Főoldal

Stirling-motor jellemzői:

A Stirling motor külső melegítésű hőerőgép, hasonlóan a gőzgéphez, azonban víz munkaközeg helyett levegő, vagy más, alkalmasabb gázok dolgoznak benne.  A motor a gázok azon tulajdonságát használja ki, hogy azok melegítésre kitágulnak, hűtésre pedig összehúzódnak. Ez a két folyamat zárt térben váltja egymást a motor működése közben.

Működtetéséhez bármilyen külső hőforrást használhatunk, például napenergiát (lásd. a videót), geotermikus-, vagy a hasadóanyag energiáját, illetve egyéb fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor felszabaduló hőenergiát.

                                      Napenergia hasznosítsa stirling technológiával.

Amennyiben hagyományos üzemanyagokat használunk, akkor azokat egy arra alkalmas kazánban égetjük el, és ennek égésterébe építjük/toljuk bele a motor meleg oldali részét. Ennek előnye, hogy így jobb hatásfokkal égethetőek el a tüzelőanyagok, és ezért jóval kevesebb korom, illetve egyéb szennyezőanyag keletkezik. Míg a belsőégésű motoroknál a hirtelen, robbanásszerű nyomáshullámok a kipufogórendszeren keresztül erős zajhatást keltenek, addig a Stirling-motoroknál teljesen zárt a rendszer. Hang leginkább csak a forgattyús mechanizmusból származik. Amennyiben ez pontosan van elkészítve, nem csattog, kotyog, akkor nagyon halk motor is építhető. Ezért is használják tengeralattjáróknál is a Stirling technológiát.

A Stirling motor felépítése egyszerű, nincsenek szelepek. A súrlódó alkatrészek, mint például a munkadugattyú,  a motor hideg oldalán helyezkednek el, így kisebb a hőterhelésük, ezért megbízhatóbbak és hosszabb élettartalmúak a belsőégésű társaikkal szemben.
 Egyszerűsége, látványos működése miatt mind nagyobb népszerűségnek örvend a modellezők körében is, hiszen akár néhány konzervdobozból, bicikli küllőből, cd lemezből, nagyon attraktív modelleket lehet építeni, akár komolyabb műszaki tudás, vagy műhely nélkül. Vannak olyan típusok is, amelyekben még surlódó alkatrész sincs. Ilyenek például a TMG (thermo mechanical generator), valamint a Stirling motorok újabb generációja, a termoakusztikus gépek. Ez utóbbinál, az egyetlen mozgó alkatrész, egy lineáris generátorhoz csatlakozó membrán. Súrlódó alkatrészek híjján ezek a gépek nagyon hosszú élettartamúak és kevés karbantartást igényelnek..

Hol találkozhatunk vele?
 Napjainkban főleg a napenergia farmok parabolatükreiben, tengeralattjárókban, műholdakban, űrszondákban, kisebb házi erőművekben, CHP rendszerekben, új típusú hűtőgépekben használják előszeretettel, de az élet egyre több területén kezdik felfedezni számtalan előnyének köszönhetően .

Számítógép processzor hűtése stirling-motorral

Stirling motor Hatásfoka:
A Stirling körfolyamat hőhatásfoka megegyezik a Carnot körfolyamat hatásfokával, amely elméletileg a legjobb. A Carnot körfolyamat hatásfoka:
h = 1 - (Tc/Th)
ahol:
Th - A körfolyamat legmagasabb hőmérséklete
Tc - A körfolyamat legalacsonyabb hőmérséklete
Az elméleti hőhatásfok így annál jobb, minél nagyobb a hőmérséklet különbség.
A gyakorlati hatásfok függ a kialakítástól, típustól és a precizitástól is.
A gyári Stirling motoroknál a 40 %-os hatásfok is elérhető.
Amatőr gépeknél általában az 5-10% már szép eredmény. Reméljük, hogy a házi készítésű gépek hatásfoka a jövőben javulni fog, ahogy a megfelelő szerkezeti anyagok, elérhető áron hozzáférhetővé válnak, valamint a megfelelő tapasztalat, háttértudás is rendelkezésre fog állni.
Ezért is hoztuk létre ezt az oldalt!:)

 Használható autóban?

Mivel esetünkben egy külső melegítésű gépről van szó, nem szabályozható a teljesítménye hirtelen és rugalmasan, mint egy belsőégésű motornak. Pontosabban megoldható, de csak úgy, ha a gép hatásfokának lerontásával szabályozzuk, például a hideg-meleg oldal közé szelepet teszünk és a gáz áramlási sebességét szabályozzuk. Azonban ez nem gazdaságos. Ez a egyik hátránya. Ezért leginkább olyan területeken használják, ahol egyenletesen lehet járatni, például generátort hajtanak meg vele. Ettől függetlenül voltak próbálkozások. Készítettek Stirling motorral hajtott autót (PhiIips az 1970-es években), de akkoriban nem volt versenyképes. Elektromos energiát termeltetve vele és elektromotort meghajtva, manapság már az lenne. 2008-ban el is készült az első ilyen stirling elektromos  hibrid autó. Amennyiben ez elterjedne, abban az esetben az autó „rőzsével“ is elmenne, ami az államoknak adókiesést és egyéb problémákat jelenthetne...de mi azért drukkolunk! :P

Reneszánszát, az alternatív energia szektor fellendülésének köszönheti, valamint az egyre korszerűbb szigetelési anyagoknak és technológiáknak, amelyek lehetővé teszik a nagyobb nyomású munkaközegek használatát. Ezek a gépek ugyanis nyomás alatt „bokrosodnak" meg.  Ez a másik nagy hátránya.

