Stirlingov motor

Stirlingov motor: načelo delovanja in razpoložljivi tipi

Robert Stirling, škotski pastor, je leta 1816 prijavil patent za motor z zunanjim zgorevanjem, ki je lahko konkuriral takratnemu parnemu stroju. Več kot dve stoletji kasneje se načelo ni spremenilo: zunanji vir toplote povzroči razširitev plina, zaprtega v valju, ki potisne bat, nato se plin ohladi in skrči, da se cikel ponovi. Gre za zaprt termodinamični motor – brez notranjega zgorevanja, brez eksplozij, brez ventilov. Plin (zrak, helij ali vodik, odvisno od modela) ostane v zaprtem krogu.

Obstajajo tri konfiguracije. tip alfa uporablja dva bata v dveh ločenih valjih, povezanih s toplotnim izmenjevalnikom: to je najmočnejša konfiguracija, ki jo najdemo v resnih industrijskih aplikacijah. tip beta namesti pogonski bat in premikalo v isti valj, kar zmanjša prostorske zahteve. Tip gama ločuje premikalo in bat v različnih valjih, ki pa si delita isti volumen plina: to je prevladujoča geometrija v namiznih in izobraževalnih modelih, saj poenostavlja izdelavo.

Stirlingov motor LTD: delovanje z minimalno temperaturno razliko

Modeli LTD (Low Temperature Differential) predstavljajo posebno podkategorijo. Zaženejo se že pri temperaturni razliki med vročo in hladno stranjo, ki znaša le 4 do 6 °C. V praksi: zadostuje, da podstavek postavite na skodelico čaja s temperaturo 60 °C, da se vidite, kako se vrti letev. Nekateri ploščati sončni modeli delujejo že pri 35 °C na vroči strani, nasproti hladne površine s temperaturo 25 °C.

Ta občutljivost na majhne temperaturne razlike ima tudi svojo slabost: ti motorji proizvajajo majhen navor. Hitrosti vrtenja ostajajo nizke, običajno med 100 in 400 RPM, odvisno od razpoložljive temperaturne razlike. Ne izbiramo jih zaradi njihove mehanske moči, ampak zaradi njihove sposobnosti izkoriščanja razpršenih virov toplote – industrijskih odpadnih toplot, pasivne sončne energije, telesne toplote v izobraževalnih predstavitvah.

Izbira stirlingovega motorja: konkretna merila pred nakupom

Prvo merilo je razpoložljiv vir toplote. Stirlingov motor na alkohol ali svečko za pravilno delovanje potrebuje na vroči strani temperaturo med 200 in 400 °C ter proizvaja opazen navor, ki je pogosto dovolj za pogon majhnega dinama ali urarskega mehanizma. Sončni model LTD ali model na »toploto roke« deluje bolje kot pedagoški demonstrator kot pa kot vir uporabne energije.

Drugo merilo je kakovost obdelave. Modeli iz obdelanega medenine z brušenimi batki ohranjajo tesnost tudi dolgoročno. Cenejše različice iz zamaka ali surovega aluminija hitro začnejo puščati na ravni valja, kar zmanjša učinkovitost. Preprost preizkus: v hladnem stanju, ko ročno počasi vrtite volan, mora biti upor enakomeren, brez trdih točk ali prekomernega igranja.

• Motorji tipa gamma s svečko: idealni za predstavitve, zagon v 30 do 60 sekundah, število vrtljajev med 800 in 2 000 RPM, odvisno od toplotne obremenitve.
• Sončni motorji LTD: odsevna hladna plošča iz aluminija + črna vroča plošča, delovanje na neposrednem soncu ali na toplotnem viru. Nizka vrtilna hitrost, a spektakularen zagon pri 40 °C.
• Večvaljni motorji tipa alfa: bolj zapletene konfiguracije, dejanski izkoristek se lahko izmeri s pomočjo preproste zavore, zanimivi za projekte na srednjih šolah ali visokih strokovnih šolah s področja uporabne termodinamike.

Stirlingov motor za izobraževalne namene: uporaba v fiziki in termodinamiki

Stirlingov motor ostaja eden redkih termomehanskih pretvornikov, ki ga je mogoče zgraditi, meriti in analizirati brez težke opreme. V srednji šoli ali na višji strokovni šoli omogoča praktično delo s Carnotovim ciklom, izračun dejanskega izkoristka v primerjavi s teoretičnim izkoristkom ter neposredno vizualizacijo vpliva regeneratorja na učinkovitost cikla.

Na voljo so sestavljivni kompleti različnih stopenj zahtevnosti. Za nekatere je potreben le izvijač in ena ura za sestavljanje; drugi pa zahtevajo enostavno obdelavo ali prilagajanje višine premikala, da se fazni zamik optimizira na 90°. Prav to nastavljanje faznega zamika je tisto, kar loči dobro sestavljen motor od modela, ki se težko zažene: bat motorja mora doseči zgornjo mrtvo točko četrt obrata za premikovalcem, niti več niti manj.

Dejanske aplikacije in uporaba stirlingovih motorjev v velikem obsegu

Švedska mornarica od leta 1996 uporablja Stirlingove motorje v svojih podmornicah razreda Gotland za pogon AIP (Air Independent Propulsion), pri čemer cikel napaja s tekočim kisikom, shranjenim na krovu. Rezultat: tišji pogon v primerjavi z dizelskimi motorji in avtonomija potapljanja 14 dni brez vrnitve na površino. Proizvajalec Kockums, ki ga je leta 2014 prevzelo podjetje TKMS, ostaja eden redkih proizvajalcev na svetu, ki izdeluje močne stirlingove motorje.

NASA že od leta 2000 raziskuje termoelektrične stirlingove generatorje za vesoljske misije: projekt ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) je ciljal na izkoristek 38 % v primerjavi s 6 do 7 % pri klasičnih RTG-jih na plutoniju, preden je bil leta 2013 zaradi pomanjkanja sredstev začasno ustavljen. Ti projekti ponazarjajo primernost tega cikla za neprekinjene in stabilne vire toplote, kar je ravno nasprotno od motorjev z notranjim zgorevanjem.

Vzdrževanje in življenjska doba stirlingovega motorja

Vzdrževanje se omejuje na dve točki. Prvič, mazivo za bati: kapljica lahkega mineralnega olja (kot je olje za šivalne stroje, viskoznost 10 do 15 cSt), ki se nanese na O-tesnilo bata vsakih 20 do 30 ur delovanja. Preveč gosto olje poveča trenje in zmanjša število vrtljajev; če olja ni, se tesnilo v nekaj urah obrabi. Drugič, čistoča grelne površine: sajasti ostanki na svečki povečajo toplotni upor in zmanjšajo prenos toplote na plin.

Pravilno vzdrževan model iz obdelanega medenine zdrži več sto ur delovanja brez opaznejšega poslabšanja. O-obročki ostajajo glavni del, ki se obrabi; pred nakupom preverite, ali jih dobavitelj ponuja kot nadomestne dele.

Dodatna oprema, združljiva s pisarniškim Stirlingovim motorjem

Majhen generator s trajnim magnetom (tip kolesarskega alternatorja, 5 do 12 V glede na vrtljaje) se namesti na os letečega kolesa z gumijastim spojem za blaženje vibracij. Proizvedena električna energija lahko napaja LED-diodo, polni kondenzator ali napaja multimeter za merjenje dejansko proizvedene moči. Pri šolskih projektih ta dodatek vizualno predstavitev spremeni v kvantificirano eksperimentiranje.