Motor Stirling: Care sunt avantajele sale?
Un motor Stirling este un motor termic alternativ care utilizează căldură dintr-o sursă externă pentru a crea energie pentru ciclul de lucru. Această căldură este adesea obținută prin ardere externă, deci este un motor cu ardere externă.
Acest tip de motor folosește energia chimică obținută prin arderea combustibilului pentru a încălzi substanța de lucru, care ulterior efectuează lucrări în motor. Arderea are loc întotdeauna în afara motorului, iar substanța de lucru este cel mai adesea gaz.
Conţinut
- Istoria motorului Stirling pe scurt
- Construcția motorului Stirling
- Cum funcționează un motor Stirling cu un singur cilindru?
- Cum funcționează un motor Stirling cu doi sau mai mulți cilindri?
- Avantajele motorului Stirling
- Dezavantajele motorului Stirling
- Utilizarea motorului Stirling
- Inovații viitoare
- Fapte interesante despre motorul Stirling
- Întrebări frecvente despre motorul Stirling
- Concluzie
Istoria motorului Stirling pe scurt
Dezvoltarea motorului Stirling a început la începutul secolului al XIX-lea, când inginerul și clerul scoțian Robert Stirling a încercat să creeze o alternativă mai sigură la motoarele cu abur, care erau cunoscute pentru explozie. Motorul Stirling a fost brevetat în 1816. În anii următori, a suferit mai multe îmbunătățiri pentru a crește eficiența. Frații Stirling au brevetat și un motor cu aer cald în 1827.
În secolele XIX și XX, motoarele Stirling au experimentat un interes sporit și inovație, în special în timpul penuriei de combustibil sau în perioadele de progres tehnologic rapid. În zilele noastre, motoarele Stirling ies din nou în prim-plan ca o alternativă ecologică la motoarele cu ardere tradițională.
Construcția motorului Stirling
În ceea ce privește designul, motorul Stirling are multe avantaje față de alte motoare cu ardere. Motorul este robust si are o constructie simpla, ceea ce il face foarte fiabil.
Acest motor este încapsulat și etanș, ceea ce îi permite să fie utilizat, de exemplu, sub apă sau în vid. Deoarece combustibilul nu arde în interiorul motorului, nu există zgomote sau vibrații inutile.
Motorul este, prin urmare, mai silențios, mai rafinat și are o durată de viață mai lungă decât motoarele clasice cu ardere internă, deoarece piesele sale sunt mai puțin solicitate. Eficiența motorului Stirling este aceeași, uneori chiar mai mare, decât cele mai bune motoare diesel. Cu toate acestea, cel mai mare avantaj al său este că pot fi folosite diferite tipuri de combustibil pentru a conduce motorul.
Cum funcționează un motor Stirling cu un singur cilindru?
Inițial, gazul este la o temperatură scăzută și, astfel, presiunea este situată între pistoanele de lucru inferioare (scurgeri) și superioare (etanșe), care sunt interconectate. Pistonul inferior se deplasează în partea superioară a cilindrului și elimină gazul, care curge în jurul pistonului în partea inferioară a cilindrului, care este încălzit de o sursă de căldură externă.
Datorită încălzirii, temperatura gazului din interiorul cilindrului crește. Astfel, gazul își mărește volumul și presiunea și se extinde în sus, în timp ce curge din nou în jurul pistonului care curge.
Pistoanele motorului: Cum funcționează?
În partea de sus a cilindrului, gazul este răcit, reducându-și volumul și presiunea, ceea ce face ca pistonul de lucru să se deplaseze în jos, ridicând pistonul care se scurge în sus și permițând gazului să revină în partea de jos a cilindrului, care este încălzit. Acest ciclu se repetă în continuare.
Cum funcționează un motor Stirling cu doi sau mai mulți cilindri?