  Az utóbbi években rohamosan fejlődő, merőben új irányvonalú fejlesztések is megjelentek. Ilyen például a termoakusztika, ahol a gépek már nem annyira látványos működésűek, mivel nem tartalmaznak a működésükhöz szükséges mozgó alkatrészt, azonban hatásfokuk meghaladja a mozgó alkatrészekkel működő társaikét. Amiért mégis ebbe a kategóriába sorolják őket az az elv, amit használnak.

Talán a jövőben a "sufni tuningos amatőröknek" is sikerül áttörni a bűvös 10%-os határt és megnyílik a lehetőség ezen gépek háztartásban való felhasználására, hogy olcsón és környezetbarát módon világíthassunk, fűthessünk/hűthessünk...élhessünk!

Milyen arányai legyenek a gépemnek?

Kiindulhatunk abból, hogy mivel szeretnéd fűteni, illetve mire szeretnéd használni.

A kiszorító dugattyúkról itt olvashatsz:
http://stirlingtechnology.blogspot.hu/2012/09/a-kiszorito-dugattyu.html

Minél több gáz van a gépben, annál nagyobb lesz a teljesítménye, de annál nagyobb lesz a kiszorító súlya és a forgattyús szerkezet súrlódása.

Ha kis hőmérséklet különbséggel akarod működtetni a gépedet, akkor lapos gépet csinálj, mert a kiszorító így könnyű marad, a rövid mozgatás miatt is, kisebb forgattyús szerkezetet kell ráépítened, amitől kicsi marad a súrlódása, így a kis teljesítménytől is fog tudni működni. Ha azt akarod, hogy még kisebb hőmérsékletre működjön, inkább szélesítsd. A másik, ha nem lenne lapos a géped, hanem hosszúkás, a kis hőbevitelt a sok levegővel tovább hígítod, ami rontja a hatásfokot! Lapos gépnél viszont a levegő mennyiségéhez képest nagy a felület, amitől jobban megmarad az a  kis energiasűrűség.

Ha nagy hőmérséklet különbséggel akarod meghajtani a gépedet, akkor a lapos gép nem lesz jó, mivel hőálló anyagokat kell használnod. Általában fémet hengernek, esetleg kiszorítónak is, és mivel közel van a hideg és a meleg oldal, ezért az átvezeti a hőt, anélkül, hogy munkába fogtuk volna. Ezért a HTD gépek hosszabb alakúak. A nagy hőmérséklet különbség miatt nagyobb az ereje, ezért a nagyobb forgattyús szerkezet nagyobb súrlódása aranyaiban kisebb jelentőségű. Ha nagy hőmérsékletre lapos, széles gépet csinálnánk, akkor különlegesebb hőszigetelő anyagokat kellene használni, speciálisabb építési módokat, melyek az amatőrök számára nehezebben elérhetőek. A nagy lapos felületek a nagy nyomásváltozásokra domborodhat, homoríthat (lélegezhet), és ez elvehet a hatásfokból. Ha vastagabb lemezt használsz, akkor kisebb lesz valamivel a hővezetése, ha meg merevítéseket raknál rá, bonyolódik az építés. Másrészt, a nagy felület viszont pozitív hatású lenne, de egyenletesen kell fűtened. Tehát, nem érdemes lapos széles gépet építeni, ha vihargyújtóval akarod fűteni, mert a hőmérséklet hiába lesz magas, ha a hőmennyiség eloszlik.  

Minél magasabb a hőmérséklet különbség, azaz minél koncentráltabban visszük be a hőmennyiséget, hőenergiát, annál magasabb hatásfokkal lehet mozgási energiává alakítani. Törekedj, rá, hogy minél kevesebb holt tér legyen a gépedben (a regenerátor belső tere is holt térnek számít)!

Béta stirling (alaptípus)

Ugyan azon 4 ciklus zajlik le itt is, mint a gamma típusú gépnél. Különbség, hogy  a munkadugattyú a henger hideg oldalán, magában a fő cilinderben helyezkedik el, tehát nincs külön hengere, ami alatt holtér keletkezne a tágulási folyamat során. Így ennél a gépnél minimalizálva van a káros tér, amitől jobb hatásfokot várhatunk, és a gép összességében is kompaktabb. Amatőröknek nehézkes a munkadugattyún keresztül megvezetni a kiszorítót és forgattyús tengely hajlítása is nehezebb, ezért ritkábban is építik. Forgattyús szerkezetnek általában rombusz megvezetést használnak (lásd. a forgattyús mechanizmus menüpontot), ami egy egymással szembeforgó fogaskerékpárból áll. 

