Stirling technológia: Stirling hűtőgépek

A Stirling technológia felhasználásának lényege, hogy hőenergiából mozgási, abból pedig generátorok segítségével elektromos energiát állítsunk elő.
Azonban a Stirling gépet fordítottan is lehet működtetni, vagyis mozgási energiát befektetve (pl. megforgatva), hőszivattyúkét (hűtő vagy fűtőgépként) is üzemeltethető.
https://www.youtube.com/watch?v=GFfMruoRMGo&list=PL_PWXXVUD7iq9FvbLffjVYsA--L300Knn

A működése:

A Stirling gép ilyenkor hőszivattyúként működik. Leggyakrabban elektromos energia felhasználásával a munkadugattyú sűríteni kezdi a gázt, mely eközben felmelegszik. A gáz megnövekedett hőmérsékletét elvonjuk, amivel akár fűteni is lehet. Ezután a kiszorító dugattyú áttereli a gép hűtött oldalára a gázt, a munkadugattyú pedig visszatér a kiindulási helyzetébe. A gáz nyomása normalizálódik, közben kitágul az eredeti mértékben, de mivel az előző ciklusban hőenergiát vontunk ki belőle, így annyival alacsonyabb hőmérsékletre hűl le. A gépnek ezt a ciklusát így hűtésre is fel lehet használni.

A legmodernebb Stirling ciklusú gépek termoakusztikus elven működnek, melyekről később a termoakusztikus gépkenél olvashatsz bővebben.
A hagyományos Stirling hűtőgépeknél több típust is használnak. Például a Stirling Cryogenics gépei 1, vagy 4 hengeresek. Képesek extrém alacsony hőfokot előállítani, -75-től, akár -250 Celsius fokig, így kiválóan lehet használni őket a gázok cseppfolyósítására.

Történelmi adatok:
1834 John Herschel Csillagász hűtött először Stirling-géppel.
1849-ben a skót származású, de Dél-karolinába (USA) kivándorolt John Gorrie, már jeget állított elő vele.
1876-ból Alexander Carnegie Kirk publikációjából kitűnik, hogy akkoriban már szélesebb körben is ismerték a hűtő technológiát.
A századfordulóra mégis, szinte teljesen feledésbe merültek a hideget előállító Stirling gépek, és csak 1940-ben, a Holland Philips cég karolja fel újra a technológiát.
1946-ban JWL Köhler Philips vezetésével gázt cseppfolyósítottak.
1964-ben, mikor William Beale, az Ohio egyetem professzora megalkotta szabad (free) dugattyús gépét.

A free dugattyús hűtőgép:

Beale rajza a free dugattyús gépéről

Kiderült, hogy egy free gép is képes előállítani megfelelő kompressziót, ráadásul nem kell forgattyús szerkezet sem.
Az első gyakorlati free hűtőgép:

1983-ban az Athéni Sunpower inc. bemutatta magas frekvencián dolgozó, Spike névre keresztelt gépét.

1995-ben David Berchowitz, dél-afrikai mérnök, aki korábban dolgozott a Sunpowernél is elhatározta, hogy napenergiával működő hűtőt fog készíteni, de szem előtt tartja a valós felhasználói igényeket is. Megalapította saját cégét, a Holland székhelyű Global Cooling Inc-t, és megkezdte a free Stirling hűtők kereskedelmi forgalmazását.

-50 fok Celsiusra tervezett hűtő egység

2001-ben a szabad dugattyús Stirling hűtőszekrények 30%-kal kevesebb energiát használtak, egyharmaddal kisebb volt a súlyuk és nem tartalmaztak az ózonrétegre káros fluorozott szénhidrogéneket, mint a Rankine rendszerű hagyományos hűtők!

Így működik a free dugattyús stirling hűtő:

MC hűtőgép:

Az egzotikus gépek kedvelőinek bemutatunk egy MC (Moving Cylinder-mozgó henger) hűtőgép konstrukciót Hubert Stierhof-tól.

A lendkereket egy 40 Wattos motor forgatja. Ez rázza az egész gépet 26 mm-es lökettel, aminek a másik oldalát a keretben lévő gumilap tartja. A munkadugattyú nem mozog, az az állványhoz van rögzítve. A kiszorító dugattyú mindössze kettő millimétert rezeg. A kiszorító mozgását mágnesekkel befolyásolják, hogy a mozgásának a fáziskülönbsége a munkadugattyúhoz képest minél inkább 90 fokhoz közeli legyen. A kamra másik oldala, vagyis a gép vége a hideg oldal. Sajnos, hogy milyen hőmérsékleti teljesítményt tud leadni, arról nincsenek információink, mindenesetre érdekes gép!
Erről a gépről, és egyéb érdekes modelljeiről bővebben Huber saját oldalán olvashattok:

http://www.alice-dsl.net/bsuhrbier3/MC_Cooler.html

Egy hasonló japán kísérlet:
http://members.jcom.home.ne.jp/kobysh/experiment/Cooler/cooler1.html

A legújabb generációt képviselik a termoakusztikus hűtőgépek.
A termoakusztikával részletesebben a termoakusztikus géptípusoknál foglalkozunk.
A képen a Los Alamos National Laborratory földgáz csepfolyósító (-160 fok celsius) termoakusztikus gépe látható:

A hang nyomásfluktuáció. A hangot a csőbe vezetjük amely egy műanyag regenerálót (film) tartalmaz. Amikor a nyomás nő a csőben, a zárt vége felé a gáz tömörödik és felmelegszik. A megnövekedett hőmérsékletéből pedig lead a környezetének a regeneráló felső részén keresztül. Amikor a nyomás csökken, a gáz egy része hátrább húzódik a regenerálóban, a hőmérséklete leesik és hőt von el a környezetétől. Mivel a gázból már az előzőekben elvontunk hőt, amikor a nyomása visszaesik, hidegebbre hűl, mint a környezeti hőmérséklet. Tehát, a regenerátor felső része melegszik, az alsó pedig lehűl, így működik az állóhullámú termoakusztikus hűtőgép, amely az alábbi videón látható.

http://youtu.be/tP8PUU2ig9s

Egy videó a termoakusztikus hűtőről:

https://www.youtube.com/watch?v=jwV4GkniFNo