Stirlingov motor
Stirlingov motor je vrsta toplotnog motora koji radi sa cikličnom kompresijom i ekspanzijom vazduha ili drugog gasa na raznim temperaturama, tako da dolazi do pretvaranja toplote u mehanički rad.[1]
Motor spada u vrstu motora sa sa vanjskim sagorevanjem, pošto se gorivo koje proizvodi toplotu ne nalazi unutar motora, kao kod običnih motora sa unutrašnjim sagorijevanjem. U tome je sličan parnoj mašini, ali ne koristi paru za radni medijum već gas, obično vazduh. Radni gas je stalno zatvoren u motoru i nije predviđena njegova razmjena sa okolinom. Kao u svim toplotnim motorima, ciklus se sastoji od kompresije hladnog gasa, zagrijavanja gasa, ekspanzije gasa, i na kraju hlađenja gasa prije ponavljanja ciklusa.
Originalno zamišljen 1816. kao motor za industriju i takmac parne mašine, uglavnom je korišten za manje snage i u manjoj mjeri od parne mašine.[2] Stirlingov motor se odlikuje visokim stepenom iskorišćenja, tihim radom, i mogućnošću korištenja najrazličitijih oblika toplote za rad. Pogodnost za upotrebu sa alternativnim i obnovljivim izvorima energije postaje sve značajnija sa obzirom na iscrpljivanje fosilnih goriva, i očuvanje prirodne okoline. Ovaj motor stoga ponovo pobuđuje zanimanje kao glavna komponenta kombiniranih postrojenja za proizvodnju struje i toplote, i u toj ulozi je efikasniji i sigurniji pri radu nego parne mašine slične snage.[3][4]
Ime i definicija uredi
Robert Stirling je bio izumitelj prvog praktičnog motora na vrući vazduh 1816. Razni tipovi motora na vrući vazduh su dalje najčešće nazivani imenima svojih dizajnera. Tokom 1940-ih godina firma Filips je tražila pogodno ime za svoju verziju vazdušnog motora, i na kraju se odlučila za naziv Stirlingov motor 1945. godine.[5]
Međutim, termini vazdušni motor i Stirlingov motor su nastavljeni da se koriste usporedno. Situacija je sada ponešto jasnija, naročito u akademskoj literaturi. Danas se smatra da se termin Stirlingov motor treba odnositi isključivo na regenerativni toplotni motor sa zatvorenim ciklusom sa stalnim gasovitim radnim fluidom.
Motor koji radi na istom principu ali koristi tekućinu (tečnost) umjesto gasa je patentiran 1931. pod imenom Maloneov toplotni motor.[6]
Funkcija i dijelovi uredi
Motor je napravljen tako da se radni gas kompresira u hladom dijelu motora i ekspandira u vrućem dijelu motora. Ovo dovodi do pretvaranja toplote u mehaničku energiju (rad).[7] Unutrašnji regenerativni izmjenjivač toplote povećava termalnu efikasnost Stirlingovog motora u usporedbi sa jednostavnijim motorima na vrući vazduh koji nemaju ovaj dodatak.
Stirlingov motor ima bar jedan izvor toplote i jedan hladnjak (primač toplote), i do pet izmjenjivača toplote. Broj izmjenjivača toplote je minimalno dva, po jedan za vrući i hladni prostor.
Izvor toplote uredi
Izvor toplote može biti izgaranje fosilnog goriva, a pošto je proces izgaranja izvan motora, Stirlingov motor može raditi na goriva koja su nepodesna za motore sa unutrašnjim sagorijevanjem, kao što je nerafinirani zemni gas, drvo, ugalj itd.
Najznačajnije je to što može da radi sa obnovljivim izvorima energije kao što su solarna energija, geotermalna energija, nuklearna energija, višak toplotne energije od drugih industrijskih procesa itd. Solarna energija se koncentrira paraboličnim ili pomičnim ravnim ogledalima na vrući dio motora.[8] Solarni Stirling motori postaju sve popularniji zbog toga što su potpuno čiste opcije za proizvodnju električne energije.[9]
Grijač (grejač) uredi
U malim motorima ovo su zidovi vrućeg cilindra. Za veće instalacije potrebno je imati odgovarajuće izmjenjivače toplote za efikasni prijenos toplote u vrući cilindar.
