17/06/15 Stirling-‐motoren Figur 1 – Stirling-‐modell
En oppgave av Karl Martin i forbindelse med ingeniørfaglig grunnkurs våren 2015 Side 1 av 11 17/06/15 Innholdsfortegnelse 1. Innledning 1.1 Hva er en Stirling-‐motor? 1.2 Historien bak Stirling-‐motoren 2. Hvordan virker Stirling-‐motoren? 2.1
2.2
2.3
2.4
Alfa Beta Gamma Sammenligning Side 4 Side 5 Side 6 Side 7 Side 8 3.1 Hvor finner vi Stirling-‐motoren i dag? 3.2 Fordeler/ulemper ved bruk i fremdriftssystem 3.3 Miljøgevinster ved bruk av Stirling-‐motoren Side 8 Side 8-‐9 Side 9 Side 9 3. Bruksområder 4. Oppsummering Side 10 5. Konklusjon Side 10 6. Kilder Side 11 Side 3 Side 3 Side 3 Side 2 av 11 17/06/15 1. Innledning Denne oppgaven går ut på å demonstrere Stirling-‐motoren og forklare dens virkemåte. Jeg vil også drøfte fordeler/ulemper ved bruk av Stirling-‐motoren som fremdriftssystem, og vektlegge eventuelle miljøgevinster 1.1. Hva er en Stirling-‐motor? Stirling-‐motoren er en varmekraftmaskin som omdanner termisk energi i form av en temperaturforskjell til mekanisk energi. I likhet med otto-‐ og dieselmotoren er Stirling-‐
motoren en stempelmotor, men utenom det er det store forskjeller som vil bli belyst senere i oppgaven. 1.2 Historien bak Stirling-‐motoren Stirling-‐motoren ble funnet opp av Robert Stirling i 1816. Om du stiller deg spørsmålet ’Hvorfor kom Stirling-‐motoren til verden?’ , vil du finne litt ulike forklaringer. Jeg har lest at Stirlings opprinnelige idé var å lage en varmeveksler for å forbedre drivstofføkonomien på ulike maskiner, men også at den skotske presten ville konstruere en sikker motor som ikke eksploderte slik flere dampmaskiner gjorde på den tiden. Jeg vil ikke spekulere i hva som stemmer, men jeg vil tro det er litt sannhet i begge forklaringene. Nyvinningen til Stirling brukte varmluft i stedet for damp til å drive motoren, og ble derfor kalt en ’varmluftmotor’. Robert Stirling og broren utviklet motoren sammen i årene etter 1816, og deres samarbeid førte til det han kalte forvarmeren, i dag kjent som regeneratoren, og en motor som forvarmeren kunne brukes i. (En regenerator brukes Figur 2 – Robert Stirling 1790-‐1878
for å forsterke den termiske effektiviteten til maskiner.) Det har senere blitt utviklet ulike Stirling-‐motorer, blant annet alfa-‐, beta-‐ og gamma-‐motoren. Side 3 av 11 17/06/15 2. Hvordan virker Stirling-‐motoren? En Stirling-‐motor går rundt som følge av en ekspansjon og komprimering av en gass i et kammer. En av sidene i kammeret er varmere enn den andre, og dette fører til at gassen vil ekspandere her. I den kjøligere delen av kammeret vil kassen komprimeres, og denne termiske endringen gjør et arbeid som Stirling-‐motoren utnytter. Arbeidsgassen kan i teorien være mye forskjellig, men helium er mest brukt. Oppvarmingen av gassen skjer fra en ekstern kilde, og er ikke en del av den indre motoren. Fordeler og ulemper ved dette beskrives litt senere, men et eksempel på en maskin som bruker en intern kilde er ottomotoren (Bensin-‐motoren). Her skjer det en gasseksplosjon som vil skyve på stemplene og få motoren til å gå rundt. Stirling-‐motorens syklus kan deles inn i 4 faser; 1. Gassekspansjon 2. Konstant volum 3. Gasskomprimering 4. Konstant volum Gassekspansjonen skjer i den varme delen av kammeret, også kalt varmeveksleren. Gassen absorberer varme fra varmekilden, og vil øke i volum. I fase to vil gassen føres gjennom en regenerator/forvarmer, hvor den kjøles ned. Varmen overføres altså fra gassen til regeneratoren. Når gassen har flyttet seg til fase tre vil den