Stirling-motor: Hva er fordelene?
En Stirling-motor er en frem- og tilbakegående varmemotor som bruker varme fra en ekstern kilde for å skape energi til arbeidssyklusen. Denne varmen oppnås ofte ved ekstern forbrenning, så det er en ekstern forbrenningsmotor.
Denne typen motor bruker kjemisk energi oppnådd ved å brenne drivstoff for å varme opp arbeidsstoffet, som deretter utfører arbeid i motoren. Forbrenningen skjer alltid utenfor motoren, og arbeidsstoffet er oftest gass.
Innhold
- Historien til Stirling-motoren i et nøtteskall
- Konstruksjonen av Stirling-motoren
- Hvordan fungerer en ensylindret Stirling-motor?
- Hvordan fungerer en to- eller fleresylindret Stirling-motor?
- Fordeler med Stirling-motoren
- Ulemper med Stirling-motoren
- Bruk av Stirling-motoren
- Fremtidige innovasjoner
- Interessante fakta om Stirling-motoren
- Vanlige spørsmål om Stirling-motoren
- Konklusjon
Historien til Stirling-motoren i et nøtteskall
Utviklingen av Stirling-motoren begynte på begynnelsen av 1800-tallet da den skotske ingeniøren og presten Robert Stirling prøvde å skape et sikrere alternativ til dampmaskiner, som var beryktet for å eksplodere. Stirling-motoren ble patentert i 1816. I årene etter gjennomgikk den flere forbedringer for å øke effektiviteten. Stirling-brødrene patenterte også en varmluftsmotor i 1827.
I løpet av 1800- og 1900-tallet opplevde Stirling-motorer økt interesse og innovasjon, spesielt under drivstoffmangel eller perioder med rask teknologisk fremgang. I dag kommer Stirling-motorer igjen i forgrunnen som et økologisk alternativ til tradisjonelle forbrenningsmotorer.
Konstruksjonen av Stirling-motoren
Designmessig har Stirling-motoren mange fordeler fremfor andre forbrenningsmotorer. Motoren er robust og har en enkel konstruksjon, noe som gjør den meget pålitelig.
Denne motoren er innkapslet og tett, noe som gjør at den kan brukes for eksempel under vann eller i vakuum. Siden drivstoffet ikke brenner inne i motoren, er det ingen unødvendig støy eller vibrasjoner.
Motoren er derfor roligere, mer raffinert og har lengre levetid enn klassiske forbrenningsmotorer fordi delene belastes mindre. Effektiviteten til Stirling-motoren er den samme, noen ganger enda høyere, enn de beste dieselmotorene. Den største fordelen er imidlertid at forskjellige typer drivstoff kan brukes til å drive motoren.
Hvordan fungerer en ensylindret Stirling-motor?
Til å begynne med har gassen lav temperatur, og dermed er trykket plassert mellom nedre (lekkasje) og øvre arbeidsstempler (tette), som er sammenkoblet. Det nedre stempelet beveger seg til den øvre delen av sylinderen og driver ut gassen, som strømmer rundt stempelet inn i den nedre delen av sylinderen, som varmes opp av en ekstern varmekilde.
Takket være oppvarmingen øker temperaturen på gassen inne i sylinderen. Gassen øker dermed volum og trykk og utvider seg oppover mens den igjen strømmer rundt det utette stempelet.
Motorstempler: Hvordan fungerer de?
På toppen av sylinderen avkjøles gassen, og reduserer volum og trykk, noe som får arbeidsstempelet til å bevege seg nedover, løfte det lekkende stempelet oppover og la gassen gå tilbake til bunnen av sylinderen, som varmes opp. Denne syklusen gjentar seg selv.
Hvordan fungerer en to- eller fleresylindret Stirling-motor?
En ekstern varmekilde varmer opp den røde sylinderen. Gassen i sylinderen øker volumet og trykket, og skyver det (røde) sylinderstempelet til toppen. Etter at stempelet når sylinderens øvre grense, strømmer gassen gjennom røret inn i den andre (blå) sylinderen.
