Motorul Stirling

Istoric

Descoperit în Scoția în jurul anului 1816 de către pastorul Robert Stirling, acest motor este unul cu ardere externă și, spre deosebire de cel clasic, cu ardere interna (prin explozie), nu este o sursă de zgomot și poluare accentuate. Motorul Stirling utilizează ca agent de lucru un fluid care nu realizează schimb de masă cu exteriorul și care este încălzit continuu de la o sursă de energie termică externă.

Această ardere externă prezintă avantajul reducerii noxelor rezultate în urma acestui proces, iar drept combustibil se poate folosi orice tip, în orice stare, lichid, solid, gazos, precum si posibilitatea utilizării energiei solare sau nucleare.Are un randament termic ridicat putand valorifica energia termică reziduală din diferite instalații termice.Aplicații largi se întalnesc la propulsarea autovehiculelor, antrenarea pompelor de căldura sau a mașinilor frigorifice și în domeniul cercetării spațiului cosmic, N.A.S.A. avand la ora actuala un department de cercetare special pentru motoarele Stirling.Există motoare cu puteri cuprinse între 10 si 5000 kW.

Construcția generală și principiul de funcționare

Principiul fundamental al motorului Stirling se bazează pe obținerea de lucru mecanic rezultat din diferența de presiune dintre două zone aflate la temperaturi diferite, zone care sunt încălzite și răcite succesiv. Pentru a înțelege mai bine acest fenomen, să ne imaginăm un fluid de lucru închis într-un cilindru cu piston, ca în figura de mai jos.Inițiem un proces de încălzire urmat apoi de răcire, prin încălzire temperatura crește, presiunea deasemenea crește și astfel are loc o variație de volum în sensul măririi acestuia ce are ca rezultat deplasarea pistonului spre punctul mort exterior, iar prin răcire, temperatura scade, presiunea se diminuează și volumul se micșorează, fapt care are ca efect deplasarea pistonului spre punctul mort interior. Deci, iată cum prin aceste transformări pe care le suferă fluidul de lucru,se poate obține lucru mecanic util.

Închiderea fluidului de lucru într-o incintă și inițierea unui ciclu extern de încălzire-răcire, nu este posibilă datorită inerției termice a materialelor mult prea mare pentru un ciclu termodinamic rapid.O soluție practică este deplasarea fluidului între două zone create, inițial, ca rece și respectiv caldă.Lucrul mecanic se obține din comprimarea la temperatura joasă a fluidului de lucru, încalzirea și destinderea sa, la temperaturi ridicate ca valoare.

O posibilitate de funcționare ar fi ca un capăt al cilindrului să se mențină cald, iar celălalt rece. Soluția acestei probleme a fost găsita de Robert Stirling care a prevăzut un sistem cu două pistoane, unul denumit piston motor, care ’culege’ lucrul mecanic, iar celălalt este numit piston distribuitor care deplasează gazul de lucru între cele două zone aflate la temperaturi diferite. Fiecare dintre cele două pistoane are o cursă utilă și puncte moarte.

Transportul între cele două zone se face printr-un sistem de canale de legătura plasate într-o rețea metalică ce are rolul de a absorbi o cantitate de căldură, atunci cand gazul trece de la zona caldă spre cea rece, și de a o ceda acestuia cand trecerea se face dinspre zona rece spre zona caldă. Rețeaua de recirculare se numește regenerator și, prin acest schimb de căldură cu fluidul de lucru, se diminuează substanțial consumul de combustibil, iar randamentul motorului Stirling este semnificativ ridicat.

Avantajele motorului Stirling

1. Funcționare silențioasa și fără vibrații.Mișcarea pistoanelor poate fi echilibrată complet

2. Potențial pentru consum minim.Teoretic este posibilă atingerea randamentului maxim al oricărui motor termic care lucrează pentru o anumită diferență de temperatură, în cazul ideal, randamentul ciclului Carnot.

3. Potențial policombustibil, sursa de energie poate fi de orice tip, singura condiție este atingerea diferenței de temperatură.

4. Circuitul fluidului de lucru fiind închis se poate utiliza orice fluid, urmărind proprietațile de transfer de caldură maxim.

5. Poluarea motorului este minimă, gazele de ardere conțin noxe reduse datorită unei arderi continue.

6. Randamentul motorului poate atinge valori favorabile doar daca se foloseste regenerator.Acesta are rolul de a prelua energie termică de la gazul cald și a o reda celui rece.

7. Cantitațile de ulei consumate sunt minime, uleiul nefiind în contact direct cu gazele de ardere.

8. Fluctuațiile momentului motor sunt, pe durata unui ciclu, mult mai reduse decat la motorul cu ardere interna cu același număr de cilindri.

9. Cuplul motor este aproximativ independent de turație.

Clasificarea motoarelor Stirling

- după natura fluidului de lucru: cu gaze sau cu lichide, experimentele cu fluide de lucru lichide sunt limitate, cer un gabarit mai ridicat, iar randamentul este scăzut datorită transferului dificil de caldură; capacitatea calorică ridicată a lichidelor în comparație cu gazele nu exclude soluția însă necesită cercetari mai ample.

- după natura pistonului : cu pistoane solide sau cu pistoane lichide, soluția cu pistoane solide este mai utilizata datorita presiunilor mari de lucru și randamentelor mai ridicate, iar varianta cu pistoane lichide necesită cuplarea cu o transmisie hidrostatică, este deosebit de simplă constructiv și deci fiabilă dar cu randamente mai reduse și necesită cercetări suplimentare.

- după modul de lucru : cu simplă acțiune și cu dublă acțiune, la soluția cu dublă acțiune există un singur piston cu rol atat de distribuție a fluidului de lucru cat și de putere, de preluare și transfer a energiei termice rezultate în urma arderii, zonele cilindrilor fiind conectate între cilindri invecinați. Aceasta soluție, promovata și de General Motors are avantajul unui gabarit mai redus, dar și ea necesită cercetări suplimentare.

- după modul de cuplare a cilindrilor : cu pistoane libere și cu pistoane rigide, sistemul cu pistoane rigide este cuplat cu o transmisie mecanică, iar pentru sistemul cu pistoane libere transmisiile pot fi mecanice, pneumatice, hidraulice etc.

- după numărul de faze : o fază sau mai multe faze, preocuparea pentru natura fluidului de lucru și principiul funcțional au dus la considerarea transformarii de fază în timpul proceselor de incalzire și răcire, în acest caz răcitorul are rol de condensator, regeneratorul de preincălzitor al lichidului și incălzitorul de vaporizator; soluția este tentantă datorita faptului că prin schimbarea de fază, fluidul absoarbe o cantitate de energie, care duce la racirea sa, astfel că răcitorul poate fi dimensionat la un gabarit mai redus.

- după modul de dispunere al cilindrilor : dispunere alfa, dispunere beta și dispunere gama; la motorul alfa exista două pistoane în cilindri separați, conectați în serie prin încălzitor, regenerator, și racitor. Motorul beta și gama folosesc pistoane distribuitoare, la motorul beta ambele pistoane se găsesc într-un singur cilindru, iar la soluția gama în cilindri diferiți.

Solutii similare si tipuri de motoare Stirling