Regenerator (regenerativni izmjenjivač toplote) uredi
U Stirlingovom motoru, regenerator je unutrašnji izmjenjivač toplote i privremeno spremište toplotne energije smješten između hladnog i vrućeg prostora motora. Kroz njega protiče radni gas prvo u jednom pa u drugom smjeru. Njegova funkcija je da zadrži toplotu koja bi inače bila izgubljena u okolinu.[10] i s time se omogućava da se termalna efikasnost motora približi najvećoj efikasnosti mogućoj za Karnoov ciklus.
Primarni efekt regeneracije toplote u Stirlingovom motoru je veliko povećanje termičke efikasnosti sa ponovnim korištenjem (reciklažom) unutrašnje toplote koja bi inače bila nepovratno izgubljena. Uz to, povećana efikasnost daje veću snagu za istu veličinu motora i izmjenjivača toplote.
Regenerator radi kao neka vrsta termičkog kondenzatora. Idealno, ima što viši termalni kapacitet, što nižu termalnu konduktivnost u smjeru prolaska gasa, i što veću u smjeru okomitom na prolazak gasa. Uz to ima minimalnu zapreminu, i pruža minimalno trenje za prolaz gasa. Što se bliže prilazi ovom idealu, povećava se efikasnost motora.[11]
Cilj dizajna regeneratora treba da bude da omogući dovoljan toplotni kapacitet i kapacitet prijenosa toplote, a u isto vrijeme da smanji što je više moguće unutrašnju zapreminu i otpor toku gasa. Ovi konfliktni zahtjevi su jedni od faktora koji utiču na granicu stepena iskorišćenja praktičnog Stirlingovog motora. Tipični dizajn koristi slojeve fine metalne mrežice sa niskom poroznošću da smanji zapreminu. Ose mrežice su okomite na smjer toka gasa da se smanji provodnost u tom smjeru i da se poveća prijenos toplote konvekcijom.[12]
Regenerator, čiji je izumitelj Robert Stirling, je glavna komponenta koja odvaja Stirlingov motor od običnih motora na vrući vazduh sa zatvorenim ciklusom. Ipak, ponekad se i motori bez regeneratora klasificiraju kao Stirlingovi motori. Ovo je zato što će u beta i gama konfiguracijama sa klipom za pomjeranje vazduha, površine klipa pomjerača i cilindra periodično razmjenjivati toplotu sa radnim gasom, time obezbjeđujući regenerativni efekt. Istu ulogu ima i prolaz koji spaja vrući i hladni cilindar u alfa konfiguraciji Stirlingovog motora.
Hladnjak uredi
U malim motorima ovo mogu biti zidovi hladnog cilindra kod alfa konfiguracije, ili hladnog prostora kod beta konfiguracije. Za veće snage potreban je hladnjak za odvođenje toplote, koji može da koristi vodu za hlađenje.
Primač toplote (okolina) uredi
Primač toplote je obično okolina. Za jače snage potreban je radijator za prijenos toplote u okolinu. Brodski Stirling motori mogu koristiti vodu za hlađenje. U kombiniranim sistemima za proizvodnju toplote za grijanje i struje, voda za hlađenje se i sama zagrijava odvođenjem toplote sa hladnjaka, pa se može dalje upotrijebiti za grijanje objekata u sistemu toplovoda.
Zanimljiva opcija je i da se vrući cilindar može držati na temperaturi ambijenta, a hladni se držati na nižoj temperaturi. Motor će i dalje raditi, sve dok postoji određena razlika u temperaturi cilindara.
Podjela uredi
Stirlingovi motori se po konstrukciji mogu podijeliti na tri osnovna tipa: alfa, beta i gama.
Alfa Stirling uredi
Alfa Stirling ima dva cilindra i dva klipa, jedan cilindar je vruć (dovodi mu se toplota) a drugi hladan (hladi se). Oni zajedno djeluju na zamajac, s tim što su akcije klipova u cilindrima pomjerene za 90 stepeni.
