Hvad er en Stirling-motor? Hvordan virker Stirling-motoren? Hvordan blev Stirling-motoren opdaget? På hvilke områder bruges det? Hvordan omdannes varmeenergi til bevægelsesenergi? Detaljer om Stirling-motorer findes i vores artikel.

Hvad er Stirling Engine?

En Stirling-motor er en maskine, der omdanner den energi, der genereres ved ekstern opvarmning af et lukket kammer, til mekanisk energi. Også kendt som en varmluftsmotor. Når den opvarmede luft udvider sig og komprimeres, begynder motoren at bevæge sig. Det blev opfundet i 1816 af den skotske præst, ærbødigste Robert Stirling. Motoren blev udviklet af hans bror, James Stirling. På opfindernes tid brugte man dampdrevne maskiner, og de var ret farlige. De satte sig for at finde et mere pålideligt alternativ. Det, de ønskede, var at omdanne varmeenergi direkte til bevægelsesenergi.

Hvad er der i Stirling-motoren?

Kraftstempel (forskyder): Det tjener til at flytte gassen i det lukkede kammer. Det bruges generelt i beta-type og alfa-type motorer.
Stempel: Det hjælper med at omdanne varmeenergi til mekanisk energi ved at bevæge sig i cylindrene i motoren.
Svinghjul: Det er strukturen, som stemplerne er fastgjort til. Denne strukturs opgave er at overføre den genererede mekaniske energi til de bevægelige dele.
Køler: Det hjælper med at afkøle gassen i det lukkede kammer. Det hjælper motoren til at blive brugt i længere perioder.
Varmeapparat: Det er den vigtigste del af motoren. Det bruges til at opvarme gassen i det lukkede kammer for at omdanne varmeenergien til bevægelsesenergi.

Derudover kan den i nogle motortyper bruges i andre komponenter end disse. Dette er helt op til udviklernes skøn.

Arbejdsprincippet for Stirling Engine

En Stirling-motor fungerer ved gentagen opvarmning og afkøling af en isoleret mængde arbejdsgas (normalt luft eller gasser som helium, brint).

Gassen udviser adfærd defineret af gaslovene (i forhold til tryk, temperatur og volumen). Når gassen opvarmes, fordi den er i et isoleret rum, stiger dens tryk og påvirker kraftstemplet, hvilket giver et kraftslag. Når gassen afkøles, falder trykket, og som følge heraf bruger stemplet noget af det arbejde, der er udført på sit returslag, til at komprimere gassen igen. Det resulterende netværk skaber kraft på spindlen. Arbejdsgassen strømmer periodisk mellem de varme og kolde varmevekslere. Arbejdsgassen er forseglet inde i stempelcylindrene. Så der er ingen udstødningsgas her. I modsætning til andre typer stempelmotorer er ventiler ikke nødvendige.

Nogle Stirling-motorer bruger et splitterstempel til at flytte arbejdsgassen frem og tilbage mellem kolde og varme tanke. Arbejdsgassen bevæger sig ved at holde cylindrene ved forskellige temperaturer, takket være sammenkoblingen af kraftstemplerne i de flere cylindre.

I rigtige Stirling-motorer er der placeret en regenerator mellem tankene. Denne varme overføres fra regeneratoren, når gascyklussen opstår mellem den varme og kolde side. I nogle designs er separatorstemplet selve regeneratoren. Denne regenerator bidrager til effektiviteten af Stirling-cyklussen. Den struktur, der her omtales som regeneratoren, er faktisk en solid struktur, der ikke forhindrer noget luft i at passere gennem den. For eksempel kan stålkugler bruges til dette job. Når luften bevæger sig mellem et koldt rum og et varmt rum, passerer den gennem denne regenerator. Inden den varme luft når den kolde del, efterlader den noget varmeenergi på disse bolde. Efterhånden som den kolde luft passerer til den varme side, varmes den lidt op med den varmeenergi, der er frigivet før. Det øger med andre ord motorens effektivitet ved at forvarme luften inden den kommer ind i den varme del og forkøle inden den kommer ind i den kolde del.

