Motorul stirling

Dascalu Andreea-MarinaCocor Miruna-AlondraMotorul StirlingMotorul Stirling este o masina termica cu aer cald cu ciclu inchis regenerativ, unde fluidul de lucru se afla intr-un spatiu inchis. Acesta este numit sistem termodinamic. La masinile cu ciclu deschis, cum este motorul cu ardere interna, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic inconjurator ca parte a ciclului termodinamic.Termenul de regenerativ se refera la utilizarea unui schimbator de caldura intern care mareste semnificativ randamentul potential al motorului Stirling.

Motorul Stirling atinge cel mai mare apogeu in procesul de transformare a energiei termice in lucru mecanic, teoretic pana la randamentul maxim al ciclului Carnot, desi in paractica acesta este redus de proprietatile gazului de lucru si a materialelor utilizate. Coeficientul de frecare, conductivitatea termica, punctul de topire cat si deformarea plastica ar contribui semnificativ la reducerea randamentului.Acest motor poate functiona pe baza unei surse de caldura indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solara, chimica sau nucleara.

Istoric

Prima main Stirling a fost un motor i a fost brevetat n anul 1816. Motorul folosea ca agent de lucru aerul i era dotat i cu un recuperator de cldur (dei acest recuperator era subdimensionat fa de recuperatoarele motoarelor actuale). Scoianul Robert Stirling (1790 -1878), inventatorul acestui motor, l-a construit i, n anul 1818, l-a pus n funciune. Motorul ardea crbune, furniza 2 cai putere i era folosit pentru pomparea apei dintr-o carier de piatr. n secolul al XIX-lea motoarele Stirling au cunoscut o dezvoltare remarcabil, astfel c n preajma anului 1900 n Marea Britanie i n SUA se aflau n exploatare peste 10.000 de astfel de motoare. La nceputul secolului al XX-lea motoarele cu ardere intern i motoarele electrice, mai performante dect vechile motoare Stirling, le-au nlocuit practic din toate utilizrile industriale. n mod asemntor au fost nlocuite i motoarele cu piston cu abur, foarte rspndite i ele n acea vreme.Renaterea interesului pentru motoarele Stirling se plaseaz n deceniul al patrulea al secolului trecut, cnd inginerii de la firma Philips au nceput proiectarea unui mic motor termic policarburant silenios destinat pentru antrenarea unor generatoare electrice care s ncarce bateriile de acumulatoare ale staiilor radio de emisie - recepie din zonele izolate. Utiliznd materiale i tehnologii moderne, inginerii firmei Philips au adus motorul inventat de Robert Stirling la performane tehnice absolut remarcabile.Mainile Stirling utilizeaz ca agent de lucru un gaz (aer, heliu, hidrogen) care evolueaz ntr-un sistem nchis.Ciclul termodinamic Stirling este ciclul compus din dou transformri izotermice (desfurate, evident, la temperaturile minim Tm i maxim TM ntre care funcioneaz maina) legate ntre ele prin dou transformri izocorice (care au loc la volumele maxim i minim ocupate de agentul de lucru n cilindru).Functionare

Timp 11-2 pe grafic este o destindere izoterm n cursul creia gazul efectueaz lucru mecanic asupra mediului. Cldura absorbit Q i lucrul mecanic efectuat L12sunt legate prin formula:

Timp 22-3 pe grafic este o rcire izocor n cursul creia prin cedare de cldur ctre regenerator gazul este adus n starea iniial. Cldura cedat se determin cu formula:

Timp 33-4 pe grafic este o comprimare izoterm n cadrul creia lucrul mecanic necesar modificrii volumului L34este egal cu cldura cedat. Q0

Timp 44-1 pe grafic este o inclzire izocor n cursul creia cldura absorbit n timpul 2 de ctre regenerator este cedat gazului, valoarea acesteia fiind:

Punctul slab al motoarelor Stirling l reprezint randamentul. n principiu motoarele Stirling nu pot atinge un randament Carnot nalt, deoarece temperatura de lucru maxim este limitat de temperatura sursei calde. n practic gazul de lucru nu poate fi nclzit peste temperatura de 800K. La aceste diferene de temperatur mici randamentul Carnot este de cca 66% i se situeaz astfel mult sub cel al motoarelor cu ardere intern uzuale.Motoarele Stirling ating 50% din randamentul lor Carnot, cu un randament efectiv corespunztor mai mic.Randament1. Alfa StirlingUn motor de tip Alfa Stirling conine dou pistoane de lucru, unul cald i altul rece ,situate separat n cte un cilindru. Cilindru pistonului cald este situat n interiorul schimbtorului de cldur de temperatur nalt iar cel al pistonului rece n schimbtorul de cldur de temperatur sczut. Acest tip de motor are o putere litric foarte mare dar prezint dificulti tehnice din cauza temperaturilor foarte mari din zona pistonului cald i a etanrii sale .

Tipuri de motoare

Un motor de tip Beta Stirling are un singur cilindru n care sunt aezate un piston de lucru i unul de refulare montate pe acelai ax. Pistonul de refulare nu este montat etan i nu servete la extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilat avnd doar rolul de a vehicula gazul de lucru ntre schimbtorul de cldur cald i cel rece. Cnd gazul de lucru este mpins ctre captul cald al cilindrului, se dilat i mpinge pistonul de lucru. Cnd este mpins ctre captul rece, se contract i momentul de inerie al motorului, de obicei mrit cu ajutorul unui volant, mpinge pistonul de lucru n sensul opus, pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul Alfa n acest caz se evit problemele tehnice legate de inelele de etanare de la pistonul cald.

2. Beta Stirling

Un motor de tip Gama Stirling este un Beta Stirling la care pistonul de lucru este montat ntr-un cilindru separat alturat de cilindrul de refulare, dar este conectat la acelai volant. Gazul din cei doi cilindri circul liber ntre acetia. Aceast variant produce o rat de compresie mai mic dar este constructiv mai simpl i adeseori este utilizat n motoare Stirling cu mai muli cilindri.

3. Gama Stirling

Inginerii i inventatorii continu s fie preocupai de realizarea de noi variante constructive bazate pe ciclul Stirling. O deosebit preocupare nconjoar motorul cu piston rotativ Stirling, avnd ca scop transformarea puterii preluate din ciclul Stirling direct n micare rotativ, analog cu motorul cu piston rotativ cu combustie intern. Pn n prezent nu a fost construit niciun prototip, dar exist o varietate de concepte, modele, i au fost nregistrate brevete. Un domeniu deosebit l reprezint motoarele Stirling "cu piston liber", ntre care se enumer i cele cu piston lichid i cele cu diafragm.O variant de motor Stirling este pompa de ap cu piston lichid utiliznd ciclul Stirling. Forma cea mai simpl include gazul de lucru, un lichid i dou supape unidirecionale. Lucrul mecanic dezvoltat n acest caz este utilizat pentru pomparea lichiduluiAlte tipuri de motoarePot utiliza fr modificri orice surs de cldur, nu numai cele avnd la baz un proces de ardere, cum este energia solar, geotermal, biologic sau nuclear. n cazul sursei pe baz de combustibil procesul de ardere poate fi continuu (spre deosebire de motoarele cu ardere intern), reducndu-se semnificativ nivelul emisiilor poluante. Cele mai multe motoare Stirling au mecanismele de acionare i etanare pe partea rece, astfel nct necesit mai puin lubrifiant i au perioade de funcionare mai mari ntre revizii dect alte tipuri de maini. Mecanismele de acionare sunt mai simple dect la alte tipuri de maini cu micare alternativ, nu sunt necesare supape i sistemul de ardere poate fi mai simpluAvantanjeleDimensiuni i costuri, costurile materialelor i de asamblare a schimbtorului de cldur din partea cald ajungand la 40% din cel al ntregului motor Stirling.Probleme privind puterea i cuplul motor. Un motor Stirling nu poate porni imediat, avnd nevoie de o perioad de nclzire. Acest lucru este valabil pentru toate mainile cu ardere extern, dar aceast perioad poate fi totui mai scurt pentru motoarele Stirling dect de exemplu la mainile cu aburi. Gazul de lucru. Unele maini utilizeaz ca gaz de lucru aer sau azot. Aceste gaze sunt din punct de vedere termodinamic mai puin eficiente dar n schimb reduc la minim problemele legate de etanare i completare. Utilizarea aerului comprimat pe post de gaz de lucru, coninnd o cantitate mare de oxigen, n contact cu materiale inflamabile sau substane cum ar fi lubrifianii poate duce la explozie. Pe de alt parte oxigenul poate fi nlturat cu ajutorul unei reacii de oxidareDezavantajelen 1964 a demarat n SUA un program de cercetare finanat de Ministerul Sntii pentru realizarea de inimi artificiale, care s preia temporar sau total activitatea inimii. Programul a fost foarte vast i a cuprins i cercetri privind utilizarea motoarelor Stirling n construcia inimii artificiale. Motoarele Stirling trebuiau s lucreze n regim de generator de impulsuri de presiune pentru antrenarea unei pompe pentru circulaia sngelui. Dup anul 1960, n SUA au nceput s se dezvolte proiecte pentru promovarea instalaiilor electroenergetice cu motoare Stirling n utilizri cosmice. Cercetrile au mers pe dou ci, deosebite ntre ele prin sursa de cldur aleas pentru motorul Stirling - energia solar sau cldura generat de o surs cu radioizotopi.Nivelul foarte redus al zgomotului i vibraiilor mecanice, ca i randamentul efectiv, care ajunge la 40%, recomand motoarele Stirling pentru utilizare la motorizarea submarinelor. Spre deosebire de submarinele cu motoare Diesel, care produc mult zgomot n timpul funcionrii, submarinele cu motoare Stirling sunt mult mai greu de detectat cu ajutorul sonarului.UtilizariMotorul Stirling posed numeroase avantaje poteniale, care l recomand pentru autovehicule. Astfel, motorul Stirling are un nivel foarte sczut al zgomotelor i al vibraiilor i o toxicitate redus a gazelor de ardere evacuate, chiar i fr folosirea sistemelor catalitice de depoluare, deoarece arderea se face n exteriorul cilindrului. Un alt avantaj important este acela c motorul Stirling poate funciona cu orice fel de combustibil - fiind ntr-adevr un motor policarburant - sau cu alte surse de cldur (n primul rnd cu acumulatoare de cldur). Totodat, motorul Stirling are un randament ridicat, comparabil cu cel al motoarelor Diesel, sau mai bun.Cercetrile teoretice i practice pentru dezvoltarea domeniilor de folosire a motoarelor Stirling nu s-au limitat la crearea de motoare pentru diferite mijloace de transport, dei acestora li s-a acordat prioritate. Motorul Stirling s-a dovedit a fi potrivit i pentru diverse i numeroase utilizri n instalaii termoenergetice staionare. Motoarele Stirling pot face parte din instalaii de pompe de cldur, pot fi folosite pentru antrenarea generatoarelor electrice sau ca pri componente n instalaii care utilizeaz complex i eficient energia termic prin cogenerare.INTRODUCERE IN MASINI STIRLING , Condrat Adrian Homutescu, Gheorghe Savitescu, Emil Jugureanu, Vlad Homutescuwww.wikipedia.comhttp://www.descopera.org/motorul-stirling/

Bibliografie