Motorul+Stirling

=Motorul Stirling =

// 1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuşiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolaţie termică ce separă capetele celor doi cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) - volanţi, // // Nereprezentate: sursa exterioară de energie şi radiatorele de răcire. În acest desen pistonul de refulare este utilizat fără regenerator //

=~Descriere := În procesul de transformare a energiei termice în [|lucru mecanic], dintre mașinile termice motorul Stirling poate atinge cel mai mare randament, teoretic până la randamentul maxim al [|ciclului Carnot] , cu toate că în practică acesta este redus de proprietățile gazului de lucru și a materialelor utilizate cum ar fi [|coeficientul de frecare] , [|conductivitatea termică] , [|punctul de topire] , [|rezistența la rupere] , deformarea plastică etc. Acest tip de motor poate funcționa pe baza unei surse de căldură indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solară, chimică sau nucleară.

Spre deosebire de motoarele cu ardere internă, motoarele Stirling pot fi mai economice, mai silențioase, mai sigure în funcționare și cu cerințe de întreținere mai scăzute. = ~Video : ([| aici] ) = = ~Istoric: =

Mașina cu aer a lui Stirling (cum a fost denumită în cărțile din epoca respectivă) a fost inventată de clericul Dr. Robert Stirling și brevetat de el în anul [|1816]. Data la care s-a încetățenit denumirea simplificată de motor Stirling nu este cunoscută, dar poate fi estimată spre mijlocul secolului XX când compania Philips a început cercetările cu fluide de lucru altele decât aerul – în instrucțiunile de utilizare MP1002CA este încă denumită ca 'motor cu aer'.

Tema principală a brevetului se refera la un schimbător de căldură pe care Stirling l-a denumit "economizor" pentru că poate contribui la economisirea de carburant în diferite aplicații. = ~Ciclul motor : =

Deoarece ciclul motorului Stirling este închis, el conține o cantitate determinată de gaz numit "fluid de lucru", de cele mai multe ori [|aer], [|hidrogen] sau [|heliu]. La funcționare normală motorul este etanșat și cu interiorul lui nu se face schimb de gaz. Spre deosebire de alte tipuri de motoare nu sunt necesare supape. Gazul din motorul Stirling, asemănător altor mașini termice, parcurge un ciclu format din 4 transformări (timpi): încălzire, destindere, răcire și compresie. Ciclul se produce prin mișcarea gazului înainte și înapoi între schimbătoarele de căldură cald și rece. Schimbătorul de căldură cald este în contact cu o sursă de căldură externă de exemplu un arzător de combustibil, iar schimbătorul de căldură rece este în legătură cu un radiator extern de exemplu radiator cu aer. O schimbare intervenită în temperatura gazului atrage după sine modificarea presiunii, în timp ce mișcarea pistonului contribuie la compresia și destinderea alternativă a gazului. = ~Bazele teoretice : =

Ciclul Stirling ideal este un [|Ciclu termodinamic] cu două [|izocore] și două [|izoterme]. Este ciclul termodinamic cel mai eficient practic realizabil, eficiența sa teoretică egalând-o pe cea ipotetică a unui ciclu Carnot. Cu toate acestea probleme de ordin tehnic reduc eficiența în realizare – un mecanism mai simplu fiind avantajat față de o realizare a unui ciclu apropiat celui teoretic.

