Pedeorelha | Hoe Stirling-motoren werken

Jacob Hoover
0
4323
104

Foto met dank aan American Stirling Company Deze motor kan draaien met alleen de warmte van uw hand. Zie afbeeldingen van motoren.

De Stirling-motor is een warmtemotor die enorm verschilt van de verbrandingsmotor in uw auto. De Stirling-motor, uitgevonden door Robert Stirling in 1816, heeft het potentieel om veel efficiënter te zijn dan een benzine- of dieselmotor. Maar tegenwoordig worden Stirling-motoren alleen gebruikt in enkele zeer gespecialiseerde toepassingen, zoals in onderzeeërs of hulpstroomgeneratoren voor jachten, waar een stille werking belangrijk is. Hoewel er geen succesvolle massamarkttoepassing voor de Stirling-engine is geweest, werken enkele zeer krachtige uitvinders eraan.

Een Stirling-motor gebruikt de Stirling-cyclus,- wat anders is dan de cycli die worden gebruikt in verbrandingsmotoren.

De gassen die in een Stirlingmotor worden gebruikt, verlaten de motor nooit. Er zijn geen uitlaatkleppen die hogedrukgassen afvoeren, zoals bij een benzine- of dieselmotor, en er vinden geen explosies plaats. Hierdoor zijn Stirling-motoren erg stil.
De Stirling-cyclus maakt gebruik van een externe warmtebron, die van alles kan zijn, van benzine tot zonne-energie tot de warmte die wordt geproduceerd door rottende planten. Er vindt geen verbranding plaats in de cilinders van de motor.

Er zijn honderden manieren om een Stirling-engine samen te stellen. In dit artikel leren we over de Stirling-cyclus en zien we hoe twee verschillende configuraties van deze motor werken.

Inhoud

De Stirling-cyclus
Stirlingmotor van het verdringertype
Stirlingmotor met twee zuigers
Waarom komen Stirling-motoren niet vaker voor??

Het belangrijkste principe van een Stirlingmotor is dat een vaste hoeveelheid gas is verzegeld in de motor. De Stirling-cyclus omvat een reeks gebeurtenissen die de druk van het gas in de motor veranderen, waardoor het werk doet.

Er zijn verschillende eigenschappen van gassen die cruciaal zijn voor de werking van Stirling-motoren:

Als je een vaste hoeveelheid gas in een vast volume aan ruimte hebt en je verhoogt de temperatuur van dat gas, dan zal de druk toenemen.
Als je een vaste hoeveelheid gas hebt en je comprimeert het (verklein het volume van zijn ruimte), dan zal de temperatuur van dat gas stijgen.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Laten we elk deel van de Stirling-cyclus doornemen terwijl we naar een vereenvoudigde Stirling-motor kijken. Onze vereenvoudigde motor gebruikt twee cilinders. De ene cilinder wordt verwarmd door een externe warmtebron (zoals vuur) en de andere wordt gekoeld door een externe koelbron (zoals ijs). De gaskamers van de twee cilinders zijn met elkaar verbonden en de zuigers zijn mechanisch met elkaar verbonden door een koppeling die bepaalt hoe ze ten opzichte van elkaar zullen bewegen.

De Stirling-cyclus bestaat uit vier delen. De twee pistons in de bovenstaande animatie volbrengen alle onderdelen van de cyclus:

Er wordt warmte toegevoegd aan het gas in de verwarmde cilinder (links), waardoor de druk toeneemt. Dit dwingt de zuiger om naar beneden te bewegen. Dit is het deel van de Stirling-cyclus dat het werk doet.
De linkerzuiger beweegt omhoog terwijl de rechterzuiger omlaag beweegt. Dit duwt het hete gas in de gekoelde cilinder, die het gas snel afkoelt tot de temperatuur van de koelbron en de druk verlaagt. Dit maakt het gemakkelijker om het gas in het volgende deel van de cyclus te comprimeren.
De zuiger in de gekoelde cilinder (rechts) begint het gas samen te drukken. De warmte die door deze compressie wordt gegenereerd, wordt afgevoerd door de koelbron.
De rechterzuiger beweegt omhoog terwijl de linkerzuiger omlaag beweegt. Dit dwingt het gas in de verwarmde cilinder, waar het snel opwarmt en druk opbouwt, waarna de cyclus zich herhaalt.

De Stirlingmotor maakt alleen vermogen tijdens het eerste deel van de cyclus. Er zijn twee belangrijke manieren om het vermogen van een Stirling-cyclus te vergroten:

Verhoog het uitgangsvermogen in de eerste fase - In deel een van de cyclus voert de druk van het verwarmde gas dat tegen de zuiger drukt, werk uit. Door de druk tijdens dit deel van de cyclus te verhogen, zal het vermogen van de motor toenemen. Een manier om de druk te verhogen is door de temperatuur van het gas te verhogen. Als we later in dit artikel naar een Stirlingmotor met twee zuigers kijken, zullen we zien hoe een apparaat een regenerator kan het vermogen van de motor verbeteren door tijdelijk warmte op te slaan.
Verlaag het stroomverbruik in fase drie - In deel drie van de cyclus voeren de zuigers werk aan het gas uit, waarbij ze een deel van het geproduceerde vermogen in deel één gebruiken. Door de druk tijdens dit deel van de cyclus te verlagen, kan het vermogen dat tijdens deze fase van de cyclus wordt gebruikt, afnemen (waardoor het vermogen van de motor effectief toeneemt). Een manier om de druk te verlagen, is door het gas tot een lagere temperatuur af te koelen.

