Stirling motoru

Stirling motoru, sıcak hava motoru olarak da bilinir. Dıştan yanmalı motorlu bir ısı makinesi tipidir. Isı değişimi prosesi, ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal verime yakın olmasına izin verir. (Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile)

İspanya'da Güneş enerji sistemlerinde parabolik ayna odağında, solar ısıdan Stirling motoruyla elektrik enerjisi üretimi Plataforma Solar de Almería.

1816 yılında İskoç rahip Reverent Robert Stirling tarafından icat edilmiştir. Motoru geliştirme işini daha sonra mühendis olan kardeşi James Stirling devam ettirmiştir. Mucitler, zamanın buhar makinelerine güvenilir bir alternatif oluşturmayı öngörmüştür. Buhar makinelerinin kazanları sık sık yetersiz malzeme kullanımı ve buharın yüksek basıncı nedeniyle patlıyordu. Stirling motorları sıcaklık farkını doğrudan harekete dönüştürecekti.

Çalışma prensibi

Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin tekrar edilmesi ile çalışır.

Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle ilgili olarak) ile tanımlanmış davranışları gösterir. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içinde olduğundan, basıncı yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir. Gaz soğutulduğunda basınç düşer ve bunun sonucunda piston dönüş strokunda gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan işin bir kısmını kullanır. Ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur. Çalışma gazı sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında periyodik olarak akar. Çalışma gazı piston silindirleri içinde yalıtılmıştır. O yüzden burada egzoz gazı yoktur. Diğer tip pistonlu motorlardan farklı olarak valflere ihtiyaç yoktur.

Adım 1

Adım 2

Adım 3

Adım 4

Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çalışma gazı hareketi için bir ayırıcı piston kullanır. Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine bağlı olması sayesinde silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çalışma gazı hareket eder.

Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir. Sıcak ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu ısı transfer edilir. Bazı tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir. Bu rejenaratör Stirling çevriminin verimine katkı sağlar. Burada rejeneratör olarak belirtilen yapı aslında içerisinden bir miktar hava geçmesine engel olmayacak bir katı yapıdır. Sözgelimi çelik bilyeler bu iş için kullanılabilir. Hava bir soğuk oda ile sıcak oda arasında hareket ederken bu rejeneratör içerisinden geçer. Sıcak hava soğuk bölüme ulaşmadan önce bir kısım ısı enerjisini bu bilyeler üzerinde bırakır. Soğuk hava da sıcak tarafa geçerken daha önce bırakılan ısı enerjisiyle bir miktar ısınır. Yani hava sıcak kısma girmeden önce ön-ısıtma, soğuk kısma girmeden önce de ön-soğutma işleminden geçerek motorun verimini artırır.

55 kW elektrik gücü sağlayabilen bir Stirling motoru ve jeneratör uygulaması

İdeal Stirling motor çevrimi aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için Carnot ısı makinesi olarak aynı teorik verime sahiptir. Termodinamik verimi buhar makinelerinden yüksektir. (veya basit haldeki bazı içten yanmalı ve dizel motorlardan)

Herhangi bir sıcaklık kaynağı Stirling motoruna güç sağlayabilir. Dıştan yanmalı motor, ifadesindeki yanma çoğu zaman yanlış anlaşılır. Isı kaynağı, yanma sonucu oluşabilir fakat, güneş enerjisi, jeotermal enerji veya nükleer enerji de olabilir. Aynı şekilde sıcaklık farkı yaratmak için kullanılan soğuk kaynak, çevre sıcaklığının altındaki değişik maddeler olabilir. Soğuk su veya soğutucu bir akışkan kullanımı ile soğutma sağlanabilir. Fakat soğuk kaynaktan elde edilecek sıcaklık farkının düşük olması daha büyük kütleler ile çalışılmasını gerektireceğinden, pompalamada oluşacak güç kaybı çevrimin verimini düşürecektir.Yanma ürünleri motorun iç parçaları ile temas etmez. Stirling motorunda yağlama yağı ömrü içten yanmalı motorlara göre daha uzundur.