Der blir den avkjølt, takket være noe som reduserer volumet og trykket, noe som får stempelet til å falle, noe som skyver den avkjølte gassen tilbake i den oppvarmede sylinderen.
Fordeler med Stirling-motoren
Stirling-motoren har en allsidig bruk og kan sammenlignes med gnist- eller dieselmotorer. Det er som nevnt en motor med ekstern forbrenning, som skaper færre skadelige stoffer.
Bensin- og dieselmotor: Hvordan er de forskjellige?
Siden ingen substans kommer inn eller ut av motoren, er det mulig å bruke den mest passende fyllingen i sylindrene. De viktigste fordelene med Stirling-motoren inkluderer følgende:
- Drivstoffallsidighet: Stirlingmotorer kan kjøre på praktisk talt alle varmekilder, noe som gjør dem tilpasningsdyktige til et bredt spekter av drivstoff, inkludert fornybare energikilder som solenergi.
- Høy effektivitet: Takket være regeneratoren og de isotermiske prosessene kan Stirling-motorer oppnå høyere termisk effektivitet sammenlignet med forbrenningsmotorer.
- Lavt utslipp: Den eksterne forbrenningsprosessen resulterer i lavere utslipp og mindre forurensning, noe som gjør Stirling-motorer til en miljøvennlig løsning. Færre skadelige stoffer kommer inn i luften på grunn av fravær av olje i drivstoffet.
- Stille drift: Stirlingmotorer fungerer med minimalt med støy og vibrasjoner fordi det ikke er noen intern forbrenning og ingen rask fjerning av eksosgass.
Drivstoff til Stirling-motoren
Som allerede nevnt, er en stor fordel med Stirling-motoren fremfor andre forbrenningsmotorer at et bredt spekter av forskjellige drivstoff kan brukes til å drive motoren, for eksempel:
- Naturgass (den oppnår de beste resultatene fra et økonomisk, men også et økologisk synspunkt)
- Flytende og gassformig brensel
- Fast brensel
- Biomasse (flis, planterester og andre...) Biogass (gass fra deponier, avløpsrenseanlegg, koksgass)
- Solenergi
- mange flere...
Bortsett fra Stirling-motoren, kan ingen andre motorer bruke en så bred gruppe av forskjellige kilder for sin fremdrift.
Ulemper med Stirling-motoren
Som alle andre enheter har Stirling-motoren fordeler og ulemper. Vi kan inkludere følgende blant ulempene med denne motoren:
- Lavere effekt-til-vekt-forhold: Sammenlignet med forbrenningsmotorer har Stirling-motorer et lavere effekt-til-vekt-forhold.
- Kompleks design: Stirlingmotorer har en mer kompleks design, noe som fører til høyere produksjonskostnader og mer plagsomt vedlikehold.
- Kompleksiteten til materialer: Effektiv varmeoverføring mellom det varme og kalde kammeret er avgjørende for optimal ytelse. Derfor er kravene til tetningsmaterialer høye, og dermed produksjonskostnadene.
Bruk av Stirling-motoren
Stirling-motoren brukes i et bredt spekter av bruksområder på grunn av dens allsidighet og unike egenskaper:
- Strømproduksjon: Stirling-motoren kan generere elektrisitet i avsidesliggende områder ved å bruke spillvarme eller fornybare energikilder som solenergi.
- Kogenerering: I kombinert varme og kraft (CHP)-systemer kan en Stirling-motor gjenvinne spillvarme fra industrielle prosesser eller bygninger, noe som øker energieffektiviteten.
- Marine fremdrift: Stirling-motoren brukes i ubåter og andre marinefartøyer for stillegående drift og drivstofføkonomi.
- Romfartøykraft: Radioisotop Stirling-generatorer brukes som en strømkilde for oppdrag i verdensrommet, for eksempel NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).
