Reklám

A Stirling motor működése

Mint, azt már korábban leírtuk, a Stirling motor egy zárt ciklusú hőerőgép, ami azt jelenti, hogy a munkaközeg tágulását, nem követi kipufogás, illetve nincs levegő/gőz beáramlás sem, hanem adott mennyiségű gázt melegítünk, illetve hűtünk le a gép belsejében. Ebből már látható, hogy egy merőben más működési elvű gépről van szó.
Zárjunk le egy konzerves dobozt lufival! Ha melegítjük, a benne lévő levegő is felmelegszik és kitágul. A lufink kidudorodik. Ha lehűtjük, a levegő összehúzódik, olyan, mintha a lufi beszívódna, persze valójában a légköri nyomás nyomja be.



Osszuk a dobozt két jól elkülöníthető részre, a hideg és a meleg oldalra. A doboz felső részét hűtsük, az alsó részét pedig melegítsük, és rakjunk bele egy hőszigetelő tömböt (nevezzük terelődugattyúnak), amely a doboz felét kitölti. Ha mozgatjuk ezt a tömböt a dobozban, akkor avval a két oldal között tereljük a levegőt, amely így a meleg részbe kerülve kitágul, a hidegben pedig összehúzódik. A levegőt szokták használni például két üveglap között hőszigetelőnek. A két ablaküveg között azonban áll a levegő, itt viszont erősen áramlik, ezért robbanásszerű gyorsasággal tudja a hőt fel, majd a hideg oldalon leadni.



A terelődugattyút könnyen mozgathatjuk egy rúd segítségével, amit a lufin keresztül vezetünk, egy kis lyukon.
Ezen a  kis lyukon csak lassan tud ki vagy beszivárogni a levegő, a terelődugattyút ennél gyorsabban fog mozogni, így a szivárgásnak nincs negatív jelentősége. Rögzítsük a rudat egy forgattyús tengelyre.



Készítsük a tengelyre egy újabb hajlítást, amelynek iránya 90 fokkal legyen eltolva az előző hajlításhoz képest. Egy rudazattal kapcsoljuk a lufihoz, amit immár munkadugattyúnak nevezhetünk. Még egy alkatrész, és a gépünk magát tudja meghajtani a munkadugattyúval és vezérelni a terelődugattyúval.





Rögzítsünk egy lendkereket a tengelyhez, vagy hajlítsuk meg a tengelyt úgy, hogy a hajlítás végére helyezett kis súly, a terelődugattyú ellensúlyává váljon, így súlytalanná válik.



El is készítettünk egy működő stirling-motort!
 Egy videó egy ilyen gépről:
és egy animáció:
http://youtu.be/rym_LB9tIi8

A gép működését talán még könnyebben megérthetjük, ha megfigyeljük mi történik az alábbi másik videón a bemutatott egyszerűbb golyós modellel.




A kémcsőbe lévő gáz (levegő) a melegítés hatására kitágul, és kinyomja a fecskendő dugattyúját. Ekkor azonban megdől a kémcső, és a golyók átgurulnak a meleg oldalra, míg a levegő a hideg oldalra áramlik, helyett cserélve a golyókkal. A hideg oldalon viszont lehűl a levegő, összehúzódik, és emiatt a fecskendőben alacsonyabb nyomás jön létre, ez visszahúzza a fecskendő dugattyúját. A kémcső ekkor visszabillen, a golyók visszagurulnak a hideg oldalra, a levegő pedig a meleg oldalra kerül, ahol ismét felmelegedve kitágul, és kezdődik elölről a ciklus. A golyóknak itt levegő terelő (kiszorító) szerepe van. Felváltva a hideg és a meleg oldalra sodorják a munkaközeget. Mivel a levegő folyamatos mozgásban van, nagy a turbulenciája így nagyon gyorsan, szinte robbanásszerűen felveszi a meleg oldali hőmérsékletet, majd a hideg oldalon leadja. A komolyabb gépeknél a kiszorítót általában egy forgattyús szerkezet mozgatja, de az utóbbi évtizedekben rengeteg új változat született, ugyanakkor minden hőlégmotorról elmondható, hogy levegő, vagy más alkalmasabb gáz térfogatváltozása működteti
Bővebben a motor működésével kapcsolatban, a különböző típusoknál találsz magyarázatokat.
Kezdésnek alább, a gamma típusú motor működését javasoljuk elolvasni!