O sursă de căldură externă încălzește cilindrul roșu. Gazul din cilindru își mărește volumul și presiunea, împingând pistonul cilindrului (roșu) în sus. După ce pistonul atinge limita superioară a cilindrului, gazul curge prin tub în al doilea cilindru (albastru).
Acolo este răcit, datorită căruia își reduce volumul și presiunea, ceea ce face ca pistonul să cadă, ceea ce împinge gazul răcit înapoi în cilindrul încălzit.
Avantajele motorului Stirling
Motorul Stirling are o utilizare versatilă și o eficiență comparabilă cu motoarele cu scânteie sau diesel. După cum am menționat, este un motor cu ardere externă, care creează mai puține substanțe nocive.
Motor pe benzină și motorină: prin ce diferă?
Deoarece nicio substanță nu intră sau iese din motor, este posibilă utilizarea celei mai potrivite umpleri a cilindrilor. Principalele avantaje ale motorului Stirling includ următoarele:
- Versatilitatea combustibilului: motoarele Stirling pot funcționa cu aproape orice sursă de căldură, făcându-le adaptabile la o gamă largă de combustibili, inclusiv surse de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară.
- Eficiență ridicată: Datorită proceselor de regenerare și izoterme, motoarele Stirling pot obține o eficiență termică mai mare în comparație cu motoarele cu ardere.
- Emisii scăzute: procesul de ardere externă are ca rezultat emisii mai scăzute și poluare mai mică, ceea ce face din motoarele Stirling o soluție ecologică. Mai puține substanțe nocive intră în aer datorită absenței uleiului în combustibil.
- Funcționare silențioasă: motoarele Stirling funcționează cu zgomot și vibrații minime, deoarece nu există ardere internă și nu există o îndepărtare rapidă a gazelor de eșapament.
Combustibili pentru motorul Stirling
După cum sa menționat deja, un avantaj uriaș al motorului Stirling față de alte motoare cu ardere este că o gamă largă de combustibili diferiți pot fi utilizați pentru a alimenta motorul, cum ar fi:
- Gaze naturale (obține cele mai bune rezultate din punct de vedere economic, dar și ecologic)
- Combustibili lichizi și gazoși
- Combustibil solid
- Biomasă (așchii de lemn, reziduuri vegetale, și altele...) Biogaz (gaz din gropile de gunoi, stații de epurare, cocs)
- Energie solară
- multe altele...
În afară de motorul Stirling, niciun alt motor nu poate folosi un grup atât de larg de surse diferite pentru propulsia sa.
Dezavantajele motorului Stirling
Ca orice alt dispozitiv, motorul Stirling are argumente pro și contra. Printre dezavantajele acestui motor putem include următoarele:
- Raport putere/greutate mai mic: în comparație cu motoarele cu ardere, motoarele Stirling au un raport putere/greutate mai scăzut.
- Design complex: motoarele Stirling au un design mai complex, ceea ce duce la costuri de producție mai mari și la întreținere mai dificilă.
- Complexitatea materialelor: transferul eficient de căldură între camera caldă și cea rece este esențial pentru o performanță optimă. Prin urmare, cerințele pentru materialele de etanșare sunt mari și, prin urmare, costurile de producție.
Utilizarea motorului Stirling
Motorul Stirling este utilizat într-o gamă largă de aplicații datorită versatilității și proprietăților sale unice:
- Generarea energiei: motorul Stirling poate genera electricitate în zone îndepărtate folosind căldura reziduală sau surse de energie regenerabilă, cum ar fi energia solară.
- Cogenerare: în sistemele combinate de căldură și energie (CHP), un motor Stirling poate recupera căldura reziduală din procesele industriale sau clădiri, crescând eficiența energetică.
- Propulsie maritimă: motorul Stirling este utilizat în submarine și alte nave navale pentru funcționare silențioasă și economie de combustibil.
- Puterea navelor spațiale: generatoarele Stirling cu radioizotopi sunt folosite ca sursă de energie pentru misiuni în spațiu, cum ar fi Generatorul Stirling cu radioizotopi avansat (ASRG) de la NASA.