Fremtidige innovasjoner
Stirling-motorer er klar til å spille en betydelig rolle i overgangen til renere og mer effektive energiløsninger. Potensielle områder for fremtidig innovasjon inkluderer:
- Solenergi: Konsentrerte solenergisystemer kan bruke Stirling-motorer til å konvertere sollys til elektrisitet, og tilby en fornybar ressurs.
- Gjenvinning av spillvarme: Utviklingen av avanserte materialer og design kan forbedre effektiviteten til Stirling-motorer ytterligere, noe som gjør dem til et attraktivt alternativ for gjenvinning av spillvarme og energibesparelser.
- Bruk i bil: Selv om det ennå ikke er utbredt, kan integreringen av Stirling-motorer i hybridbilsystemer bidra til å redusere drivstofforbruk og utslipp.
Interessante fakta om Stirling-motoren
- Første patenterte motor: Stirling-motoren var den første patenterte motoren, som fikk sitt patent i 1816, selv før forbrenningsmotoren.
- Sikkerhetsinnovasjon: Stirling-motoren ble opprinnelig utviklet som et sikrere alternativ til dampmotorer som er utsatt for eksplosjoner på grunn av høytrykksdamp.
- Svenske ubåter: Den svenske marinen har brukt Stirling-motorer i sine Gotland-klasse ubåter siden 1996, og utnyttet motorenes stillegående drift og effektivitet.
- Philips Electronics: På 1950-tallet utviklet Philips Electronics en rekke Stirling-motorer for bruk i radioer og andre små apparater, og bidro til å popularisere teknologien.
- Lengst-kjørende Stirling-motor: Den lengste kontinuerlige Stirling-motoren er plassert ved University of Canterbury i New Zealand. Denne motoren, kjent som Canterbury Ringbom, har vært i drift siden 1986.
Vanlige spørsmål om Stirling-motoren
Spørsmål: Kan en Stirling-motor brukes i en bil?
Svar: Stirling-motoren er ennå ikke utbredt for bilbruk på grunn av dens lavere kraft-til-vekt-forhold og kompleksitet. Den kan imidlertid integreres i hybridbilsystemer for å forbedre drivstoffeffektiviteten og redusere utslippene.
Spørsmål: Hvordan er effektiviteten til en Stirling-motor sammenlignet med den til en forbrenningsmotor{{REF_LINK}}?
Svar: Stirling-motoren kan oppnå høyere termisk effektivitet sammenlignet med forbrenningsmotorer, og oppnår ofte effektiviteter på 30-40 % eller mer, mens forbrenningsmotorer typisk er rundt 20-25 % effektive.
Spørsmål: Hva er hovedfaktorene som påvirker effektiviteten til en Stirling-motor?
Svar: Effektiviteten til en Stirling-motor avhenger av flere faktorer, inkludert temperaturforskjellen mellom de varme og kalde kamrene, utformingen av regeneratoren, arbeidsgassen og mekaniske tap i motoren.
Spørsmål: Hvordan starter en Stirling-motor?
Svar: En Stirling-motor krever en ekstern varmekilde for å starte driften. Når arbeidsgassen varmes opp og begynner å utvide seg, vil motoren starte og fortsette å gå så lenge varmekilden opprettholdes.
Spørsmål: Hvilken arbeidsgass brukes i en Stirling-motor?
Svar: Arbeidsgassen i en Stirling-motor kan variere avhengig av spesifikk design og bruksområde. Vanlige gasser inkluderer luft, hydrogen, helium og nitrogen.
Konklusjon
Stirling-motoren tilbyr en unik kombinasjon av allsidig drivstoff, høy effektivitet og lave utslipp, noe som gjør den mulig for et bredt spekter av bruksområder. Etter hvert som teknologien utvikler seg, vil potensialet til Stirling-motoren øke, og det samme vil dens bruk på ulike felt.