Auto >> Automobiel > >> Motor

Hoe Stirling-motoren werken

Foto met dank aan American Stirling Company Deze motor kan alleen draaien met de warmte van uw hand. Zie foto's van motoren.

De Stirlingmotor is een warmtemotor die enorm verschilt van de verbrandingsmotor in uw auto. Uitgevonden door Robert Stirling in 1816, heeft de Stirling-motor het potentieel om veel efficiënter te zijn dan een benzine- of dieselmotor. Maar tegenwoordig worden Stirling-motoren alleen gebruikt in enkele zeer gespecialiseerde toepassingen, zoals in onderzeeërs of hulpstroomgeneratoren voor jachten, waar een stille werking belangrijk is. Hoewel er geen succesvolle massamarkttoepassing voor de Stirling-motor is geweest, werken enkele zeer krachtige uitvinders eraan.

Een Stirlingmotor gebruikt de Stirling-cyclus , wat anders is dan de cycli die worden gebruikt in verbrandingsmotoren.

De gassen die in een Stirling-motor worden gebruikt, verlaten de motor nooit. Er zijn geen uitlaatkleppen die hogedrukgassen afvoeren, zoals bij een benzine- of dieselmotor, en er vinden geen explosies plaats. Hierdoor zijn Stirling-motoren erg stil.
De Stirling-cyclus gebruikt een externe warmtebron, die van alles kan zijn, van benzine tot zonne-energie tot de warmte die wordt geproduceerd door rottende planten. Er vindt geen verbranding plaats in de cilinders van de motor.

Er zijn honderden manieren om een Stirlingmotor in elkaar te zetten. In dit artikel leren we over de Stirling-cyclus en zien we hoe twee verschillende configuraties van deze motor werken.

Inhoud

De Stirling-cyclus
Verdringer-type Stirling Engine
Stirlingmotor met twee zuigers
Waarom komen Stirling Engines niet vaker voor?

>De Stirling-cyclus

Het belangrijkste principe van een Stirlingmotor is dat een vaste hoeveelheid gas in de motor is opgesloten . De Stirling-cyclus omvat een reeks gebeurtenissen die de druk van het gas in de motor veranderen, waardoor het werk doet.

Er zijn verschillende eigenschappen van gassen die cruciaal zijn voor de werking van Stirling-motoren:

Als je een vaste hoeveelheid gas in een vast volume van de ruimte hebt en je verhoogt de temperatuur van dat gas, dan zal de druk toenemen.
Als je een vaste hoeveelheid gas hebt en je comprimeert het (verkleint het volume van de ruimte), dan zal de temperatuur van dat gas stijgen.

Laten we elk deel van de Stirling-cyclus doornemen terwijl we naar een vereenvoudigde Stirling-motor kijken. Onze vereenvoudigde motor maakt gebruik van twee cilinders. Eén cilinder wordt verwarmd door een externe warmtebron (zoals vuur), en de andere wordt gekoeld door een externe koelbron (zoals ijs). De gaskamers van de twee cilinders zijn met elkaar verbonden en de zuigers zijn mechanisch met elkaar verbonden door een verbinding die bepaalt hoe ze ten opzichte van elkaar zullen bewegen.

De Stirlingcyclus bestaat uit vier delen. De twee pistons in de animatie hierboven volbrengen alle onderdelen van de cyclus:

Er wordt warmte toegevoegd aan het gas in de verwarmde cilinder (links), waardoor er druk wordt opgebouwd. Dit dwingt de zuiger naar beneden te bewegen. Dit is het deel van de Stirling-cyclus dat het werk doet.
De linkerzuiger gaat omhoog terwijl de rechterzuiger omlaag beweegt. Dit duwt het hete gas in de gekoelde cilinder, die het gas snel afkoelt tot de temperatuur van de koelbron, waardoor de druk wordt verlaagd. Dit maakt het gemakkelijker om het gas in het volgende deel van de cyclus te comprimeren.
De zuiger in de gekoelde cilinder (rechts) begint het gas samen te drukken. De warmte die door deze compressie wordt gegenereerd, wordt verwijderd door de koelbron.
De rechterzuiger gaat omhoog terwijl de linkerzuiger omlaag beweegt. Dit dwingt het gas in de verwarmde cilinder, waar het snel opwarmt en druk opbouwt, waarna de cyclus zich herhaalt.