-
Početak ekspanzije gasa u vrućem cilindru. Klip prenosi ovu akciju na zamajac. U isto vrijeme, dolazi do početka kompresije gasa u hladnom cilindru. -
Nastavak ekspanzije u vrućem cilindru. Maksimalna kompresija gasa u hladnom cilindru, što pomaže radu klipa u vrućem cilindru, povećavajući pritisak u čitavom sistemu. Gas sada ima najmanju zapreminu i najviši pritisak. -
Maksimalna ekspanzija u vrućem cilindru. Ekspanzija je već uznapredovala u hladnom cilindru, i pritisak gasa u sistemu pada a zapremina raste. -
Kompresija je počela u vrućem cilindru i vazduh je potisnut u hladni, a maksimalna ekspanzija je istovremeno dostignuta u hladnom cilindru. Ovo dovodi do pada temperature i pritiska i povećanja zapremine gasa. Tačka najveće zapremine gasa u sistemu je dostignuta.
Ciklus rada je ovdje opisan u četiri faze ciklusa:
- Početak ekspanzije gasa u vrućem cilindru. Klip prenosi ovu akciju na zamajac. U isto vrijeme, dolazi do početka kompresije gasa u hladnom cilindru.
- Nastavak ekspanzije u vrućem cilindru. Maksimalna kompresija gasa u hladnom cilindru, što pomaže radu klipa u vrućem cilindru, povećavajući pritisak u čitavom sistemu. Gas sada ima najmanju zapreminu i najviši pritisak.
- Maksimalna ekspanzija u vrućem cilindru. Ekspanzija je već uznapredovala u hladnom cilindru, i pritisak gasa u sistemu pada a zapremina raste.
- Kompresija je počela u vrućem cilindru i vazduh je potisnut u hladni, a maksimalna ekspanzija je istovremeno dostignuta u hladnom cilindru. Ovo dovodi do pada temperature i pritiska i povećanja zapremine gasa. Tačka najveće zapremine gasa u sistemu je dostignuta.
Beta Stirling uredi
Beta Stirling ima jedan cilindar i jedan radni klip. Postoji i dodatni klip za pomjeranje gasa, i on je namjerno napravljen tako da postoji prostor između krajeva toga klipa i zidova cilindra. Njegova namjena je samo da pomjera gas od vruće strane cilindra do hladne i obrnuto.
Kada je radni gas gurnut na vrući kraj cilindra širi se i gura radni klip. Kad je radni gas gurnut na hladni kraj cilindra skuplja se i inercija mašine, pomognuta zamajcem, gura radni klip na drugu stranu da izvrši kompresiju gasa.
Gama Stirling uredi
Gama Stirling je modificirani beta Stirling u kojemu je radni klip postavljen u poseban cilindar pored cilindra u kojem se nalazi pomjerački klip. Oba klipa su povezana na isti zamajac. Gas može da teče između oba cilindra i ostaje nepodijeljen. Ova konfiguracija daje nižu kompresiju gasa ali je mehanički jednostavnija za izradu i pogodnija za više-cilindrične Stirling motore.
Vidi još uredi
Reference uredi
- ↑ "Stirling Engines", G. Walker (1980), Clarenden Press, Oxford, page 1: "A Stirling engine is a mechanical device which operates on a *closed* regenerative thermodynamic cycle, with cyclic compression and expansion of the working fluid at different temperature levels."
- ↑ T. Finkelstein; A.J. Organ (2001), Chapters 2&3
- ↑ Sleeve notes from A.J. Organ (2007)
- ↑ F. Starr (2001)
- ↑ C.M. Hargreaves (1991), Chapter 2.5
- ↑ "A new Prime Mover", J.F.J. Malone, Journal of the Royal Society of Arts, June 12, 1931, reprinted with further material as "Secrets of the Malone Heat Engine, Richard A. Ford (1983), Lindsay Publications, Bradley IL
- ↑ W.R. Martini (1983), p.6
- ↑ W.H. Brandhorst; J.A. Rodiek (2005)
- ↑ B. Kongtragool; S. Wongwises (2003)
- ↑ A.J. Organ (1992), p.58
- ↑ Y. Timoumi; I. Tlili; S. Ben Nasrallah (2007)
- ↑ K. Hirata (1998)