Stirling motorunun uygulamada bazı avantaj ve dezavantajları vardır.

Avantajları

• Isı dış kaynaklıdır ve yakıt hava karışımının yanması daha doğru olarak kontrol edilebilir.
• Isı sağlamak için devamlı bir yanma prosesi kullanılır, bu yüzden yanmamış yakıt oranı büyük ölçüde düşürülür.
• Stirling motorları, kendilerine denk olan diğer motor tiplerinden daha az yağlama ve bakım gerektirir.
• Motor, diğer denk motorlara göre daha basit yapıdadır. Valf ihtiyacı duymaz. Yakıt ve iç sistemleri daha basittir.
• Oldukça düşük basınçta işletilebilir, böylece tipik buhar makinelerine göre daha emniyetlidir.
• Düşük işletme basıncı, daha hafif ve dayanıklı olmayan silindir kullanımına imkân verir.
• Denizaltıların kullanımı için, hava olmadan ve daha sessiz çalışabilme imkânı verir.
• Sessiz, çevreye daha az zararlı, verimli, güvenilir (basit parçalar ve yanma sistemi), daha az titreşim üreten ve patlama riski daha az yakıt kullanılabilmesi avantajlarına sahiptirler.

Dezavantajları

• Stirling motorları girişte ve çıkışta çalışma akışkanı içeren ısı eşanjörü gerektirir. Bu yakıt ekonomisinin sağlanması ve verimlilik optimizasyonu düşünülerek tasarım yapıldığında motorun maliyetini arttırır.
• Stirling motoru, özellikle de küçük sıcaklık farkları ile çalışanlar, ısı eşanjörü nedeni ile oluşturdukları gücün önemli bir kısmını kaybeder.
• Termal verimi maksimize etmek için soğutucu sıcaklığı mümkün olduğu kadar düşük tutulur, bu yüzden harcanan ısının kaybedilmesi güçlük yaratır. Bu sebep Stirling motorunun otomotiv sektöründe yaygınlaşamamasının faktörlerinden biridir. (Gerekli ısı ısıtma sisteminin yeterince motora kombine ve küçük ölçüde olamayışı.)
• Düz Stirling motoru çabuk olarak devreye giremez; sıcaklığın iyice yükselmesi gereklidir. Bu tüm dıştan yanmalı motorlar için geçerlidir fakat diğer dıştan yanmalı motorların ısınma zamanı Stirling motorununkinden kısadır.
• Güç çıkışı, sabittir ve bir seviyeden diğerine geçmesi çabuk olarak mümkün olmaz.
• Hidrojenin düşük moleküler ağırlığı, onu Stirling motoru için en iyi çalışma gazı yapar. Fakat bu küçük moleküller, motor içinde muhafaza zorluğu ve ilave yardımcı sistemler gerektirir. Bu sistemler gaz kabı gibi basit veya gaz jeneratörü gibi daha karmaşık sistemler olabilir. Her durumda ilave ağırlık, maliyet artışı ve istenmeyen sorunlar oluşturacaktır.
• Güç - ağırlık, işgal edilen alan - güç oranı düşüktür, bu yüzden sabit kullanıma daha uygundurlar.

Alfa tipi stirling motorunun çalışma şekli

Alfa tipi Stirling motoru hareketini gösteren bir animasyon.

1. İşlenen gazın büyük kısmı sıcak silindirde, genleşme sıcak pistonu en dibe itmiş. Sıcak silindirden 90o geride olan soğuk silindirde genleşme sürüyor.

2. Gaz maksimum hacme ulaşmış. Sıcak silindir gazın çoğunu soğuk silindire itecek yönde hareket ediyor. Soğuk silindire giren gaz soğuyor ve basıncı azalıyor.

3. Gazın büyük kısmı soğuk silindirde ve soğuma devam ediyor. Soğuk piston volan momentumunun yardımıyla gazın kalan kısmını da sıkıştırıyor.

4. Gaz minimum hacme inmiş. Şimdi gaz sıcak silindire geçecek ve orada yeniden ısıtılıp genleşerek sıcak pistonu itecek.