Mikä on Stirling-moottori? Miten Stirling-moottori toimii? Miten Stirling-moottori löydettiin? Millä alueilla sitä käytetään? Miten lämpöenergia muunnetaan liikeenergiaksi? Yksityiskohdat Stirling-moottoreista ovat artikkelissamme.
Mikä on Stirling Engine?
Stirling-moottori on kone, joka muuntaa suljetun kammion ulkoisen lämmityksen tuottaman energian mekaaniseksi energiaksi. Tunnetaan myös kuumailmamoottorina. Kun lämmitetty ilma laajenee ja puristuu, moottori alkaa liikkua. Sen keksi vuonna 1816 skotlantilainen pappi, Reverent Robert Stirling. Moottorin kehitti hänen veljensä James Stirling. Keksijöiden aikana käytettiin höyrykäyttöisiä koneita ja ne olivat melko vaarallisia. He päättivät löytää luotettavamman vaihtoehdon. He halusivat muuttaa lämpöenergian suoraan liikeenergiaksi.
Mitä Stirling-moottorissa on?
- Tehomäntä (syrjäytys): Sen tehtävänä on siirtää kaasua suljetussa kammiossa. Sitä käytetään yleensä beta- ja alfa-tyyppisissä moottoreissa.
- Mäntä: Se auttaa muuttamaan lämpöenergiaa mekaaniseksi energiaksi liikkumalla moottorin sylintereissä.
- Vauhtipyörä: Se on rakenne, johon männät on kiinnitetty. Tämän rakenteen tehtävänä on siirtää syntyvä mekaaninen energia liikkuviin osiin.
- Jäähdytin: Se auttaa jäähdyttämään kaasua suljetussa kammiossa. Se auttaa moottoria käyttämään pidempään.
- Lämmitin: Se on moottorin tärkein osa. Sitä käytetään kaasun lämmittämiseen suljetussa kammiossa lämpöenergian muuntamiseksi liikeenergiaksi.
Lisäksi joissakin moottorityypeissä sitä voidaan käyttää muissa kuin näissä komponenteissa. Tämä on täysin kehittäjien harkinnassa.
Stirling-moottorin toimintaperiaate
Stirling-moottori toimii kuumentamalla ja jäähdyttämällä toistuvasti eristettyä määrää käyttökaasua (yleensä ilmaa tai kaasuja, kuten heliumia, vetyä).
Kaasu käyttäytyy kaasulakien määrittelemällä tavalla (suhteessa paineeseen, lämpötilaan ja tilavuuteen). Kun kaasua kuumennetaan, koska se on eristetyssä tilassa, sen paine kohoaa ja vaikuttaa voimamäntään tuottaen tehoiskun. Kaasun jäähtyessä paine laskee ja tämän seurauksena mäntä käyttää osan paluuiskussaan tehdystä työstä kaasun uudelleenpuristamiseen. Tuloksena oleva verkko luo voiman karaan. Käyttökaasu virtaa ajoittain kuuman ja kylmän lämmönvaihtimen välillä. Työkaasu on tiivistetty mäntäsylintereiden sisällä. Täällä ei siis ole pakokaasua. Toisin kuin muun tyyppisissä mäntämoottoreissa, venttiileitä ei tarvita.
Jotkut Stirling-moottorit käyttävät jakomäntää työkaasun siirtämiseen edestakaisin kylmän ja kuuman säiliön välillä. Työkaasu liikkuu pitämällä sylinterit eri lämpötiloissa useiden sylinterien voimamäntien yhteenliittämisen ansiosta.
Oikeissa Stirling-moottoreissa tankkien väliin sijoitetaan regeneraattori. Tämä lämpö siirtyy regeneraattorista kaasukierron aikana kuuman ja kylmän puolen välillä. Joissakin malleissa erotinmäntä on itse regeneraattori. Tämä regeneraattori edistää Stirling-syklin tehokkuutta. Tässä regeneraattorina mainittu rakenne on itse asiassa kiinteä rakenne, joka ei estä jonkin verran ilmaa kulkemasta sen läpi. Esimerkiksi teräspalloja voidaan käyttää tähän työhön. Kun ilma liikkuu kylmän huoneen ja lämpimän huoneen välillä, se kulkee tämän regeneraattorin läpi. Ennen kuin kuuma ilma saavuttaa kylmän osan, se jättää lämpöenergiaa näihin palloihin. Kun kylmä ilma siirtyy kuumalle puolelle, se lämpenee hieman aiemmin vapautuneella lämpöenergialla. Toisin sanoen se lisää moottorin hyötysuhdetta esilämmittämällä ilmaa ennen kuumaan osaan tuloa ja esijäähdyttämällä ennen kylmään osaan tuloa.
