AUTORIDE

Stirling-motor: Hvad er dens fordele?

Stirling motor
Gepubliceerd op Vertaald met behulp van AI uit ons originele artikel (bron: autoride.io)

En Stirling-motor er en frem- og tilbagegående varmemotor, der bruger varme fra en ekstern kilde til at skabe energi til arbejdscyklussen. Denne varme opnås ofte ved ekstern forbrænding, så det er en ekstern forbrændingsmotor.

Denne type motor bruger kemisk energi opnået ved at brænde brændstof til at opvarme arbejdsstoffet, som efterfølgende udfører arbejde i motoren. Forbrændingen foregår altid uden for motoren, og arbejdsstoffet er oftest gas.

Inhoudsopgave

Historien om Stirling-motoren i en nøddeskal

Udviklingen af ​​Stirling-motoren begyndte i begyndelsen af ​​det 19. århundrede, da den skotske ingeniør og præst Robert Stirling forsøgte at skabe et mere sikkert alternativ til dampmaskiner, som var berygtet for at eksplodere. Stirling-motoren blev patenteret i 1816. I de følgende år gennemgik den adskillige forbedringer for at øge effektiviteten. Stirling-brødrene patenterede også en varmluftsmotor i 1827.

I løbet af det 19. og 20. århundrede oplevede Stirling-motorer øget interesse og innovation, især under brændstofmangel eller perioder med hurtige teknologiske fremskridt. I dag kommer Stirling-motorer igen i forgrunden som et økologisk alternativ til traditionelle forbrændingsmotorer.

Konstruktionen af ​​Stirling-motoren

Stirling motor

Designmæssigt har Stirling-motoren mange fordele i forhold til andre forbrændingsmotorer. Motoren er robust og har en enkel konstruktion, hvilket gør den meget driftsikker.

Denne motor er indkapslet og tæt, hvilket gør det muligt at bruge den for eksempel under vand eller i vakuum. Da brændstoffet ikke brænder inde i motoren, er der ingen unødvendig støj eller vibrationer.

Motoren er derfor mere støjsvag, mere raffineret og har en længere levetid end klassiske forbrændingsmotorer, fordi dens dele belastes mindre. Effektiviteten af ​​Stirling-motoren er den samme, nogle gange endda højere, end de bedste dieselmotorer. Dens største fordel er dog, at forskellige typer brændstof kan bruges til at drive motoren.

Hvordan fungerer en 1-cylindret Stirling-motor?

Stirling motor

I første omgang er gassen ved en lav temperatur, og dermed er trykket placeret mellem det nederste (lækage) og det øverste arbejdende (tætte) stempler, som er forbundet med hinanden. Det nederste stempel bevæger sig til den øverste del af cylinderen og udstøder gassen, som strømmer rundt om stemplet ind i den nederste del af cylinderen, som opvarmes af en ekstern varmekilde.

Takket være opvarmningen stiger temperaturen på gassen inde i cylinderen. Gassen øger således sit volumen og tryk og udvider sig opad, mens den igen strømmer rundt om det utætte stempel.

I toppen af ​​cylinderen afkøles gassen, hvilket reducerer dens volumen og tryk, hvilket får arbejdsstemplet til at bevæge sig nedad, løfter det utætte stempel opad og lader gassen vende tilbage til bunden af ​​cylinderen, som opvarmes. Denne cyklus bliver ved med at gentage sig selv.

Hvordan fungerer en to- eller flerecylindret Stirling-motor?

Stirling motor

En ekstern varmekilde opvarmer den røde cylinder. Gassen i cylinderen øger dens volumen og tryk og skubber det (røde) cylinderstempel til toppen. Efter at stemplet når cylinderens øvre grænse, strømmer gassen gennem røret ind i den anden (blå) cylinder.

Der afkøles det, takket være det reducerer dets volumen og tryk, hvilket får stemplet til at falde, hvilket skubber den afkølede gas tilbage i den opvarmede cylinder.

Fordele ved Stirling-motoren

Stirling-motoren har en alsidig anvendelse og kan sammenlignes med gnist- eller diesel-motorer. Det er som nævnt en motor med ekstern forbrænding, som skaber færre skadelige stoffer.

Da intet stof kommer ind i eller forlader motoren, er det muligt at bruge den bedst egnede fyldning i cylindrene. De vigtigste fordele ved Stirling-motoren inkluderer følgende:

  1. Brændstof-alsidighed: Stirling-motorer kan køre på stort set alle varmekilder, hvilket gør dem tilpasselige til en lang række brændstoffer, herunder vedvarende energikilder såsom solenergi.

  2. Høj effektivitet: Takket være regeneratoren og de isotermiske processer kan Stirling-motorer opnå højere termisk effektivitet sammenlignet med forbrændingsmotorer.

  3. Lavt emission: Den eksterne forbrændingsproces resulterer i lavere emissioner og mindre forurening, hvilket gør Stirling-motorer til en miljøvenlig løsning. Der kommer færre skadelige stoffer i luften på grund af fraværet af olie i brændstoffet.

  4. Støjsvag drift: Stirlingmotorer arbejder med minimal støj og vibrationer, fordi der ikke er nogen intern forbrænding og ingen hurtig fjernelse af udstødningsgas.

Brændstof til Stirling-motoren

Stirling engine running

Som allerede nævnt er en stor fordel ved Stirling-motoren i forhold til andre forbrændingsmotorer, at en lang række forskellige brændstoffer kan bruges til at drive motoren, såsom:

  • Naturgas (den opnår de bedste resultater ud fra et økonomisk, men også et økologisk synspunkt)

  • Flydende og gasformige brændstoffer

  • Fast brændsel

  • Biomasse (træflis, planterester og andre...) • • • Biogas (gas fra lossepladser, rensningsanlæg, koksgas)

  • Solenergi

  • mange flere...