Inovații viitoare
Motoarele Stirling sunt gata să joace un rol semnificativ în tranziția către soluții energetice mai curate și mai eficiente. Domeniile potențiale pentru viitoare inovații includ:
- Energie solară: sistemele de energie solară concentrată pot folosi motoarele Stirling pentru a transforma lumina solară în electricitate, oferind o resursă regenerabilă.
- Recuperarea căldurii reziduale: dezvoltarea de materiale și design avansate poate îmbunătăți și mai mult eficiența motoarelor Stirling, făcându-le o opțiune atractivă pentru recuperarea căldurii reziduale și economii de energie.
- Utilizarea automobilelor: deși nu este încă răspândită, integrarea motoarelor Stirling în sistemele de vehicule hibride ar putea ajuta la reducerea consumului de combustibil și a emisiilor.
Fapte interesante despre motorul Stirling
- Primul motor patentat: motorul Stirling a fost primul motor patentat, care a primit brevetul în 1816, chiar înainte de motorul cu ardere internă.
- Inovație în materie de siguranță: motorul Stirling a fost dezvoltat inițial ca o alternativă mai sigură la motoarele cu abur predispuse la explozii din cauza aburului de înaltă presiune.
- Submarine suedeze: Marina suedeză folosește motoarele Stirling în submarinele sale din clasa Gotland din 1996, profitând de funcționarea silențioasă și eficiența motoarelor.
- Philips Electronics: În anii 1950, Philips Electronics a dezvoltat o gamă de motoare Stirling pentru a fi utilizate în radiouri și alte aparate mici, contribuind la popularizarea tehnologiei.
- Motor Stirling cu cea mai lungă funcționare: cel mai lung motor Stirling care funcționează continuu se află la Universitatea din Canterbury din Noua Zeelandă. Acest motor, cunoscut sub numele de Canterbury Ringbom, este în funcțiune din 1986.
Întrebări frecvente despre motorul Stirling
Î: Poate fi folosit un motor Stirling într-o mașină?
Răspuns: motorul Stirling nu este încă larg răspândit pentru utilizarea în automobile datorită raportului putere/greutate mai scăzut și complexității sale. Cu toate acestea, poate fi integrat în sistemele vehiculelor hibride pentru a îmbunătăți eficiența consumului de combustibil și a reduce emisiile.
Întrebare: Cum se compară eficiența unui motor Stirling cu cea a unui motor cu ardere internă{{REF_LINK}}?
Răspuns: motorul Stirling poate obține o eficiență termică mai mare în comparație cu motoarele cu ardere internă, atingând adesea eficiențe de 30-40% sau mai mult, în timp ce motoarele cu ardere internă sunt de obicei în jur de 20-25% eficiente.
Întrebare: Care sunt principalii factori care afectează eficiența unui motor Stirling?
Răspuns: eficiența unui motor Stirling depinde de mai mulți factori, inclusiv diferența de temperatură dintre camerele calde și cele reci, designul regeneratorului, gazul de lucru și pierderile mecanice ale motorului.
Î: Cum pornește un motor Stirling?
Răspuns: un motor Stirling necesită o sursă de căldură externă pentru a începe să funcționeze. Odată ce gazul de lucru se încălzește și începe să se extindă, motorul va porni și va continua să funcționeze atâta timp cât sursa de căldură este menținută.
Î: Ce gaz de lucru este folosit într-un motor Stirling?
Răspuns: gazul de lucru dintr-un motor Stirling poate varia în funcție de designul și aplicația specifică. Gazele utilizate în mod obișnuit includ aer, hidrogen, heliu și azot.
Concluzie
Motorul Stirling oferă o combinație unică de versatilitate a combustibilului, eficiență ridicată și emisii scăzute, făcând posibilă o gamă largă de aplicații. Pe măsură ce tehnologia avansează, potențialul motorului Stirling va crește, la fel și utilizarea acestuia în diverse domenii.