Ihanteellisella Stirling-moottorisyklillä on sama teoreettinen hyötysuhde kuin Carnot-lämpömoottorilla samoilla tulo- ja ulostulolämpötiloilla. Sen termodynaaminen hyötysuhde on korkeampi kuin höyrykoneilla. (tai jotkin yksinkertaiset poltto- ja dieselmoottorit)
Mikä tahansa lämmönlähde voi käyttää Stirling-moottoria. Ulkopolttomoottori, palaminen ilmaisussa ymmärretään usein väärin. Lämmönlähde voidaan tuottaa polttamalla, mutta se voi olla myös aurinkoenergiaa, geotermistä energiaa tai ydinenergiaa. Samoin lämpötilaeron luomiseen käytetty kylmälähde voi olla erilaisia materiaaleja, jotka ovat ympäristön lämpötilan alapuolella. Jäähdytys voidaan saavuttaa käyttämällä kylmää vettä tai kylmäainetta. Koska kylmälähteestä saatava lämpötilaero on kuitenkin pieni, se vaatii työskentelyä suuremmilla massoilla ja pumppauksessa esiintyvä tehohäviö heikentää kierron tehokkuutta.. Palamistuotteet eivät joudu kosketuksiin. moottorin sisäosien kanssa. Voiteluöljyn käyttöikä Stirling-moottorissa on pidempi kuin polttomoottoreissa.
Stirlingin moottorityypit
Stylling-moottoreita on 3 päätyyppiä. Muut moottorityypit ovat parannettuja versioita 3 moottorista.
- Alfa-tyyppinen stirling-moottori:
Se koostuu kahdesta männästä, vauhtipyörästä, suljetusta kaasukammiosta mäntineen, lämmönvaihtimista, lämpögeneraattorista ja vauhtipyörästä. Sen tarkoituksena on aktivoida siinä oleva kaasu lämmittämällä yläosaan sijoitettua männän aluetta lämmönlähteellä. Kuumentunut kaasu alkaa työntää mäntää edestakaisin, toinen kytketty mäntä alkaa liikkua niin, että kuuma ja kylmä kaasu syrjäytyvät kammiossa. Syntynyt energia siirretään vauhtipyörän avulla, johon nämä kaksi mäntää on kytketty.
- Beta-tyyppinen stirling-moottori:
Samalla akselilla on 2 mäntää. Nämä kaksi mäntää on kytketty toisiinsa. Kuumentamalla kammiota männän ollessa pohjassa, suljetussa kammiossa oleva kaasu lämpenee ja aktivoituu. Tällä tavalla mäntä aloittaa ylöspäin suuntautuvan liikkeensä. Toinen kytketty mäntä auttaa myös kylmää kaasua liikkumaan kammiossa. Vauhtipyörä, johon männät on kiinnitetty, siirtää syntyneen energian.
- Gamma-tyyppinen stirling-moottori:
Siinä on kaksi erillistä mäntää. Kammio, jossa on suurempi mäntä, lämmitetään ja siinä oleva kaasu aktivoituu. Tällä tavalla vauhtipyörällä toisiinsa liitetyt männät alkavat liikkua.
Stirling-moottorien edut
- Koska lämpö johdetaan ulkoisesti, voimme tarkasti ohjata polttoaineen ja ilman seosta.
- Koska lämmön tuottamiseen käytetään jatkuvaa lämmönlähdettä, palamattoman polttoaineen määrä on hyvin pieni.
- Tämäntyyppiset moottorit vaativat vähemmän huoltoa ja voitelua kuin moottorityypit tehotasolla.
- Ne ovat rakenteeltaan melko yksinkertaisia verrattuna polttomoottoreihin.
- Ne voivat toimia myös matalassa paineessa, ne ovat turvallisempia kuin höyrylähdekoneet.
- Matala paine mahdollistaa kevyempien ja kestävämpien sylintereiden käytön.
Stirling-moottorien huonot puolet
- Kustannukset ovat korkeat polttoainetalouden kannalta, koska tarvittava lämpö vaaditaan moottorin ensimmäisessä käynnistyksessä.
- Hänen voimansa vieminen uudelle tasolle on melko vaikeaa.
- Jotkut stirling-moottorit eivät käynnisty nopeasti. Ne tarvitsevat riittävästi lämpöä.
- Yleensä vetykaasua käytetään suljetussa kammiossa. Kuitenkin, kun tämän kaasun molekyylit ovat melko pieniä, sitä on vaikea pitää kammiossa. Siksi joudumme maksamaan lisäkustannuksia.
- Viileämmän osan tulee imeä riittävästi lämpöä. Jos lämpöhäviö on liian suuri, moottorin hyötysuhde heikkenee.
Stirling-moottorien käyttöalueet
Stirling-moottoreita käytetään pienitehoisissa lentokoneissa, laivojen moottoreissa, lämpöpumpuissa, yhdistetyissä lämmön ja sähkön järjestelmissä. Nykyään sitä käytetään enimmäkseen sähkön tuottamiseen aurinkopaneelikentillä.
Ole ensimmäinen, joka kommentoi