Stirling-moottori: Mitkä ovat sen edut?
Stirling-moottori on edestakaisin liikkuva lämpömoottori, joka käyttää ulkoisesta lähteestä tulevaa lämpöä energian tuottamiseen työkiertoa varten. Tämä lämpö saadaan usein ulkoisesta poltosta, joten se on ulkopolttomoottori.
Tämäntyyppinen moottori käyttää polttoaineen polttamisesta saatua kemiallista energiaa työaineen lämmittämiseen, joka myöhemmin suorittaa työtä moottorissa. Palaminen tapahtuu aina moottorin ulkopuolella ja työaineena on useimmiten kaasu.
Sisältö
- Stirling-moottorin historia pähkinänkuoressa
- Stirling-moottorin rakenne
- Kuinka yksisylinterinen Stirling-moottori toimii?
- Kuinka kaksi- tai useampisylinterinen Stirling-moottori toimii?
- Stirling-moottorin edut
- Stirling-moottorin haitat
- Stirling-moottorin käyttö
- Tulevaisuuden innovaatiot
- Mielenkiintoisia faktoja Stirling-moottorista
- Usein kysyttyjä kysymyksiä Stirling-moottorista
- Johtopäätös
Stirling-moottorin historia pähkinänkuoressa
Stirling-moottorin kehitys alkoi 1800-luvun alussa, kun skotlantilainen insinööri ja pappi Robert Stirling yritti luoda turvallisemman vaihtoehdon höyrykoneille, jotka olivat pahamaineisia räjähdysstään. Stirling-moottori patentoitiin vuonna 1816. Seuraavina vuosina siihen tehtiin useita parannuksia tehokkuuden lisäämiseksi. Stirlingin veljekset patentoivat myös kuumailmamoottorin vuonna 1827.
1800- ja 1900-luvuilla Stirling-moottorit kokivat lisääntynyttä kiinnostusta ja innovaatioita erityisesti polttoainepulan tai nopean teknisen kehityksen aikoina. Nykyään Stirling-moottorit ovat jälleen nousemassa esiin ekologisena vaihtoehtona perinteisille polttomoottoreille.
Stirling-moottorin rakenne
Suunnittelun suhteen Stirling-moottorilla on monia etuja muihin polttomoottoreihin verrattuna. Moottori on kestävä ja yksinkertainen rakenne, mikä tekee siitä erittäin luotettavan.
Tämä moottori on koteloitu ja tiivis, joten sitä voidaan käyttää esimerkiksi veden alla tai tyhjiössä. Koska polttoaine ei pala moottorin sisällä, turhaa ääntä tai tärinää ei kuulu.
Moottori on siksi hiljaisempi, hienostuneempi ja sen käyttöikä pidempi kuin perinteisillä polttomoottoreilla, koska sen osat ovat vähemmän rasittuja. Stirling-moottorin hyötysuhde on sama, joskus jopa korkeampi kuin parhaiden dieselmoottoreiden. Sen suurin etu on kuitenkin se, että moottoria voidaan käyttää erityyppisillä polttoaineilla.
Kuinka yksisylinterinen Stirling-moottori toimii?
Aluksi kaasu on matalassa lämpötilassa ja siten paine sijoittuu alemman (vuoto) ja ylemmän työmäntien (tiiviiden) väliin, jotka ovat yhteydessä toisiinsa. Alamäntä siirtyy sylinterin yläosaan ja poistaa männän ympärillä virtaavan kaasun sylinterin alaosaan, jota lämmittää ulkoinen lämmönlähde.
Lämmityksen ansiosta sylinterin sisällä olevan kaasun lämpötila nousee. Kaasu lisää siten tilavuuttaan ja painettaan ja laajenee ylöspäin samalla kun se taas virtaa vuotavan männän ympäri.
Moottorin männät: miten ne toimivat?
Sylinterin yläosassa kaasua jäähdytetään vähentäen sen tilavuutta ja painetta, jolloin työmäntä kulkee alaspäin, nostaa vuotavan männän ylöspäin ja päästää kaasun takaisin sylinterin pohjalle, joka kuumenee. Tämä sykli toistaa itseään.
Kuinka kaksi- tai useampisylinterinen Stirling-moottori toimii?
Ulkoinen lämmönlähde lämmittää punaisen sylinterin. Sylinterissä oleva kaasu lisää sen tilavuutta ja painetta työntäen (punaisen) sylinterin männän ylös. Kun mäntä saavuttaa sylinterin ylärajan, kaasu virtaa putken läpi toiseen (siniseen) sylinteriin.