Bortset fra Stirling-motoren kan ingen anden motor bruge en så bred gruppe af forskellige kilder til sin fremdrift.

Ulemper ved Stirling-motoren

Som enhver anden enhed har Stirling-motoren fordele og ulemper. Vi kan inkludere følgende blandt ulemperne ved denne motor:

  • Lavere effekt-til-vægt-forhold: Sammenlignet med forbrændingsmotorer har Stirling-motorer et lavere effekt-til-vægt-forhold.

  • Kompleks design: Stirlingmotorer har et mere komplekst design, hvilket fører til højere produktionsomkostninger og mere besværlig vedligeholdelse.

  • Kompleksiteten af ​​materialer: Effektiv varmeoverførsel mellem det varme og kolde kammer er afgørende for optimal ydeevne. Derfor er kravene til tætningsmaterialer høje, og dermed produktionsomkostningerne.

Brug af Stirling-motoren

Stirling motor

Stirling-motoren bruges i en lang række applikationer på grund af dens alsidighed og unikke egenskaber:

  • Strømproduktion: Stirling-motoren kan generere elektricitet i fjerntliggende områder ved hjælp af spildvarme eller vedvarende energikilder såsom solenergi.

  • Kogenerering: I kombinerede varme- og kraftsystemer (CHP) kan en Stirling-motor genvinde spildvarme fra industrielle processer eller bygninger, hvilket øger energieffektiviteten.

  • Marine fremdrift: Stirling-motoren bruges i ubåde og andre flådefartøjer til støjsvag drift og brændstoføkonomi.

  • Rumfartøjskraft: Radioisotop Stirling-generatorer bruges som strømkilde til missioner i rummet, såsom NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).

Fremtidige innovationer

Stirling motor

Stirling-motorer er klar til at spille en væsentlig rolle i overgangen til renere og mere effektive energiløsninger. Potentielle områder for fremtidig innovation omfatter:

  • Solenergi: Koncentrerede solenergisystemer kan bruge Stirling-motorer til at omdanne sollys til elektricitet, hvilket tilbyder en vedvarende ressource.

  • Genvinding af spildvarme: Udviklingen af ​​avancerede materialer og design kan yderligere forbedre effektiviteten af ​​Stirling-motorer, hvilket gør dem til en attraktiv mulighed for genvinding af spildvarme og energibesparelser.

  • Brug til biler: Selvom det endnu ikke er udbredt, kan integrationen af ​​Stirling-motorer i hybridbilsystemer hjælpe med at reducere brændstofforbrug og emissioner.

Interessante fakta om Stirling-motoren

  • Første patenterede motor: Stirling-motoren var den første patenterede motor, som modtog sit patent i 1816, endda før forbrændingsmotoren.

  • Sikkerhedsinnovation: Stirling-motoren blev oprindeligt udviklet som et mere sikkert alternativ til dampmaskiner, der er udsat for eksplosioner på grund af højtryksdamp.

  • Svenske ubåde: Den svenske flåde har brugt Stirling-motorer i sine ubåde i Gotland-klassen siden 1996, og draget fordel af motorernes støjsvage drift og effektivitet.

  • Philips Electronics: I 1950'erne udviklede Philips Electronics en række Stirling-motorer til brug i radioer og andre små apparater, hvilket hjalp med at popularisere teknologien.

  • Længst kørende Stirling-motor: Den længst kørende Stirling-motor er placeret på University of Canterbury i New Zealand. Denne motor, kendt som Canterbury Ringbom, har været i drift siden 1986.

Ofte stillede spørgsmål om Stirling-motoren

Q: Kan en Stirling-motor bruges i en bil?

Svar: Stirling-motoren er endnu ikke udbredt til bilbrug på grund af dens lavere effekt-til-vægt-forhold og kompleksitet. Det kan dog integreres i hybridbilsystemer for at forbedre brændstofeffektiviteten og reducere emissionerne.

Spørgsmål: Hvordan er effektiviteten af ​​en Stirling-motor sammenlignet med den for en forbrændingsmotor?

Svar: Stirling-motoren kan opnå højere termisk effektivitet sammenlignet med forbrændingsmotorer, der ofte opnår effektiviteter på 30-40 % eller mere, mens forbrændingsmotorer typisk er omkring 20-25 % effektive.

Spørgsmål: Hvad er de vigtigste faktorer, der påvirker effektiviteten af ​​en Stirling-motor?

Svar: Effektiviteten af ​​en Stirling-motor afhænger af flere faktorer, herunder temperaturforskellen mellem de varme og kolde kamre, udformningen af ​​regeneratoren, arbejdsgassen og mekaniske tab i motoren.

Q: Hvordan starter en Stirling-motor?

Svar: En Stirling-motor kræver en ekstern varmekilde for at starte driften. Når arbejdsgassen opvarmes og begynder at udvide sig, vil motoren starte og fortsætte med at køre, så længe varmekilden opretholdes.

Q: Hvilken arbejdsgas bruges i en Stirling-motor?

Svar: Arbejdsgassen i en Stirling-motor kan variere afhængigt af det specifikke design og anvendelse. Almindeligt anvendte gasser omfatter luft, brint, helium og nitrogen.

Konklusion

Stirling-motoren tilbyder en unik kombination af brændstof-alsidighed, høj effektivitet og lave emissioner, hvilket gør det muligt for en bred vifte af applikationer. Efterhånden som teknologien skrider frem, vil potentialet for Stirling-motoren stige, og det samme vil dens anvendelse på forskellige områder.

Se en fungerende Stirling-motor i en nedskaleret version: