Stirling-motor

Stirling-motor: működési elv és elérhető típusok

Robert Stirling, skót lelkész, 1816-ban nyújtotta be szabadalmi bejelentését egy olyan külső égésű motorra, amely képes volt felvenni a versenyt a korabeli gőzgéppel. Több mint két évszázaddal később az elv nem változott: egy külső hőforrás hatására a hengerben zárt gáz kitágul, ami megmozgatja a dugattyút, majd a gáz lehűl és összehúzódik, hogy a ciklus újrakezdődjön. Ez egy zárt termodinamikai motor – nincs belső égés, nincs robbanás, nincsenek szelepek. A gáz (a modelltől függően levegő, hélium vagy hidrogén) zárt körben marad.

Háromféle konfiguráció létezik. Az alfa típus két dugattyút használ két különálló hengerben, amelyeket egy hőcserélő köt össze: ez a legerősebb konfiguráció, amelyet a komoly ipari alkalmazásokban találunk meg. A béta típus a hajtódugattyút és a tolódugattyút ugyanabba a hengerbe helyezi, ami csökkenti a helyigényt. A gamma típus a tolót és a dugattyút külön hengerekbe helyezi, amelyek azonban ugyanazt a gázmennyiséget osztják meg: ez a geometria dominál az asztali és oktatási modellekben, mivel egyszerűsíti a gyártást.

LTD Stirling-motor: minimális hőmérséklet-különbséggel működik

Az LTD (Low Temperature Differential) modellek egy külön alkategóriát alkotnak. Már 4–6 °C-os hőmérséklet-különbség mellett is elindulnak a meleg és a hideg oldal között. A gyakorlatban: elegendő az alapot egy 60 °C-os teáscsészére helyezni, és máris látható, ahogy a lendkerék forog. Egyes lapos napelemes modellek már 35 °C-os meleg oldalon is működnek, ha a másik oldalon 25 °C-os hideg felület van.

Ennek a kis hőmérséklet-különbségekre való érzékenységnek van egy hátránya is: ezek a motorok csekély nyomatékot fejtenek ki. A fordulatszám alacsony marad, jellemzően 100 és 400 RPM között mozog, a rendelkezésre álló hőmérséklet-különbségtől függően. Nem a mechanikai teljesítményük miatt választjuk őket, hanem azért, mert képesek kihasználni a diffúz hőforrásokat – ipari hőhulladékot, passzív napenergiát, testhőt oktatási bemutatók során.

Stirling-motor kiválasztása: konkrét szempontok a vásárlás előtt

Az első szempont a rendelkezésre álló hőforrás. Egy alkohol- vagy gyertyával működő Stirling-motor 200 és 400 °C közötti hőmérsékletet igényel a meleg oldalon a megfelelő működéshez, és látható nyomatékot fejleszt, amely gyakran elegendő egy kis dinamó vagy egy óramű meghajtásához. Egy napenergiával vagy „kézmeleggel” működő LTD-modell inkább oktatási bemutatóként működik jól, mint hasznos energiaforrásként.

A második szempont a gyártás minősége. A megmunkált sárgaréz modellek, amelyeknél a dugattyúkat csiszolták, hosszú távon is megőrzik a tömítést. A zamakból vagy nyers alumíniumból készült olcsóbb változatoknál gyorsan szivárgás lép fel a henger szintjén, ami csökkenti a hatékonyságot. Egy egyszerű ellenőrzés: hideg állapotban, a kormánykereket kézzel lassan forgatva az ellenállásnak egyenletesnek kell lennie, kemény pontok és túlzott játék nélkül.

• Gamma típusú gyújtógyertyás motorok: ideálisak bemutatókhoz, 30–60 másodperc alatt indulnak be, fordulatszámuk a hőterheléstől függően 800 és 2 000 RPM között mozog.
• LTD napelemes motorok: fényvisszaverő alumínium hideglemez + fekete meleglemez, működés közvetlen napfényben vagy langyos hőforráson. Alacsony fordulatszám, de látványos beindulás 40 °C-on.
• Többhengeres alfa motorok: összetettebb felépítés, a tényleges teljesítmény egyszerű fék segítségével mérhető, érdekesek alkalmazott termodinamikai középiskolai vagy műszaki főiskolai projektekhez.