 Animáció:


Gamma stirling (alaptípus)
A legáltalánosabb és legnépszerűbb géptípus . Viszonylag könnyen megépíthető, kezdők számára is ajánlott, mind HTD, mind LTD hőbevitelnél, és a teljesítményére sem lehet panasz.
Alkatrészek:



A kiszorító (vagy terelődugattyú), mint a neve is sugallja, tereli (kiszorítja) a hideg, majd a meleg oldalra a gázt. A keletkező nyomásváltozások, a munkadugattyún érvényesülve meghajtják a forgattyús szerkezetet, amely kényszerhajtásban mozgatja a kiszorítót. A kiszorító és a munkadugattyú a forgattyús tengelyen, egymással 90 fokos szöget bezárva helyezkednek el. A gép csak az egyik irányban működik.
Amennyiben alulról melegítjük a gépet, mindig a kiszorítót követi a munkadugattyú.
Ennél a gépnél a munkadugattyú kevésbé sűríti a gázt, ezért alkalmas arra, hogy alacsony hőmérséklet különbségű (LTD) üzemre is tervezzék.
Működési ciklusát 4 részre különíthetjük el (gamma magyarázat):

1. Amikor a kiszorító lefelé mozdul egyre több gáz kerül a hideg oldalra, amitől az összehúzódva részleges vákuumként hat a munkadugattyúra, így a külső nyomás munkát végez.
2. A munkadugattyú beszívódik, eléri alsó holtpontját, miközben a kiszorító dugattyú  irányt vált. Ez energiát emészt, amit a lendkerékben tárolt energia pótol. A kiszorító általában már felfelé mozdul, a 90 fokos eltolás miatt, amikor a munkadugattyú az alsó pontját eléri, ezért kis mértékben sűríti a gázt. (Alfa típusnál nagyobb mértékben.)
3. A kiszorító felemelkedik, közben egyre több gáz kerül a meleg oldalra, a nyomás növekszik, a munkadugattyú kifelé mozdul és munkát végez.
4. A kiszorító irányt változtat, közben a munkadugattyú eléri a felső holtpontját, ez ismét energiát emészt, amit a lendkerék pótol. Itt is, mint a 2-es pontban, a kiszorító már irányt vált, miközben a munkadugattyú eléri a felső pontot, így egy picit növeli a vákuumot, mielőtt a kiszorító továbbhalad az alsó pozícióba és a hűlés tovább csökkenti a nyomást.

Az LTD gépek felépítésüket tekintve általában laposabbak, a HTD gépek hosszabb kivitelűek. A hosszabb kivitelnél lehetőség van arra, hogy nagyobb legyen a távolság a hideg és meleg oldal között. Ez könnyíti a hőszeparációt. Amennyiben lapos a gép, kisebb a forgattyús szerkezet és könnyebb a kiszorító is, emiatt kisebb a forgattyús szerkezet súrlódása (erre törekedni is kell építéskor, a megfelelő szerkezeti anyagok megválasztásával), ami segíti a kis hőmérséklet különbségű működést.

A regenerátor (7-es alkatrész):
A hideg és a meleg oldal között helyezik el. Anyaga a gép típusától függően lehet fémszita, fémgyapot, könnyű, porózus műanyag, szivacs, de akár kerámia is. Amikor a meleg gáz átáramlik rajta, akkor anyaga átveszi a gáztól a hőmérsékletet, ezért segíti a gáz lehűlési ciklusát. Így a hőenergia, eme raktározott része nem megy veszendőbe, hanem ellen ütemben a hideg gáz visszaáramlásakor annak visszaadódik. Ezzel előfűti magát a meleg oldalra tartó gáz, gyorsítva a ciklust és növelve a hatásfokot. Így a hő munkává nem alakított részét sem hagyjuk veszni, hanem újra hasznosítjuk. (Ez aztán a Skót takarékosság :-) !)
A regenerátor tervezésénél figyelembe kell venni, hogy elegendő hőtároló képessége legyen (hőkapacitás), de ne növelje feleslegesen a hatásfok romboló holt teret, illetve hogy ne akadályozza a gáz áramlását. Ezért általában a gáz áramlására merőlegesen helyezik el és az átáramlást biztosító csőnél szélesebbre tervezik. Persze nem minden típusban van regeneráló, például a "játék", illetve bemutató jellegű LTD-kben általában nem használnak, a Harwell típusú Stirlingben például a kiszorító és a hengerfal közötti keskeny rés, regeneráló hatását hasznosítják, ezt rés-regenerátornak nevezzük.