Siellä se jäähdytetään, minkä ansiosta sen tilavuus ja paine vähenee, mikä aiheuttaa männän putoamisen, mikä työntää jäähdytetyn kaasun takaisin lämmitettyyn sylinteriin.
Stirling-moottorin edut
Stirling-moottorilla on monipuolinen käyttö ja tehokkuus verrattavissa kipinä- tai dieselmoottoreihin. Kuten mainittiin, se on ulkopolttomoottori, joka tuottaa vähemmän haitallisia aineita.
Bensiini- ja dieselmoottori: miten ne eroavat?
Koska ainetta ei pääse moottoriin eikä poistu siitä, on mahdollista käyttää sopivinta täyttöä sylintereissä. Stirling-moottorin tärkeimmät edut ovat seuraavat:
- Polttoaineen monipuolisuus: Stirling-moottorit voivat toimia käytännössä millä tahansa lämmönlähteellä, mikä tekee niistä mukautettavissa monenlaisiin polttoaineisiin, mukaan lukien uusiutuvat energialähteet, kuten aurinkoenergia.
- Korkea hyötysuhde: Regeneraattorin ja isotermisten prosessien ansiosta Stirling-moottorit voivat saavuttaa korkeamman lämpöhyötysuhteen kuin polttomoottorit.
- Alhaiset päästöt: Ulkoisen palamisprosessin ansiosta päästöt ja saasteet ovat pienemmät, mikä tekee Stirling-moottoreista ympäristöystävällisen ratkaisun. Ilmaan pääsee vähemmän haitallisia aineita, koska polttoaineessa ei ole öljyä.
- Hiljainen toiminta: Stirling-moottorit toimivat mahdollisimman vähän melua ja tärinää, koska niissä ei ole sisäistä palamista eikä pakokaasujen nopeaa poistumista.
Polttoaineet Stirling-moottoriin
Kuten jo mainittiin, Stirling-moottorin valtava etu muihin polttomoottoreihin verrattuna on se, että moottorin voimanlähteenä voidaan käyttää laajaa valikoimaa erilaisia polttoaineita, kuten:
- Maakaasu (sillä saavutetaan parhaat tulokset taloudellisesta, mutta myös ekologisesta näkökulmasta)
- Nestemäiset ja kaasumaiset polttoaineet
- Kiinteät polttoaineet
- Biomassa (puuhake, kasvitähteet ja muut...) Biokaasu (kaasu kaatopaikoista, jätevedenpuhdistamoista, koksikaasu)
- Aurinkoenergia
- paljon muuta...
Stirling-moottoria lukuun ottamatta mikään muu moottori ei voi käyttää käyttövoimaansa niin laajaa joukkoa erilaisia lähteitä.
Stirling-moottorin haitat
Kuten kaikilla muillakin laitteilla, Stirling-moottorilla on hyvät ja huonot puolensa. Voimme sisällyttää tämän moottorin haitoihin seuraavat:
- Pienempi teho-painosuhde: Polttomoottoreihin verrattuna Stirling-moottoreilla on alhaisempi teho-painosuhde.
- Monimutkainen rakenne: Stirling-moottoreiden rakenne on monimutkaisempi, mikä johtaa korkeampiin tuotantokustannuksiin ja hankalampaan ylläpitoon.
- Materiaalien monimutkaisuus: Tehokas lämmönsiirto kuuman ja kylmän kammion välillä on välttämätöntä optimaalisen suorituskyvyn kannalta. Siksi tiivistemateriaalien vaatimukset ovat korkeat ja siten myös tuotantokustannukset.
Stirling-moottorin käyttö
Stirling-moottoria käytetään monissa sovelluksissa sen monipuolisuuden ja ainutlaatuisten ominaisuuksien ansiosta:
- Sähköntuotanto: Stirling-moottori voi tuottaa sähköä syrjäisillä alueilla käyttämällä hukkalämpöä tai uusiutuvia energialähteitä, kuten aurinkoenergiaa.
- Yhteistuotanto: Sähkön ja lämmön yhteistuotantojärjestelmissä Stirling-moottori voi ottaa talteen hukkalämpöä teollisista prosesseista tai rakennuksista, mikä lisää energiatehokkuutta.
- Laivan propulsio: Stirling-moottoria käytetään sukellusveneissä ja muissa laivaston aluksissa hiljaisen toiminnan ja polttoainetalouden takaamiseksi.
- Avaruusaluksen teho: Radioisotooppi-Stirling-generaattoreita käytetään virtalähteenä avaruustehtävissä, kuten NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).
