Een Stirling-motor is een heen en weer bewegende warmtemotor die warmte van een externe bron gebruikt om energie op te wekken voor de werkcyclus. Deze warmte wordt vaak verkregen door externe verbranding, het is dus een externe verbrandingsmotor.

Dit type motor gebruikt chemische energie die wordt verkregen door brandstof te verbranden om de werksubstantie te verwarmen, die vervolgens in de motor werkt. Verbranding vindt altijd plaats buiten de motor en de werkstof is meestal gas.

De geschiedenis van de Stirlingmotor in een notendop

De ontwikkeling van de Stirling-motor begon aan het begin van de 19e eeuw toen de Schotse ingenieur en predikant Robert Stirling een veiliger alternatief probeerde te creëren voor stoommachines, die berucht waren om hun ontploffing. De Stirlingmotor werd gepatenteerd in 1816. In de daaropvolgende jaren onderging hij verschillende verbeteringen om de efficiëntie te verhogen. De gebroeders Stirling patenteerden in 1827 ook een heteluchtmotor.

Tijdens de 19e en 20e eeuw ondervonden Stirling-motoren meer belangstelling en innovatie, vooral tijdens brandstoftekorten of periodes van snelle technologische vooruitgang. Tegenwoordig komen Stirling-motoren weer op de voorgrond als ecologisch alternatief voor traditionele verbrandingsmotoren.

De constructie van de Stirlingmotor

Qua ontwerp heeft de Stirlingmotor veel voordelen ten opzichte van andere verbrandingsmotoren. De motor is robuust en heeft een eenvoudige constructie, waardoor hij zeer betrouwbaar is.

Deze motor is ingekapseld en strak, waardoor hij bijvoorbeeld onder water of in een vacuüm kan worden gebruikt. Aangezien de brandstof niet in de motor verbrandt, is er geen onnodig geluid of trillingen.

De motor is daarom stiller, verfijnder en heeft een langere levensduur dan klassieke verbrandingsmotoren omdat de onderdelen minder worden belast. Het rendement van de Stirlingmotor is hetzelfde, soms zelfs hoger, dan de beste dieselmotoren. Het grootste voordeel is echter dat er verschillende soorten brandstof kunnen worden gebruikt om de motor aan te drijven.

Hoe werkt een eencilinder Stirlingmotor?

Aanvankelijk heeft het gas een lage temperatuur en bevindt de druk zich dus tussen de onderste (lek) en bovenste werkende (dichte) zuigers, die onderling verbonden zijn. De onderste zuiger beweegt naar het bovenste deel van de cilinder en verdrijft het gas, dat rond de zuiger stroomt in het onderste deel van de cilinder, dat wordt verwarmd door een externe warmtebron.

Dankzij de verwarming stijgt de temperatuur van het gas in de cilinder. Het gas neemt zo zijn volume en druk toe en zet naar boven uit, terwijl het weer rond de lekkende zuiger stroomt.

Powiązany artykuł - 

Motorzuigers: hoe werken ze?

Aan de bovenkant van de cilinder wordt het gas gekoeld, waardoor het volume en de druk worden verminderd, waardoor de werkende zuiger naar beneden beweegt, de lekkende zuiger omhoog wordt getild en het gas kan terugkeren naar de bodem van de cilinder, die wordt verwarmd. Deze cyclus blijft zich herhalen.

Hoe werkt een twee- of meercilinder Stirlingmotor?

Een externe warmtebron verwarmt de rode cilinder. Het gas in de cilinder verhoogt het volume en de druk, waardoor de (rode) cilinderzuiger naar boven wordt geduwd. Nadat de zuiger de bovengrens van de cilinder bereikt, stroomt het gas door de buis in de tweede (blauwe) cilinder.

Daar wordt het gekoeld, waardoor het volume en de druk afnemen, waardoor de zuiger valt, waardoor het gekoelde gas terug in de verwarmde cilinder wordt geduwd.