Gazul de lucru este supus unui ciclu de dilatări și comprimări compus din două transformări izoterme și două transformări izocore. Se utilizează următoarele prescurtări: = Cantitate de căldură, lucru mecanic în J = Masa gazului în mol = Capacitatea calorică molară la v=const. in J/mol = Constanta universală a gazului în J mol-1 K-1 = Temperatura superioară și inferioară în K = Volumul în punctul mort superior în m³  = Volumul în punctul mort inferior în m³ =~Randamentul:= unctul slab al motoarelor Stirling îl reprezintă randamentul. În principiu motoarele Stirling nu pot atinge un randament Carnot înalt, deoarece temperatura de lucru maximă este limitată de temperatura sursei calde. În practică gazul de lucru nu poate fi încălzit peste temperatura de 800 K. La aceste diferențe de temperatură mici randamentul Carnot este de cca 66 % și se situează astfel mult sub cel al motoarelor cu ardere internă uzuale. = = = = =~Lucru mecanic util := Lucrul mecanic util este reprezentat în diagrama p-V de mai sus de suprafața închisă de curba ciclului, pe când în diagrama T-s (entropie-temperatură) ca rezultat al diferenței dintre energia calorică absorbită și cea cedată. Lucrul mecanic util este reprezentat și în bilanțul energetic din schița alăturată: energia absorbită = energia cedată Utilizând formulele de mai sus pentru Q și Q0 rezultă: ; având Se obține formula pentru **lucrul mecanic**: Punctul slab al motoarelor Stirling îl reprezintă randamentul. =~Alte tipuri de motoare := -Motorul beta Stirling: Un motor de tip ** Beta Stirling ** are un singur cilindru în care sunt așezate un piston de lucru și unul de refulare montate pe același ax. Pistonul de refulare nu este montat etanș și nu servește la extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilată având doar rolul de a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece. Când gazul de lucru este împins către capătul cald al cilindrului, se dilată și împinge pistonul de lucru. =~Avantaje:=


 * Căldura reziduală este ușor utilizabilă (în comparație cu motorul cu ardere internă) astfel încât motoarele Stirling își găsesc întrebuințare în sistemele combinate cum ar fi WhisperGen [|[10]].
 * Pot utiliza fără modificări orice sursă de căldură, nu numai cele având la bază un proces de ardere, cum este energia solară, geotermală, biologică sau nucleară.
 * În cazul sursei pe bază de combustibil procesul de ardere poate fi continuu (spre deosebire de motoarele cu ardere internă), reducându-se semnificativ nivelul emisiilor [|poluante].
 * Cele mai multe motoare Stirling au mecanismele de acționare și etanșare pe partea rece, astfel încât necesită mai puțin lubrifiant și au perioade de funcționare mai mari între revizii decât alte tipuri de mașini.
 * Mecanismele de acționare sunt mai simple decât la alte tipuri de mașini cu mișcare alternativă, nu sunt necesare supape și sistemul de ardere poate fi mai simplu

=~Dezavantaje:=

Dimensiuni și costuri
Din construcție motorul Stirling este dotat cu schimbătoare de căldură atât pentru absorbția cât și pentru cedarea acesteia, schimbătoare care trebuie să reziste la presiunea fluidului de lucru, care la rândul ei este proporțională cu puterea motorului. În plus schimbătorul de căldură de pe partea de destindere este supus unor temperaturi foarte mari, din care cauză materialul trebuie să reziste unor puternice efecte corozive și să aibă deformări reduse. De obicei aceste cerințe măresc costul materialului. Costurile materialelor și de asamblare a schimbătorului de căldură din partea caldă ajung la 40% din cel al întregului motor Stirling. (Hargraves)

Probleme privind puterea și cuplul motor

 * Îndeosebi mașinile Stirling ce funcționează la diferențe de temperatură mici sunt de dimensiuni mari în comparație cu puterea pe care o debitează (au o putere litrică mică). Aceasta se datorează în special coeficientului mic de convecție termică a gazului, ceea ce limitează fluxul de căldură posibil de atins într-un schimbător de căldură intern. Pentru ingineri, transferul căldurii în și din gaz este o piatră de încercare. Mărirea presiunii și a diferenței de temperatură permite obținerea de puteri mai mari dacă schimbătoarele de căldură se proiectează pentru o sarcină termică mai mare, și pentru preluarea unui flux mai mare de energie calorică.

Gazul de lucru
=~Utilitari:=
 * [|Viscozitatea] scăzută, conductivitatea termică ridicată și căldura specifică a [|hidrogenului] fac ca din punct de vedere termodinamic și hidrodinamic acesta să fie un gaz de lucru aproape ideal în mașinile Stirling. Cu toate acestea datorită greutății moleculare scăzute și a capacității ridicate de difuzie, hidrogenul va scăpa prin pereții de metal, ceea ce va îngreuna menținerea unei presiuni ridicate în interiorul mașinii la o perioadă lungă de timp între completări.

Motoare pentru diferențe mici de temperatură
>> >> >> >>