Tulevaisuuden innovaatiot
Stirling-moottorit ovat valmiina näyttelemään merkittävää roolia siirtymisessä puhtaampiin ja tehokkaampiin energiaratkaisuihin. Mahdollisia tulevaisuuden innovaatioalueita ovat:
- Aurinkovoima: Keskitetyissä aurinkovoimajärjestelmissä voidaan käyttää Stirling-moottoreita auringonvalon muuntamiseen sähköksi, mikä tarjoaa uusiutuvan resurssin.
- Hukkalämmön talteenotto: Edistyksellisten materiaalien ja mallien kehittäminen voi edelleen parantaa Stirling-moottoreiden tehokkuutta, mikä tekee niistä houkuttelevan vaihtoehdon hukkalämmön talteenotossa ja energiansäästössä.
- Autokäyttö: Stirling-moottorien integrointi hybridiajoneuvojärjestelmiin voi auttaa vähentämään polttoaineen kulutusta ja päästöjä, vaikka se ei ole vielä yleistä.
Mielenkiintoisia faktoja Stirling-moottorista
- Ensimmäinen patentoitu moottori: Stirling-moottori oli ensimmäinen patentoitu moottori, joka sai patentin vuonna 1816, jo ennen polttomoottoria.
- Turvallisuusinnovaatio: Stirling-moottori kehitettiin alun perin turvallisemmaksi vaihtoehdoksi höyrykoneille, jotka ovat alttiita räjähdysherkille korkeapaineisen höyryn takia.
- Ruotsin sukellusveneet: Ruotsin laivasto on käyttänyt Stirling-moottoreita Gotland-luokan sukellusveneissään vuodesta 1996 lähtien hyödyntäen moottoreiden hiljaista toimintaa ja tehokkuutta.
- Philips Electronics: 1950-luvulla Philips Electronics kehitti joukon Stirling-moottoreita käytettäväksi radioissa ja muissa pienissä laitteissa, mikä auttoi tekniikan popularisoinnissa.
- Pisin käynnissä oleva Stirling-moottori: pisin jatkuvasti käynnissä oleva Stirling-moottori sijaitsee Canterburyn yliopistossa Uudessa-Seelannissa. Tämä moottori, joka tunnetaan nimellä Canterbury Ringbom, on ollut käytössä vuodesta 1986.
Usein kysyttyjä kysymyksiä Stirling-moottorista
K: Voidaanko Stirling-moottoria käyttää autossa?
Vastaus: Stirling-moottori ei ole vielä laajalle levinnyt autokäyttöön sen alhaisemman teho-painosuhteen ja monimutkaisuuden vuoksi. Se voidaan kuitenkin integroida hybridiautojen järjestelmiin polttoainetehokkuuden parantamiseksi ja päästöjen vähentämiseksi.
Kysymys: Miten Stirling-moottorin hyötysuhde on verrattuna polttomoottoriin?
Vastaus: Stirling-moottorilla voidaan saavuttaa korkeampi lämpöhyötysuhde polttomoottoreihin verrattuna, jolloin hyötysuhde on usein 30–40 % tai enemmän, kun taas polttomoottorit ovat yleensä noin 20–25 %.
Kysymys: Mitkä ovat tärkeimmät tekijät, jotka vaikuttavat Stirling-moottorin tehokkuuteen?
Vastaus: Stirling-moottorin hyötysuhde riippuu useista tekijöistä, kuten kuuman ja kylmän kammion välisestä lämpötilaerosta, regeneraattorin rakenteesta, käyttökaasusta ja moottorin mekaanisista häviöistä.
K: Kuinka Stirling-moottori käynnistyy?
Vastaus: Stirling-moottori vaatii ulkoisen lämmönlähteen käynnistyäkseen. Kun käyttökaasu lämpenee ja alkaa laajentua, moottori käynnistyy ja jatkaa toimintaansa niin kauan kuin lämmönlähdettä ylläpidetään.
K: Mitä työkaasua Stirling-moottorissa käytetään?
Vastaus: Stirling-moottorin käyttökaasu voi vaihdella mallin ja sovelluksen mukaan. Yleisesti käytettyjä kaasuja ovat ilma, vety, helium ja typpi.
Johtopäätös
Stirling-moottori tarjoaa ainutlaatuisen yhdistelmän polttoaineen monipuolisuutta, korkeaa hyötysuhdetta ja alhaisia päästöjä, mikä tekee mahdolliseksi monenlaisiin sovelluksiin. Tekniikan kehittyessä Stirling-moottorin potentiaali kasvaa, samoin kuin sen käyttö eri aloilla.