In dit gedeelte werd de ideale Stirling-cyclus beschreven. Werkelijk werkende motoren variëren de cyclus enigszins vanwege de fysieke beperkingen van hun ontwerp. In de volgende twee secties zullen we een aantal verschillende soorten Stirling-motoren bekijken. De motor van het verdringertype is waarschijnlijk het gemakkelijkst te begrijpen, dus daar beginnen we.

Speciale T-hanks

Met speciale dank aan Brent Van Arsdell van American Stirling Company voor zijn hulp bij dit artikel.

In plaats van twee zuigers heeft een verdringer-type motor één zuiger en een verdringer. De verdringer dient om te regelen wanneer de gaskamer wordt verwarmd en wanneer deze wordt afgekoeld. Dit type Stirling-engine wordt soms gebruikt bij demonstraties in de klas. U kunt zelfs een kit kopen om er zelf een te bouwen!

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Om te kunnen werken, heeft de bovenstaande motor een temperatuur verschil tussen de boven- en onderkant van de grote cilinder. In dit geval is het verschil tussen de temperatuur van uw hand en de lucht eromheen voldoende om de motor te laten draaien.

In de figuur op deze pagina zie je twee pistons:

De krachtzuiger - Dit is de kleinere zuiger bovenaan de motor. Het is een goed afgesloten zuiger die omhoog beweegt als het gas in de motor uitzet.
De verdringer - Dit is de grote zuiger op de tekening. Deze zuiger zit erg los in de cilinder, zodat lucht gemakkelijk kan bewegen tussen de verwarmde en gekoelde delen van de motor terwijl de zuiger op en neer beweegt.

De verdringer beweegt op en neer om te bepalen of het gas in de motor wordt verwarmd of gekoeld. Er zijn twee standen:

Wanneer de verdringer zich nabij de bovenkant van de grote cilinder bevindt, wordt het meeste gas in de motor verwarmd door de warmtebron en zet het uit. De druk bouwt zich op in de motor, waardoor de krachtzuiger wordt gedwongen.
Wanneer de verdringer zich nabij de bodem van de grote cilinder bevindt, koelt het meeste gas in de motor af en trekt het samen. Hierdoor daalt de druk, waardoor de krachtzuiger gemakkelijker naar beneden kan bewegen en het gas kan comprimeren.

De motor verwarmt en koelt het gas herhaaldelijk en haalt energie uit de uitzetting en samentrekking van het gas.

Vervolgens bekijken we een Stirlingmotor met twee zuigers.

Deze inhoud is niet compatibel op dit apparaat.

Bij deze motor wordt de verwarmde cilinder verwarmd door een externe vlam. De gekoelde cilinder is luchtgekoeld en heeft vinnen om te helpen bij het koelproces. Een stang die uit elke zuiger komt, is verbonden met een kleine schijf, die op zijn beurt is verbonden met een groter vliegwiel. Hierdoor blijven de zuigers in beweging als de motor geen vermogen levert.

De vlam verwarmt continu de onderste cilinder.

In het eerste deel van de cyclus bouwt de druk op, waardoor de zuiger gedwongen wordt naar links te bewegen en werk te doen. De gekoelde zuiger blijft ongeveer stationair omdat hij zich op het punt van zijn omwenteling bevindt waar hij van richting verandert.
In de volgende fase bewegen beide zuigers. De verwarmde zuiger beweegt naar rechts en de afgekoelde zuiger gaat omhoog. Hierdoor wordt het meeste gas door de regenerator en in de gekoelde zuiger. De regenerator is een apparaat dat tijdelijk warmte kan opslaan - het kan een gaas zijn waar de verwarmde gassen doorheen gaan. Het grote oppervlak van het gaas neemt snel de meeste warmte op. Hierdoor blijft er minder warmte over die door de koelribben wordt afgevoerd.
Vervolgens begint de zuiger in de gekoelde cilinder het gas samen te drukken. De warmte die door deze compressie wordt gegenereerd, wordt afgevoerd door de koelribben.
In de laatste fase van de cyclus bewegen beide zuigers - de gekoelde zuiger beweegt naar beneden terwijl de verwarmde zuiger naar links beweegt. Dit dwingt het gas door de regenerator (waar het de warmte opneemt die daar tijdens de vorige cyclus was opgeslagen) en in de verwarmde cilinder. Op dit punt begint de cyclus opnieuw.

U vraagt zich misschien af waarom er nog geen massamarkttoepassingen van Stirling-motoren zijn. In de volgende sectie zullen we enkele van de redenen hiervoor bekijken.

Er zijn een aantal belangrijke kenmerken die Stirling-motoren onpraktisch maken voor gebruik in veel toepassingen, ook in de meeste auto's en vrachtwagens.

Omdat de warmtebron is extern, het duurt even voordat de motor reageert op veranderingen in de hoeveelheid warmte die aan de cilinder wordt toegevoerd - het duurt even voordat de warmte door de cilinderwanden naar het gas in de motor wordt geleid. Dit betekent dat:

De motor heeft enige tijd nodig om op te warmen voordat hij bruikbaar vermogen kan produceren.
De motor kan zijn vermogen niet snel veranderen.

Deze tekortkomingen garanderen bijna dat het de verbrandingsmotor in auto's niet zal vervangen. Een hybride auto met een Stirlingmotor is misschien wel haalbaar.

Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over Stirling-engines en gerelateerde onderwerpen.

Meer geweldige links

American Stirling Company
Stirling Engine Society USA
Tin Can Stirling Engine-plannen
Stirling Engine-startpagina
AirSport: Stirling Engine: The Aircraft Powerplant of the Future
De Idaho Stirling Engine

Hoe Stirling-motoren werken

Gerelateerde artikelen

Meer geweldige links