PRINCIP I PRIMENA STIRLINGOVE MAŠINE STIRLINGOV PROCES PRINCIP I PRIMENA STIRLINGOVE MAŠINE

Stirlingov motor je vrsta toplotnog motora koji radi sa cikličnom kompresijom i ekspanzijom vazduha ili drugog gasa na raznim temperaturama, tako da dolazi do pretvaranja toplote u mehanički rad. Prve mašine su imale problem eksplozija kotlova. Taj problem je na izuzetan način rešio škotski paroh Robert Stirling 1816. Njegov proces sastojao se od dve izohore i dve izoterme. Kroz ovaj termodinamički ciklus prolazi stalno jedna te ista masa vazduha. Umesto vazduha mogu se koristiti vodonik, helijum ili neki drugi gas. Osnovni delovi Stirlingovog motora su: Izvor toplote Grejač Regenerator (regenerativni izmenjivač toplote) Hladnjak Primač toplote (okolina)

Slika 1.Parabolično ogledalo sa Stirlingovim motorom u tački fokusa Izvor toplote može biti sagorevanje fosilnog goriva, a pošto je proces sagorevanja izvan motora, Stirlingov motor može raditi na goriva koja su nepodesna za motore sa unutrašnjim sagorevanjem, kao što je nerafinisani zemni gas, drvo, ugalj. Najznačajnije je to što može da radi sa obnovljivim izvorima energije kao što su solarna energija, geotermalna energija, nuklearna energija, višak toplotne energije od drugih industrijskih procesa itd. Solarna energija se koncentriše paraboličnim ili pomičnim ravnim ogledalima na vrući deo motora. Slika 1.Parabolično ogledalo sa Stirlingovim motorom u tački fokusa

Grejače kod malih motora predstavljaju zidovi vrućeg cilindra Grejače kod malih motora predstavljaju zidovi vrućeg cilindra. Za veće instalacije potrebno je imati odgovarajuće izmenjivače toplote za efikasniji prenos toplote u vrući cilindar. Regenerator je unutrašnji izmenjivač toplote koji je i privremeno skladište toplotne energije smešten između hladnog i vrućeg prostora motora. Kroz njega protiče radni gas prvo u jednom pa u drugom smeru. Njegova funkcija je da zadrži toplotu koja bi inače bila izgubljena u okolinu i s time se omogućava da se termička efikasnost motora približi najvećoj efikasnosti mogućoj za Karnoov ciklus. Cilj dizajna regeneratora treba da bude da omogući dovoljan toplotni kapacitet i kapacitet prenosa toplote, a u isto vreme da smanji što je više moguće unutrašnju zapreminu i otpor toku gasa. Tipični regenerator se sastoji od slojeve fine metalne mrežice sa niskom poroznošću da smanji zapreminu. Ose mrežice su normalne na smer toka gasa da se smanji provodnost u tom smeru i da se poveća prenos toplote konvekcijom. Regenerator, čiji je izumitelj Robert Stirling, je glavna komponenta koja odvaja Stirlingov motor od običnih motora na vrući vazduh sa zatvorenim ciklusom.

Primač toplote je obično okolina Primač toplote je obično okolina. Brodski Stirling motori mogu koristiti vodu za hlađenje. U kombinovanim sistemima za proizvodnju toplote za grejanje i struje, voda za hlađenje se i sama zagreva odvođenjem toplote sa hladnjaka, pa se može dalje upotrebiti za grejanje objekata u sistemu toplovoda.Stirlingov motor ce raditi sve dok postoji određena razlika u temperaturi cilindara. Stirlingovi motori se po konstrukciji mogu podeliti na tri osnovna tipa: Alfa Stirlingov motor Beta Stirlingov motor Gama Stirlingov motor

Alfa Stirling ima dva cilindra i dva klipa, jedan cilindar je vruć (dovodi mu se toplota) a drugi hladan (hladi se).Oni zajedno deluju na zamajac s tim što su akcije klipova u cilindrima pomerene za 90°.Ciklus rada se sastoji od 4 faze. I faza Početak ekspanzije gasa u vrućem cilindru. Klip prenosi ovu akciju na zamajac. U isto vreme, dolazi do početka kompresije gasa u hladnom cilindru. II faza Nastavak ekspanzije u vrućem cilindru. Maksimalna kompresija gasa u hladnom cilindru, što pomaže radu klipa u vrućem cilindru, povećavajući pritisak u čitavom sistemu. Gas sada ima najmanju zapreminu i najviši pritisak. III faza Maksimalna ekspanzija u vrućem cilindru. Ekspanzija je već uznapredovala u hladnom cilindru, i pritisak gasa u sistemu pada a zapremina raste.

Slika 2.Princip rada Alfa Stirlingovog motora IV faza Kompresija je počela u vrućem cilindru i vazduh je potisnut u hladni, a maksimalna ekspanzija je istovremeno dostignuta u hladnom cilindru. Ovo dovodi do pada temperature i pritiska i povećanja zapremine gasa. Tačka najveće zapremine gasa u sistemu je dostignuta. I faza II faza III faza IV faza Slika 2.Princip rada Alfa Stirlingovog motora

Beta Stirlingov motor Beta Stirling ima jedan cilindar i jedan radni klip. Postoji i dodatni klip za pomeranje gasa, i on je namerno napravljen tako da postoji prostor između krajeva toga klipa i zidova cilindra. Njegova namena je samo da pomera gas od vruće strane cilindra do hladne i obrnuto. I faza Radni klip (tamno sivi) kompresuje radni gas,dodatni klip (svetlo sivi) je pomeren tako da je većina gasa nalazi na toploj strani cilindra. II faza Zagrejanom vazduhu se povećava pritisak isled kompresije pri čemu se radni klip potiskuje na suprotnu stranu do krajnjih mogućih granica. III faza Dodatni klip sada pomera gas ka hladnoj strani cilindra.

Slika 3.Princip rada Beta Stirlingovog motora IV faza Ohlađeni gas se sada kompresuje pod dejstvom zamajca,ovo zahteva manje energije s’obzirom kada se gas (vazduh) hladi,pritisak opada. I faza II faza III faza IV faza Slika 3.Princip rada Beta Stirlingovog motora

Slika 4.Princip rada Gama Stirlingovog motora Gama Stirlingov motor Gama Stirling je modifikovani beta Stirling u kome je je radni klip postavljen u poseban cilindar pored cilindra u kojem se nalazi dodatni klip. Oba klipa su povezana na isti zamajac. Gas može da teče između oba cilindra i ostaje nepodeljen. Ova konfiguracija daje nižu kompresiju gasa ali je mehanički jednostavnija za izradu i pogodnija za više-cilindrične Stirling motore. Slika 4.Princip rada Gama Stirlingovog motora

p-v i T-s dijagram Stirlingovog motora