Egyéb fogalmak:
LTD: ( Low Temperature Difference- alacsony hőmérséklet különbség )
Amennyiben a gép két oldala közötti hőmérséklet különbség kicsi, 100 fok Celsiusnál kisebb, akkor ezeket a gépeket LTD-nek hívjuk. (pl. Csizi gépe 2.5 fok különbséggel is működött)
HTD: ( High Temperature Difference- magas hőmérséklet különbség)
Ha a gép két oldala közötti hőmérséklet különbség magasabb 100 fok Celsiusnál, akkor ezeket a gépeket HTD-nek nevezzük.

Holt tér/ káros tér:
Minden hely, amit a kiszorító mozgása nem jár be tökéletesen, káros tér, amely a hatásfokot csökkenti. Felesleges helyen, felesleges gáz van, amely rugalmassága révén csökkenti a munkadugattyúra ható erőt. Hasonlóan, mintha a munkadugattyú és a forgattyús tengely bekötése közé rugót tennénk. A tervezésnél arra kell törekedni, hogy minél kevesebb felesleges belső tér legyen a motorban. A túl nagyra méretezett regenerátor belső tere is káros, holt tér, ezért ennek tökéletes megtervezése nem kis feladat.

Ferrofluid
Mágneses tulajdonságú olaj. A mágnes vonzza, de nem csomósodik, mert a benne lévő nano méretű ferromágneses szemcsék be vannak vonva egy felületaktív réteggel, melynek hatására taszítják egymást. Ebben a kolloid keverékben a Brown mozgás miatt a részecskék nem is ülepszenek le. Ha a dugattyú és a hengerfal között a rés kicsi, mágnesesen a megfelelő helyen tartva olyan erősen szigetel, hogy egy gép hamarabb robbanna fel, ha túlzottan megnövelnénk benne a nyomást, mintsem megszökjön rajta keresztül a gáz. Hátránya, hogy nem egy egészséges anyag, alapanyaga a kerozin, mely bőrön keresztül a szervezetünkbe jutva mérgez, illetve a gőzei belélegezve is. Emellett melegen és nagy nyomáson nem szabad olajat használni, mert felrobban, hasonlóan, mint a Diesel-motorban a gázolaj. Egy ilyen robbanástól legalább egy ember meghalt már, egy Stirling fejlesztő, a Philips-nél!
Használatát igazából feleslegesnek ítéljük, de mert néha megemlítik fórumokon (egyre ritkábban) megemlítettük mi is)
http://hu.wikipedia.org/wiki/Ferrofluid

A termoadinamikai körfolyamatok vizsgálatával, elemzésével könnyebb megérteni, hogy lehet a gázokkal munkát végeztetni.
Stirling körfolyamat/ciklus:
expanzió – izoterm 2-3
hőelvonás – izochor 3-4
kompresszió – izoterm 4-1
hőbevezetés – izochor 1-2



Nyomás-térfogat (P-V) diagram:
A folyamat iránya hőerőgépeknél az óramutató járásával megegyező irányú, hőszivattyúk esetében pedig fordított.
bővebben wiki:
http://hu.wikipedia.org/wiki/K%C3%B6rfolyamat 

Állapotváltozások típusai:
Izoterm állapotváltozás közben a leadott, vagy felvett hő teljes mértékben a térfogatváltozásra használódik, a hőmérséklet állandó.
Adiabatikus változás, ha termikusan el van szigetelve a rendszer, a gáz nem ad és nem vesz fel hőt, ezért a gáz hőmérséklete a nyomás változásának megfelelően változik. (A valóságban csak politróp változás lehet, mert nincs tökéletes hőszigetelés)
Izobár állapotváltozás közben a gáz nyomása állandó.
Izochor állapotváltozás közben a rendszer térfogata állandó. (nincs munkavégzés)

 A gamma stirling-motot valós P-V diagramja:




A diagram innen származik:
http://www.robertstirlingengine.com/gamma_uk.php
Bővebben a wikin:
http://hu.wikipedia.org/wiki/T%C3%A9rfogati_munka
A képek forrása:
Koichi Hirata oldaláról a http://www.bekkoame.ne.jp/