Rombusz forgattyús szerkezettel

Képek forrásai:

http://www.robertstirlingengine.com/beta_uk.php

http://en.wikipedia.org/wiki/Rhombic_drive

Alfa Stirling (alaptípus)

Alpha Stirling (alaptípus) A gép egy hideg és egy melegített dugattyús hengerből épül fel. A gáz a két henger között közlekedik, általában a közéjük rakott regenerálón keresztül. Ennél a gépnél alapban nagy a kompresszió, ami a működéséből adódik. Ezért leginkább csak HTD módban üzemeltethető, bár van egy konzerves doboz LTD játék konfiguráció is. A két dugattyú egymáshoz képest 90 fokos eltéréssel mozog, illetve van bekötve a forgattyús tengelyre. A gép nehézsége a meleg dugattyús henger, amit iparilag nehezebb elkészíteni. Ezért újabban egy kiszorítót raknak a meleg dugattyúra, megvédve azt a hőterheléstől, de erről később. A motor csak egy irányban működik. Forgatva pedig az egyik henger melegszik, a másik hűl, tehát hűtőgépként, hőszivattyúként is jól funkciónál. A működése ennek a gépnek is négy ciklusból áll. 1 A meleg dugattyú be van nyomódva, a hideg is benyomódik, közben megnő a nyomás. (Ez munkát emészt fel) 2A meleg dugattyú kinyomódik a felmelegedő és bővülő gáztól. (ilyenkor a gép munkát végez.) 3 A hideg dugattyú is kinyomódik, a nyomás csökken. (Ez munkát emészt fel.) 4 A meleg dugattyú benyomódik, mivel a gáz egyre nagyobb része lehűl és térfogata zsugorodik. (Ez némi munkát végez) http://www.steidle.com/bilder/stirling-ablauf3.gif Az utóbbi időben a meleg dugattyúra hővédő kiszorítót helyeznek. Ez meghosszabbítja a dugattyús hengert. A lecsatlakozás a hideg dugattyúhoz így már a dugattyú közepe táján megtörténik. A dugattyú végét melegítik a kiszorító oldala és a szemben lévő henger fala már a regeneráló felület, a meleg dugattyú tömítéséért felelős alsó része már hidegebb, így kevésbé van kitéve hőterhelésnek. Az általam ismert egyik legjobb amatőr stirling-gép is ilyen: LTD konzervesdoboz alfa gép: http://www.sulinet.hu/fizika/hoero.htm Az alfa stirling-motor P-v diagramja: A kép erről a weboldalról származik: http://www.robertstirlingengine.com/alpha_uk.php LTD alfa stirling-gép: https://www.youtube.com/watch?v=yiERGFKs2bA&feature=youtu.be

Ringbom stirling

Ossian Ringbom alkotta meg ezt a típust 1905-ben. Lényegében egy free típusú gép, amelynek a munkadugattyúja lendkerékhez kötött, a terelődugattyúja pedig szabadon mozog, egy harmadik, jóval kisebb segéddugattyúnak köszönhetően.

Ez a motor tehát 3 dugattyúval rendelkezik: 1. kiszorító 2. munkadugattyú 3. A kiszorítót mozgató dugattyú, ami nincs bekötve forgattyús szerkezethez. tehát az free, vagyis szabadon rugózik egy puha rugón, esetleg palackba zárt gázrugón. A munkadugattyú jóval nagyobb felületű a kiszorítót mozgató free dugattyúnál, ezért ez az erősebb. A kiszorítót mozgató dugattyúnak csak akkora felületűnek kell lennie, hogy tudja mozgatni a kiszorítót.

Működése: Általában a kiszorító egy finom rugóval középállásba van állítva. A gépet melegítjük, a nyomás megnő, a dugattyúk kimozdulnak. A kiszorító dugattyúja eléri a felső holtppontját, míg a lendkerék tovább mozdítva a munkadugattyút, kissé megszívja a motort, lecsökkentve evvel a benti nyomást.

A csökkenő nyomás nem elegendő a kiszorító segéddugattyújának, hogy fent tudja tartani a kiszorítót és lefele mozdul. Ennek hatására egyre több levegő áramlik a hideg oldalra, így vákuum keletkezik. Ettől a vákuumtól a munkadugattyú is visszahúzódik, de a lendkerék tovább tolja lefelé és megnöveli a nyomást, ezáltal a kiszorító újra felfelé mozdul. Tehát a nagy mozgástartományú munkadugattyú által kiváltott nyomásváltások irányítják a segéddugattyút, s vele a kiszorítót. Csak a munkadugattyúval ellentétes oldalon melegítve működik!

A Ringbom-gép elméleti és gyakorlati P-V diagramja:

Egy tanulmány a Ringbom stirling gépről