Voordelen van de Stirlingmotor

De Stirling-motor heeft een veelzijdig gebruik en vergelijkbare efficiëntie als vonk- of diesel-motoren. Zoals gezegd is het een motor met externe verbranding, waardoor er minder schadelijke stoffen ontstaan.

Powiązany artykuł - 

Benzine- en dieselmotor: hoe verschillen ze?

Aangezien er geen substantie in of uit de motor komt, is het mogelijk om de meest geschikte vulling in de cilinders te gebruiken. De belangrijkste voordelen van de Stirling-motor zijn de volgende:

1. Brandstofveelzijdigheid: Stirling-motoren kunnen op vrijwel elke warmtebron draaien, waardoor ze kunnen worden aangepast aan een breed scala aan brandstoffen, waaronder hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie.
2. Hoog rendement: dankzij de regenerator en isothermische processen kunnen Stirling-motoren een hoger thermisch rendement behalen in vergelijking met verbrandingsmotoren.
3. Lage emissies: het externe verbrandingsproces resulteert in lagere emissies en minder vervuiling, waardoor Stirling-motoren een milieuvriendelijke oplossing zijn. Door de afwezigheid van olie in de brandstof komen er minder schadelijke stoffen in de lucht.
4. Stille werking: Stirlingmotoren werken met minimaal geluid en trillingen omdat er geen interne verbranding is en er geen snelle afvoer van uitlaatgassen is.

Brandstoffen voor de Stirlingmotor

Zoals eerder vermeld, is een enorm voordeel van de Stirling-motor ten opzichte van andere verbrandingsmotoren dat een breed scala aan verschillende brandstoffen kan worden gebruikt om de motor aan te drijven, zoals:

• Aardgas (behaalt de beste resultaten vanuit economisch maar ook ecologisch oogpunt)
• Vloeibare en gasvormige brandstoffen
• Vaste brandstoffen
• Biomassa (houtsnippers, plantenresten, en andere...) • • • Biogas (gas van stortplaatsen, rioolwaterzuiveringsinstallaties, cokesgas)
• Zonne-energie
• veel meer...

Afgezien van de Stirlingmotor kan geen enkele andere motor zo'n grote groep verschillende bronnen gebruiken voor zijn voortstuwing.

Nadelen van de Stirlingmotor

Net als elk ander apparaat heeft de Stirling-motor voor- en nadelen. We kunnen het volgende onder de nadelen van deze motor opnemen:

• Lagere vermogen-gewichtsverhouding: Vergeleken met verbrandingsmotoren hebben Stirling-motoren een lagere vermogen-gewichtsverhouding.
• Complex ontwerp: Stirlingmotoren hebben een complexer ontwerp, wat leidt tot hogere productiekosten en lastiger onderhoud.
• De complexiteit van materialen: Efficiënte warmteoverdracht tussen de warme en koude kamer is essentieel voor optimale prestaties. Daarom zijn de eisen aan afdichtingsmaterialen hoog, en daarmee de productiekosten.

Gebruik van de Stirlingmotor

De Stirling-motor wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen vanwege zijn veelzijdigheid en unieke eigenschappen:

• Stroomopwekking: de Stirling-motor kan elektriciteit opwekken in afgelegen gebieden met afvalwarmte of hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie.
• Warmtekrachtkoppeling: in warmtekrachtkoppelingssystemen (WKK) kan een Stirling-motor afvalwarmte van industriële processen of gebouwen terugwinnen, waardoor de energie-efficiëntie toeneemt.
• Marine voortstuwing: De Stirling-motor wordt gebruikt in onderzeeërs en andere marineschepen voor stille werking en brandstofbesparing.
• Ruimtevaartuigkracht: Radio-isotopen Stirling-generatoren worden gebruikt als energiebron voor missies in de ruimte, zoals de NASA Advanced Radio-isotope Stirling Generator (ASRG).