De Stirlingmotor levert alleen vermogen tijdens het eerste deel van de cyclus. Er zijn twee manieren om het uitgangsvermogen van een Stirling-cyclus te verhogen:

Verhoog het uitgangsvermogen in fase één - In deel één van de cyclus verricht de druk van het verwarmde gas dat tegen de zuiger drukt, arbeid. Het verhogen van de druk tijdens dit deel van de cyclus zal het vermogen van de motor verhogen. Een manier om de druk te verhogen is door de temperatuur van het gas te verhogen. Als we later in dit artikel kijken naar een Stirling-motor met twee zuigers, zullen we zien hoe een apparaat dat een regenerator wordt genoemd, kan het vermogen van de motor verbeteren door tijdelijk warmte op te slaan.
Verlaag het stroomverbruik in fase drie - In deel drie van de cyclus werken de zuigers aan het gas, waarbij ze een deel van het vermogen gebruiken dat in deel één wordt geproduceerd. Door de druk tijdens dit deel van de cyclus te verlagen, kan het vermogen dat tijdens deze fase van de cyclus wordt gebruikt, afnemen (waardoor het vermogen van de motor effectief wordt verhoogd). Een manier om de druk te verlagen is om het gas af te koelen tot een lagere temperatuur.

Dit gedeelte beschreef de ideale Stirling-cyclus. Werkelijk werkende motoren variëren de cyclus enigszins vanwege de fysieke beperkingen van hun ontwerp. In de volgende twee secties zullen we een aantal verschillende soorten Stirling-motoren bekijken. De motor van het verdringertype is waarschijnlijk het gemakkelijkst te begrijpen, dus we beginnen daar.

Speciale dank

Speciale dank aan Brent Van Arsdell van American Stirling Company voor zijn hulp bij dit artikel.

>Verdringer-type Stirlingmotor

In plaats van twee zuigers heeft een motor van het verdringertype één zuiger en een verdringer. De verdringer dient om te regelen wanneer de gaskamer wordt verwarmd en wanneer deze wordt gekoeld. Dit type Stirlingmotor wordt soms gebruikt bij demonstraties in de klas. Je kunt zelfs een bouwpakket kopen om er zelf een te bouwen!

Om te kunnen draaien, heeft de bovenstaande motor een temperatuurverschil . nodig tussen de boven- en onderkant van de grote cilinder. In dit geval is het verschil tussen de temperatuur van uw hand en de lucht eromheen voldoende om de motor te laten draaien.

In de afbeelding op deze pagina ziet u twee pistons:

De krachtzuiger - Dit is de kleinere zuiger aan de bovenkant van de motor. Het is een goed afgesloten zuiger die omhoog beweegt als het gas in de motor uitzet.
De verdringer - Dit is de grote zuiger op de tekening. Deze zuiger zit erg los in zijn cilinder, dus lucht kan gemakkelijk tussen de verwarmde en gekoelde delen van de motor bewegen terwijl de zuiger op en neer beweegt.

De verdringer beweegt op en neer om te regelen of het gas in de motor wordt verwarmd of gekoeld. Er zijn twee posities:

Als de verdringer zich dicht bij de bovenkant van de grote cilinder bevindt, wordt het meeste gas in de motor verwarmd door de warmtebron en zet het uit. Er wordt druk opgebouwd in de motor, waardoor de krachtzuiger omhoog wordt geduwd.
Als de verdringer zich in de buurt van de bodem van de grote cilinder bevindt, koelt het meeste gas in de motor af en trekt het samen. Hierdoor daalt de druk, waardoor de krachtzuiger gemakkelijker naar beneden kan bewegen en het gas kan comprimeren.

De motor verwarmt en koelt het gas herhaaldelijk en haalt energie uit de uitzetting en samentrekking van het gas.

Vervolgens bekijken we een Stirlingmotor met twee zuigers.

>Tweezuiger Stirlingmotor

In deze motor wordt de verwarmde cilinder verwarmd door een externe vlam. De gekoelde cilinder is luchtgekoeld en heeft vinnen om het koelproces te vergemakkelijken. Een stang die uit elke zuiger komt, is verbonden met een kleine schijf, die op zijn beurt is verbonden met een groter vliegwiel. Dit houdt de zuigers in beweging wanneer er geen kracht wordt gegenereerd door de motor.

De vlam verwarmt continu de onderste cilinder.

In het eerste deel van de cyclus neemt de druk toe, waardoor de zuiger gedwongen wordt naar links te bewegen en arbeid te verrichten. De gekoelde zuiger blijft ongeveer stationair omdat hij op het punt in zijn omwenteling is waar hij van richting verandert.
In de volgende fase bewegen beide pistons. De verwarmde zuiger beweegt naar rechts en de gekoelde zuiger gaat omhoog. Dit verplaatst het grootste deel van het gas door de regenerator en in de gekoelde zuiger. De regenerator is een apparaat dat tijdelijk warmte kan opslaan - het kan een draadgaas zijn waar de verwarmde gassen doorheen gaan. Het grote oppervlak van het draadgaas neemt snel de meeste warmte op. Hierdoor hoeft er minder warmte afgevoerd te worden door de koelribben.
Vervolgens begint de zuiger in de gekoelde cilinder het gas samen te drukken. De warmte die door deze compressie wordt gegenereerd, wordt afgevoerd door de koelribben.
In de laatste fase van de cyclus bewegen beide zuigers -- de gekoelde zuiger beweegt naar beneden terwijl de verwarmde zuiger naar links beweegt. Dit dwingt het gas door de regenerator (waar het de warmte opneemt die daar tijdens de vorige cyclus was opgeslagen) en in de verwarmde cilinder. Op dit punt begint de cyclus opnieuw.

U vraagt zich misschien af waarom er nog geen massamarkttoepassingen van Stirling-motoren zijn. In het volgende gedeelte zullen we enkele van de redenen hiervoor bekijken.

>Waarom komen Stirling-motoren niet vaker voor?

Er zijn een aantal belangrijke kenmerken die Stirling-motoren onpraktisch maken voor gebruik in veel toepassingen, ook in de meeste auto's en vrachtwagens.

Omdat de warmtebron extern is , duurt het even voordat de motor reageert op veranderingen in de hoeveelheid warmte die op de cilinder wordt toegepast - het duurt even voordat de warmte door de cilinderwanden en in het gas in de motor wordt geleid. Dit betekent dat:

De motor heeft enige tijd nodig om op te warmen voordat hij nuttig vermogen kan produceren.
De motor kan zijn vermogen niet snel veranderen.

Deze tekortkomingen garanderen allesbehalve dat het de verbrandingsmotor in auto's niet zal vervangen. Een hybride auto met een Stirling-motor zou echter haalbaar kunnen zijn.

Bekijk de links op de volgende pagina voor meer informatie over Stirling-motoren en aanverwante onderwerpen.

Oorspronkelijk gepubliceerd:4 mei 2001

Veelgestelde vragen over Stirling Engine

Waarvoor wordt een Stirlingmotor gebruikt?

Er zijn honderden manieren om een Stirlingmotor te gebruiken. Momenteel worden Stirling-motoren alleen gebruikt in gespecialiseerde toepassingen, zoals in onderzeeërs of hulpstroomgeneratoren voor jachten.

Waarom worden Stirling-motoren niet gebruikt?

Er is nog geen succesvolle massamarkttoepassing voor de Stirling-motor geweest.

Wat kun je aandrijven met een Stirlingmotor?

Stirlingmotoren kunnen op verschillende manieren worden gebruikt. Hoewel ze meestal worden aangetroffen in onderzeeërs en jachten, kunnen ze ook worden gebruikt voor speelgoed, houtkachels, airconditioning- en verwarmingssystemen en meer.

Wat voor type motor is een Stirlingmotor?

Een Stirling-motor maakt gebruik van de Stirling-cyclus, die anders is dan de cycli die worden gebruikt in verbrandingsmotoren. De Stirling-cyclus maakt gebruik van een externe warmtebron, die van alles kan zijn, van benzine tot zonne-energie tot de warmte die wordt geproduceerd door rottende planten. Er vindt geen verbranding plaats in de cilinders van de motor.