid. Echter, de beperkte metallurgie van de 19e eeuw verhinderde de constructie van krachtige Stirling-motoren, en de overvloed aan fossiele brandstoffen hield stoom- en later verbrandingsmotoren dominant.

Vandaag de dag aandrijven Stirling-motoren hoge-zuiverheid vloeibare luchtproductie, satellietinstrumenten, en enkele marine onderzeeboten. Hun superieure thermische efficiëntie trekt nog steeds onderzoek en niche-toepassingen aan.

Grondstoffen

Stirling-motoren kunnen vervaardigd worden uit diverse metalen. De motorblok wordt meestal gegoten uit buigbaar ijzer of aluminium-silicium legeringen. Hoogsterkte componenten—zoals krikassen en zuigers—kunnen S-7 werktstaal gebruiken. Pakkingen en afdichtingen zijn gemaakt van Lexan, neopreen, of natuurlijke rubber. Het werkvloeistof is een onder druk staand gas (helium of lucht). Warmte-uitwisselingselementen moeten extreme temperaturen weerstaan en zijn vaak vervaardigd uit hoogsterkte staal of keramische composieten zoals siliciumcarbide.

Ontwerp

Het ontwerpen van een Stirling-motor integreert thermodynamica, warmte-uitwisselinganalyse, trillinganalyse, mechanische dynamica, materialenwetenschap, en machine-ontwerp. Thermodynamica stelt de bedrijfstemperatuur en motorgrootte in; warmte-uitwisselinganalyse garandeert efficiënte energie-uitwisseling; trillinganalyse balanceert de motor voor soepel bedrijf; mechanische dynamica en materialenwetenschap bepalen componentsterktes; en machine-ontwerp vertaalt de cyclus in een werkende machine.

In tegenstelling tot stoommotoren, gebruiken Stirling-motoren een gas (lucht, waterstof, of helium) als werkvloeistof en emploeyeren twee cilinders—een expansieruimte en een compressieruimte—verbonden door een verplaatserzuiger. Het sleutelvoordeel van de motor is dat het overtollige warmte opslaat in een regeneratieve warmtewisselaar in plaats van het af te voeren aan een condenser, wat het de meest thermisch efficiënte motor mogelijk maakt.

Typische automobielmotoren bereiken ~30% thermische efficiëntie; kolen-gefuurde centrales ~45%; grote dieselmotoren tot 50%. Een Stirling-motor werkend bij een verbrandingstemperatuur van 1.370 °C kan theoretisch ~78% efficiëntie bereiken, hoewel praktische ontwerpen momenteel nog tekortschieten aan dit ideaal.

Stirling-motoren zijn externe-verbrandingsmachines: de warmtebron ligt buiten de motor, waardoor het werkvloeistof vrij blijft van verbrandingsbijproducten en resulterend in minder dan 5% van de stikstofoxide-emissies van vergelijkbare verbrandingsmotoren.

De Stirling-cyclus omvat vier stappen: 1) Warmte wordt geabsorbeerd door het werkvloeistof in de expansieruimte, waardoor het expandeert en de krachtzuiger aandrijft; 2) De verplaatserzuiger verplaatst het vloeistof naar de compressieruimte terwijl residuele warmte naar de regeneratieve wisselaar overgebracht wordt; 3) Het vloeistof wordt gecomprimeerd in de compressieruimte, wat enige warmte aan de koude kant afgeeft; 4) Het vloeistof passeert terug door de regeneratieve wisselaar, herwinnend opgeslagen warmte voordat het terugkeert naar de expansieruimte. Een ruitenaandrijving coördineert de bewegingen van de krachtzuiger en verplaatser.

Het Productieproces

Componentproductie

• Motorblokken en zuigers worden gegoten uit gesmolten staal of aluminium, daarna gemachineerd tot nauwkeurige toleranties. Het blok bevat twee cilinders, een regeneratieve warmtewisselaar, een krikas, en vloeistofpassages.
• Na gieten wordt overbodig materiaal verwijderd, en gaten geboord of uitgehreven om strakke play te bereiken. Een gedetailleerd diagram illustreert sleutelcomponenten (A-J).
• Krikassen en verbindingsstangen worden gesmeed of gegoten. Smeden omvat het verwarmen van een blok en het vormgeven tussen staalstempels; gieten omvat het gieten van gesmolten metaal in een mal.
• Precisie-bewerking op draai- en freesmachines verfijnt toleranties tot 0,0025 mm.
• De regeneratieve warmtewisselaar wordt gevormd door duizenden fijne staaldraden door een plaat te voegen, wat een dicht netwerk creëert dat warmte overbrengt tussen de twee cilinders.
• Warmtebronnen—zonne-energie, verbranding, of afvalwarmte—verhitten direct de hoofdcylinder. Omdat de warmte constant is, moeten componenten langdurig hoge temperaturen weerstaan.

Montage

• De krikas wordt in het motorblok geplaatst met lagers die wrijving minimaliseren.
• Zuigers en verbindingsstangen worden in cilinders gelaten en met gekalibreerde moment op de krikas gebout.
• De regeneratieve warmtewisselaar wordt in het kanaal tussen cilinders ingevoegd en bevestigd.
• Cilinderkoppen en de warmtebron-afdekking worden gebout, afgedicht met pakkingen, en de warmtebronkamer geïntegreerd in de afdekking.
• Onder druk staande helium of ander werkvloeistof wordt in de motor gepompt.

Bijproducten en Afval

Stirling-motoren leveren significant meer nuttig werk per eenheid uitgestoten broeikasgas vergeleken met verbrandingsmotoren. Ze herwinnen ook afvalwarmte—bijvoorbeeld van stortgas—om elektriciteit te genereren, wat de milieu-vriendelijkheid vergroot. Zonne-energie aangedreven Stirling-systemen kunnen net-gekoppelde elektriciteit in afgelegen locaties produceren zonder fotovoltaische cellen.

De Toekomst

Massa-productie van betrouwbare, compacte Stirling-motoren zou residentiële stroomopwekking kunnen transformeren, potentieel de noodzaak voor kern- of fossiele brandstofcentrales eliminerend. Echter, uitdagingen blijven: hoge-temperatuur verbrandingskamers vereisen duur roestvrij staal of keramische composieten; robuuste tandwielmechanismen moeten complexe zuigerbewegingen in krikasrotatie vertalen; en afdichtingen moeten het werkvloeistof betrouwbaar bevatten.

Meer Informatie

Boeken

Moran, Michael J., and Howard N. Shapiro. Fundamentals of Engineering Thermodynamics. 4th ed. John Wiley & Sons, 2000.

Organ, A. J. Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Machine. Cambridge University Press, 1992.

Walker, Graham. Stirling Engines. Oxford University Press, 1980.

Walker, Graham, Graham Reader, Owen R. Faubel, and Edward Bingham. The Stirling Alternative: Power Systems, Refrigerants and Heat Pumps. Gordon and Breach Science Publishers, 1996.

Overige

Griessel, Eugene. Home Page. "Animation of a Stirling Cycle." 27 september 2001. https://www.dynagen.co.za/eugene/stirlinghtm.

"Stirling Cycle Frequently Asked Questions." American Stirling Company Webpagina. 27 september 2001. https://www.stirlingengine.com/FAQ.asp.

Jeff Raines