En ideel Stirling-motorcyklus har samme teoretiske effektivitet som en Carnot-varmemotor for samme indgangs- og udgangstemperaturer. Dens termodynamiske effektivitet er højere end dampmaskiner. (eller nogle simple forbrændings- og dieselmotorer)

Enhver varmekilde kan drive Stirling-motoren. Ekstern forbrændingsmotor, forbrænding i udtrykket er ofte misforstået. Varmekilden kan genereres ved forbrænding, men kan også være solenergi, geotermisk energi eller atomenergi. Ligeledes kan den kolde kilde, der bruges til at skabe en temperaturforskel, være forskellige materialer under den omgivende temperatur. Køling kan opnås ved brug af koldt vand eller et kølemiddel. Men da temperaturforskellen, der skal opnås fra den kolde kilde, vil være lav, vil det kræve arbejde med større masser, og det effekttab, der vil opstå i pumpningen, vil reducere effektiviteten af cyklussen.Forbrændingsprodukter kommer ikke i kontakt med med de indvendige dele af motoren. Smøreolies levetid i Stirling-motor er længere end i forbrændingsmotorer.

Stirling motortyper

Der er 3 hovedtyper af stirlingmotorer. Andre motortyper er forbedrede versioner af 3 motorer.

Alfa type stirling motor:

Den består af to stempler, et svinghjul, et lukket gaskammer med stemplerne, varmevekslere, en varmegenerator og et svinghjul. Det er rettet mod at aktivere gassen i den ved at opvarme det område af stemplet, der er placeret øverst, med en varmekilde. Den opvarmede gas begynder at skubbe stemplet frem og tilbage, det andet tilsluttede stempel begynder at bevæge sig, så den varme og kolde gas fortrænges i kammeret. Den genererede energi overføres ved hjælp af svinghjulet, som disse to stempler er forbundet med.

Beta type stirling motor:

Der er 2 stempler på samme aksel. Disse to stempler er forbundet med hinanden. Ved at opvarme kammeret med stemplet i bunden opvarmes og aktiveres gassen i det lukkede kammer. På denne måde starter stemplet sin opadgående bevægelse. Det andet tilsluttede stempel hjælper også den kolde gas med at bevæge sig i kammeret. Svinghjulet, som stemplerne er fastgjort til, overfører den genererede energi.

Gamma type stirling motor:

Der er to separate stempler. Kammeret med det større stempel opvarmes, og gassen i det aktiveres. På denne måde begynder stemplerne, der er forbundet med hinanden med svinghjulet, at bevæge sig.

Fordele ved Stirling-motorer

Da varmen tilføres eksternt, kan vi præcist kontrollere brændstof- og luftblandingen.
Da en kontinuerlig varmekilde bruges til at levere varme, er mængden af uforbrændt brændsel meget lille.
Denne type motor kræver mindre vedligeholdelse og smøring end motortyper på deres effektniveau.
De er ret simple i opbygningen sammenlignet med forbrændingsmotorer.
De kan arbejde selv ved lavt tryk, de er sikrere end dampkildemaskiner.
Lavt tryk tillader brugen af lettere og mere holdbare cylindre.

Ulemper ved Stirling-motorer

Omkostningerne er høje i forhold til brændstoføkonomien, da der kræves den nødvendige varme ved første start af motoren.
Det er ret svært at tage sin magt til et andet niveau.
Nogle stirlingmotorer kan ikke starte hurtigt. De har brug for tilstrækkelig varme.
Generelt bruges brintgas i et lukket kammer. Men når molekylerne i denne gas er ret små, er det svært at holde det i kammeret. Derfor står vi over for ekstra omkostninger.
Den kølige del skal absorbere tilstrækkelig varme. Hvis der er for stort varmetab, vil motorens effektivitet falde.

Anvendelsesområder for Stirling-motorer

Stirling-motorer bruges i laveffekt-luftfartsmotorer, marinemotorer, varmepumper, kombinerede varme- og kraftsystemer. I dag bruges det mest til at generere elektricitet i solpanelfelter.

Hvad er Stirling Engine? Hvordan fungerer en Stirling-motor?