kjøles ned og komprimeres fordi den befinner seg i det kalde kammeret/varmeveksleren. Deretter vil gassen bli presset tilbake igjen gjennom regeneratoren hvor den ”får igjen” deler av den termiske energien den ga fra seg i fase to, og vil starte på fase én igjen. Det har blitt konstruert en mengde ulike typer Stirling-‐motorer med større og mindre modifikasjoner fra den opprinnelige som Robert Stirling kom med i 1816. I denne oppgaven er det tatt utgangspunkt i de mest kjente motorene, og drøftet virkemåte av disse. Figur 3 -‐ alfa-‐Stirling
Side 4 av 11 17/06/15 2.1 Alfa Alfa-‐motoren består av to stempler i hver sin sylinder med gass, en varm og en kald. De to stemplene er festet til samme punkt på en veivaksel, og gasskamrene er forbundet med et rør hvor arbeidsgassen kan flyte fritt (her plasseres regeneratoren). For å få full forståelse for hvordan motoren virker, er det greit å se hva som skjer i de ulike fasene. 1. Mesteparten av gassen befinner seg i det varme kammeret, den har ekspandert og presset det varme stempelet til venstre. Ekspansjonen av gassen vil presse den kalde sylinderen opp, og svinghjulet vil rotere med klokka. Den kalde sylinderen ligger 90O etter den varme. 3. Nesten all gassen befinner seg nå i den kalde sylinderen, og komprimeringen av gassen er godt i gang. Svinghjulet har et kraftmoment som vil hjelpe til med å dytte den kalde sylinderen ned og komprimere gassen. Figur 4 -‐ syklusen til en alfa-‐Stirling 2. Så mye som mulig av gassen har blitt varmet opp, og er ved sitt største volum. Gassen vil forskyve seg mot det kalde kammeret ved at den varme sylinderen presser gassen ned, og i den kalde sylinderen vil gassen bli komprimert. 4. Volumet av gassen er på sitt laveste, og vil ekspandere i den varme sylinderen, og syklusen nærmer seg punkt 1 igjen. Side 5 av 11 17/06/15 2.2 Beta En Beta-‐Stirling har kun én sylinder, men to stempler som er festet til samme veivaksel. Et av stemplene er et såkalt kraftstempel. Dette dytter på og blir dyttet av kraften, mens det andre stempelet er en fortrenger, og skal slippe gass forbi på sidene. Fortrengeren er i sylinderen kun for å skille varm og kald side, og ”bruker” ikke den termiske energien for å bevege seg frem og tilbake. 1. Kraftstempelet 2. Kraftstempelet blir (øverste) har presset opp fordi komprimert gassen, og gassen har utvidet seg. fortrengeren er i sin Her er kraftstempelet i høyeste posisjon slik sin ytterste posisjon, at mest mulig av og fortrengeren er gassen befinner på vei ned. seg i det oppvarmede kammeret. 3. Fortrengeren er i sitt 4. Kraft-‐stempelet laveste punkt. Gassen komprimerer gassen har blitt presset opp til vha. kraftmomentet fra den kjølige delen av veivakselen, og dette sylinderen, og trykket krever mindre energi vil synke. Kraft-‐
når gassen har stempelet er på vei blitt nedkjølt. Hvis ned. gassen ikke blir nedkjølt nok, vil det være for mye motstand i kraft-‐
stempelet på vei ned, og motoren vil stoppe. Figur 5 -‐ Syklusen til en beta-‐Stirling Side 6 av 11 17/06/15 2.3 Gamma En gamma-‐Stirling er en modifisert beta-‐Stirling. På en gamma-‐Stirling er kraft-‐
stempelet og fortrengeren plassert i hver sin sylinder. De to sylinderne har forbindelse slik at gassen og trykkforskjellen kan bevege seg fritt mellom de. Begge stemplene er koblet til veivakselen, og fortrengeren er også her 90O foran kraft-‐stempelet. Stempelet med fortrengeren blir varmet opp, mens kraft-‐stempelet arbeider i den kjølige delen av systemet. Syklusen til denne motoren er helt lik som beta-‐Stirlingen, derfor blir ikke denne forklart på nytt. Figur 6 -‐ gamma-‐Stirling Side 7 av 11 17/06/15 2.4 Sammenligning Type Alfa Fordeler -‐ Enklest mekanisk sett -‐ Høyt effekt-‐volum forhold Beta Gamma -‐
-‐
-‐
Kun én tetning er nødvendig Enklere mekanisk enn beta Lett å koble flere sylindere sammen (multi-‐Stirling) Ulemper -‐ Trenger tetninger på begge stemplene for å beholde arbeidsgassen -‐ Trenger høy temperatur rundt det varme kammeret -‐ Komplisert mekanisk sett -‐ Trenger en god varmeveksler -‐
Lav kompresjonsrate. Det betyr at gassen utvider og trekker seg sammen mindre, påvirkningen på stemplene blir da mindre, og effekten fra motoren blir mindre 3. Bruksområder 3.1 Hvor finner vi Stirling-‐motoren i dag? Stirling-‐motoren er en gammel oppfinnelse, og den har blitt testet ut i ulike fremdriftssystem. I dag finner vi Stirling-‐motoren blant annet i ubåter, som driftssystem ved ulike forskningslaboratorier og i forbindelse med solenergi. Det mest interessante er kanskje bruken i ubåter. Vår nærmeste nabo i øst bruker Stirling-‐motorer i gotland-‐klassen for å produsere strøm under vann, og dette gjør at de kan være neddykket i flere dager. Stirling-‐motoren i sammenheng med solenergi er også et interessant tema. Det viste seg etter et forsøk i 2005 at det var veldig mye mer effektivt å bruke Stirling-‐motoren sammen med en solkonsentrator (solparabol) i stedet for tradisjonelle solceller. En annen sammenheng der motoren kan brukes er en kombinert varme-‐ og strømkilde til for eksempel husholdninger. Ett system skal kunne stå for sentralvarme, oppvarming av vann og strømproduksjon. Et genialt konsept kalt CHP. 3.2 Fordeler/ulemper ved bruk i fremdriftssystem Her ser vi for oss et fremdriftssystem som en bil, båt eller et fly. En bil krever raske energitilførsler, noe en Stirling-‐motor ikke har lett for å gi. Det har blitt gjort forsøk med Stirling-‐motorer i biler, men den beste måten å få til det på, er hybrider. Tiden det tar å få en Stirling-‐motor opp i fart sammenliknet med en bensin-‐motor er forholdsvis lang, Side 8 av 11 17/06/15 og i tillegg krever den en ekstern varmekilde. Det betyr at man trenger en ny energikilde i bilen, og man kan stille seg spørsmålet om det lønner seg. Ombord i et fartøy derimot kan det fungere godt med Stirling-‐motoren, spesielt i ubåter. En ubåt har som oftest vann rundt seg på alle sider, og dette kan brukes som kjøling til arbeidsgassen. En annen fordel er at motoren er utrolig stillegående, og nesten helt vibrasjonsfri. Systemet som brukes ombord i ubåtene kalles AIP (air-‐independent propulsion). En annen stor fordel ved Stirling-‐motoren sammenliknet med for eksempel bensin-‐ og dieselmotoren er virkningsgraden. En tradisjonell bensinmotor har en virkningsgrad på 25-‐30%, en dieselmotor ligger på 30-‐35%, mens en Stirling-‐motor ligger på 45-‐50%. Prisen på en Stirling-‐motor er dessverre høy. Det opereres med høye temperaturer på arbeidsgassen, noe som fører til store krav til pakninger og stempler mtp. slitasje. Størrelsen på en Stirling-‐motor er også stor hvis du sammenlikner med en standard forbrenningsmotor, og størrelse kan skape utfordringer, for eksempel ombord i båter. Valg av gass er også en faktor som hører under ulempene til en Stirling. Arbeidsgassen bør ha så lav varmekapasitet som mulig slik at det tar kort tid å ekspandere/komprimere den. Helium har lav varmekapasitet, mens hydrogen er en kraftigere gass og ville vært bedre. Problemet med hydrogen er at den trekker gjennom beholderne, og derfor brukes helium i stedet, en annen grunn til høy pris. Kort oppsummerte fordeler Kort oppsummerte ulemper -‐
Billig i drift -‐
Høy pris -‐
Stillegående -‐
Størrelse og vekt -‐
Lett å starte -‐
Lav akselerasjon -‐
Forholdsvis høy virkningsgrad -‐
Trenger en ekstern varmekilde 3.3 Miljøgevinster ved bruk av Stirling-‐motoren Vi snakker om de ekstreme mengder utslipp av miljøskadelige gasser som produseres. Stirling-‐motoren har ingen, hvertfall ikke i seg selv. Derimot kan varmekilden som den bruker ha miljøskadelige utslipp, men om vi for eksempel bruker sola som energikilde, er Stirling-‐motoren en drøm for miljøet. En annen miljøgevinst er å bruke samme type kilde flere ganger. Et eksempel er spillvarme fra fabrikker som kan brukes som varmekilde for Stirling-‐motorer til å produsere strøm. Side 9 av 11 17/06/15 4. Oppsummering For å oppsummere oppgaven vil jeg gå tilbake til oppgaveteksten og besvare del for del. Demonstrasjon og forklaring av virkemåte: Virkemåten til motoren kan deles inn i fire faser; Gassekspansjon, konstant volum, gasskomprimering og konstant volum. Arbeidsgassen som befinner seg i systemet, oftest helium, dytter og blir dyttet av et kraftstempel, mens en fortrenger hjelper til å flytte gassen mellom to kamre med ulik temperatur. Mellom de to kamrene sitter en regenerator, også kalt forvarmer som er sentral når det gjelder bevaring av den termiske energien som gassen absorberer. De to stemplene er koblet til samme veivaksel, hvor fortrengeren ligger 90O foran kraftstempelet. Det varme kammeret har en ekstern oppvarmingskilde, og bare fantasien setter grenser for hva du kan bruke her. Det finnes flere ulike typer, og kravet for at det skal kalles en Stirling-‐motor er at det er en Stirling-‐syklus (de fire fasene) som driver motoren. Hvilken Stirling-‐motor som er best avhenger av bruksområde. Drøft fordeler og ulemper ved bruk i fremdriftssystem Stirling-‐motoren er billig i drift, stillegående og lett å starte. Dette gjør den attraktiv i veldig mange sammenhenger, men dessverre har den også sine ulemper. Den er stor, tung, og har en høy pris, noe som gjør at den ikke er utbredt på samme måte som ottomotoren. Vektlegging av miljøgevinster Skal vi se på fordeler og ulemper mtp. miljøgevinster, kommer Stirling-‐motoren godt ut. Ved at det er en ekstern varmekilde, er det lettere å regulere avgasser. I tillegg kan man bruke nesten hva som helst som kilde, deriblant solenergi og spillvarme. 5. Konklusjon Jeg mener selv at Stirling-‐motoren har et stort potensial, og det er viktig å bruke den der vi har mulighet til det, for eksempel for å drive større bygninger. Når det gjelder fremdriftssystem er det gjort flere forsøk med mindre suksess, og der tror jeg elmotoren har en lysere fremtid. Side 10 av 11 17/06/15 6. Kilder 6.1 Litteratur -‐
http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine -‐
http://www.fornybar.no/andre-‐
teknologier/varmemotorkonsepter/stirlingmotoren -‐
https://snl.no/stirlingmotor -‐
http://www.yrjarheimbygdslag.no/motor/stirling.htm -‐
http://www.exergy.se/goran/hig/re/07/stirling.pdf -‐
https://www.youtube.com/watch?v=gQb2sN6UWkA 6.2 Bilder Figur 1 2 3 4 5 6 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Stirling_Engine_2.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/Robert_Stirling#/media/File:Robert_Stirling.jpg http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine#/media/File:Alpha_Stirling_fram
e_12.svg http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine http://en.wikipedia.org/wiki/Stirling_engine Foto: Karl Martin Side 11 av 11