Oktatási célú Stirling-motor: alkalmazások a fizikában és a termodinamikában

A Stirling-motor továbbra is az egyik ritka termomechanikus átalakító, amelyet nehéz műszerek nélkül is meg lehet építeni, mérni és elemezni. Gimnáziumban vagy szakiskolában lehetővé teszi a Carnot-ciklus gyakorlati feldolgozását, a tényleges hatásfok és az elméleti hatásfok összehasonlítását, valamint a regenerátor hatásának közvetlen megfigyelését a ciklus hatékonyságára.

A kapható szerelőkészletek különböző összetettségi szinteket kínálnak. Egyesekhez csupán egy csavarhúzóra és egy óra szerelési időre van szükség; másoknál viszont könnyű megmunkálásra vagy a tolóelem magasságának beállítására van szükség a 90°-os fáziseltolódás optimalizálása érdekében. Pontosan ez a fáziseltolódás-beállítás az, ami megkülönbözteti a jól összeszerelt motort egy nehezen beinduló modelltől: a motor dugattyújának pontosan egy negyed fordulattal a diszplacer után kell elérnie a felső holtpontját, se többet, se kevesebbet.

A Stirling-motorok gyakorlati alkalmazásai és nagy léptékű használata

A svéd haditengerészet 1996 óta használ Stirling-motorokat a Gotland osztályú tengeralattjáróiban az AIP (Air Independent Propulsion, levegőfüggetlen hajtás) meghajtáshoz, a ciklust a fedélzeten tárolt folyékony oxigénnel táplálva. Eredmény: a dízelmotoroknál alacsonyabb zajszint és 14 napos merülési idő a felszínre emelkedés nélkül. A Kockums gyártó, amelyet 2014-ben a TKMS felvásárolt, továbbra is az egyik kevés olyan gyártó a világon, amely nagy teljesítményű Stirling-motorokat gyárt.

A NASA a 2000-es évek óta vizsgálja a Stirling-elven működő termoelektromos generátorok alkalmazását űrkutatási küldetésekben: az ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) projekt 38%-os hatásfokot tűzött ki célul, szemben a hagyományos plutónium-alapú RTG-k 6–7%-os hatásfokával, mielőtt 2013-ban finanszírozás hiányában felfüggesztették. Ezek a projektek jól illusztrálják a ciklus alkalmasságát folyamatos és stabil hőforrásokhoz, ami pontosan ellentétes a belső égésű motorok jellemzőivel.

A Stirling-motor karbantartása és élettartama

A karbantartás két pontra korlátozódik. Először is a dugattyúk kenése: 20–30 üzemóraenként egy csepp könnyű ásványi olaj (pl. varrógép-olaj, 10–15 cSt viszkozitású) cseppentése a dugattyú O-gyűrűjére. A túl sűrű olaj növeli a súrlódást és csökkenti a fordulatszámot; az olaj hiánya pedig néhány óra alatt elhasználja a tömítést. Másodszor, a fűtőfelület tisztasága: a gyújtógyertyán lerakódott korom növeli a hőellenállást és csökkenti a gáz felé történő hőátadást.

A megfelelően karbantartott, megmunkált sárgaréz modell több száz üzemórát bír ki észrevehető kopás nélkül. A tömítőgyűrűk továbbra is a fő kopóalkatrészek; vásárlás előtt ellenőrizze, hogy a forgalmazó kínál-e pótalkatrészt.

Az asztali Stirling-motorral kompatibilis kiegészítők

Egy kis állandó mágneses generátor (például kerékpár-generátor, 5–12 V fordulatszámtól függően) gumicsatlakozóval rögzíthető a lendkerék tengelyére a rezgések csillapítása érdekében. A termelt árammal LED-et lehet megvilágítani, kondenzátort lehet tölteni, vagy multimétert lehet táplálni a ténylegesen termelt teljesítmény méréséhez. Iskolai projektek esetében ez a kiegészítés a vizuális bemutatót számszerűsített kísérletté alakítja.