Toekomstige innovaties

Stirlingmotoren staan ​​klaar om een ​​belangrijke rol te spelen in de overgang naar schonere en efficiëntere energieoplossingen. Mogelijke gebieden voor toekomstige innovatie zijn onder meer:

• Zonne-energie: Geconcentreerde zonne-energiesystemen kunnen Stirling-motoren gebruiken om zonlicht om te zetten in elektriciteit, wat een hernieuwbare hulpbron oplevert.
• Terugwinning van afvalwarmte: De ontwikkeling van geavanceerde materialen en ontwerpen kan de efficiëntie van Stirling-motoren verder verbeteren, waardoor ze een aantrekkelijke optie worden voor het terugwinnen van afvalwarmte en energiebesparing.
• Gebruik in de automobielindustrie: hoewel het nog niet wijdverspreid is, kan de integratie van Stirling-motoren in hybride voertuigsystemen helpen het brandstofverbruik en de emissies te verminderen.

Interessante feiten over de Stirlingmotor

• Eerste gepatenteerde motor: De Stirling-motor was de eerste gepatenteerde motor, die zijn patent kreeg in 1816, nog vóór de verbrandingsmotor.
• Veiligheidsinnovatie: De Stirling-motor is oorspronkelijk ontwikkeld als een veiliger alternatief voor stoommachines die vatbaar zijn voor explosies als gevolg van hogedrukstoom.
• Zweedse onderzeeërs: De Zweedse marine gebruikt sinds 1996 Stirling-motoren in haar onderzeeërs van de Gotland-klasse, gebruikmakend van de stille werking en efficiëntie van de motoren.
• Philips Electronics: in de jaren 50 ontwikkelde Philips Electronics een reeks Stirling-motoren voor gebruik in radio's en andere kleine apparaten, waardoor de technologie populair werd.
• Langst draaiende Stirling-motor: De langst continu draaiende Stirling-motor bevindt zich aan de Universiteit van Canterbury in Nieuw-Zeeland. Deze motor, bekend als de Canterbury Ringbom, is in gebruik sinds 1986.

Veelgestelde vragen over de Stirlingmotor

Vraag: Kan een Stirling-motor in een auto worden gebruikt?

Antwoord: De Stirling-motor is nog niet wijdverbreid voor gebruik in de auto vanwege de lagere vermogen-gewichtsverhouding en complexiteit. Het kan echter worden geïntegreerd in hybride voertuigsystemen om het brandstofverbruik te verbeteren en de uitstoot te verminderen.

Vraag: Hoe verhoudt de efficiëntie van een Stirlingmotor zich tot die van een verbrandingsmotor?

Antwoord: De Stirling-motor kan een hoger thermisch rendement behalen in vergelijking met verbrandingsmotoren, vaak met een rendement van 30-40% of meer, terwijl verbrandingsmotoren doorgaans rond de 20-25% efficiënt zijn.

Vraag: Wat zijn de belangrijkste factoren die de efficiëntie van een Stirlingmotor beïnvloeden?

Antwoord: De efficiëntie van een Stirling-motor is afhankelijk van verschillende factoren, waaronder het temperatuurverschil tussen de warme en koude kamers, het ontwerp van de regenerator, het werkgas en mechanische verliezen in de motor.

Vraag: Hoe start een Stirling-motor?

Antwoord: Een Stirlingmotor heeft een externe warmtebron nodig om te starten. Zodra het werkgas opwarmt en begint uit te zetten, zal de motor starten en blijven draaien zolang de warmtebron in stand wordt gehouden.

Vraag: Welk werkgas wordt gebruikt in een Stirling-motor?

Antwoord: Het werkgas in een Stirling-motor kan variëren, afhankelijk van het specifieke ontwerp en de toepassing. Veelgebruikte gassen zijn lucht, waterstof, helium en stikstof.

Conclusie

De Stirling-motor biedt een unieke combinatie van brandstofveelzijdigheid, hoog rendement en lage emissies, waardoor hij geschikt is voor een breed scala aan toepassingen. Naarmate de technologie vordert, zal het potentieel van de Stirling-motor toenemen, evenals het gebruik ervan op verschillende gebieden.

Bekijk een werkende Stirling-motor in een verkleinde versie: