Motorul Stirling

Motorul 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.

Motoarele Stirling sunt mai silentioase si mai economice decat cele cu ardere interna, pot fi mai sigure in functionare si nu au nici cerinte mari de intretinere.

Motoarele Stirling au si dezavantaje. Necesita cheltuieli mai mari, sunt de dimensiuni mai mari si mai grele. Insa pentru unele aplicatii, o analiza temeinica a raportului cheltuieli-castiguri poate avantaja motoarele Stirling fata de cele cu ardere interna.

Printre avantaje, se enumera si reversibilitatea. Actionate mecanic, pot functiona ca pompe de caldura.

Istoria motorului Stirling

Motorul Stirling a fost inventat de catre Dr. Robert Stirling si a fost brevetat in 1816. In cartile din epoca respectiva a fost numit simplu, masina cu aer a lui Stirling. Tema principala a brevetului se referea la un schimbator de caldura pe care Stirling l-a denumit “economizor”, pentru ca poate contribui la economisirea de carburant in diferite aplicatii.

Pe langa economisirea de carburanti, inventatorii au avut invedere si crearea unui motor mai sigur decat motorul cu abur care punea multe probleme in acea vreme. Deseori cazanul exploda cauzand accidente si pierderi de vieti. Obtinerea unui randament ridicat a fost limitata de calitatea materialelor disponibile in acea perioada, iar defectiunile erau frecvente, insa aveau urmari mai putin dezastruoase decat explozia cazanului la masinile cu aburi.

Cu timpul, au aparut motoarele electrice si motoarele cu ardere interna, de mai mici dimensiuni, iar la sfarsitul anilor 1930 motorul Stirling a cazut in uitare ajungand doar o curiozitate tehnica reprezentata de cateva jucarii si instalatii de ventilatie.

Asta pana cand firma olandeza Philips a inceput cercetarile cu privire la acest tip de motor. Philips dorea sa extinda piata pentru aparatele radio unde nu exista energie electrica, si dupa numeroase cercetari asupra mai multor motoare diferite, a ajuns la concluzia ca motorul Stirling era mai avantajos, in special pentru ca era silentios si neselectiv fata de sursa de energie termica, petrolul lampant era ieftin si disponibil peste tot. Primul motor experimental realizat de Philips producea 16 W, iar activitatea firmei a continuat si in perioada celui de-al doilea razboi mondial. In anul 1940 Philips a construit motorul Type 10, fiind destul de performant pentru a putea fi produs in serie pentru generarea energiei electrice. Prototipurile 102 A, B si C ajungeau la o putere de 200 de W.

Cum functioneaza?

Motorul Stirling este cu ciclu inchis, deci, contine o cantitate determinata de gaz, de cele mai multe ori aer, hidrogen sau heliu. La acest tip de motor nu sunt necesare supape. Gazul motorului parcurge un ciclu format din 4 transformari – sau timpi – incalzire, destindere, racire si compresie. Ciclul se produce prin miscarea gazului inainte si inapoi intre schimbatoarele de caldura cald si rece. Schimbul de caldura cald este in contact cu o sursa de caldura externa (arzator de combustibil), iar schimbatorul de caldura rece este in legatura cu un radiator extern (radiator cu aer). Schimbarea temperaturii atrage dupa sine modificarea presiunii, in timp ce miscarea pistonului contribuie la compresia si destinderea alternativa a gazului.

Fluidul se comporta conform legilor gazelor perfecte, ce descriu relatia dintre presiune, temperatura si volum. Fiind intr-un spatiu inchis, gazul la incalzire va produce o crestere de presiune ce va actiona asupra pistonului de lucru cauzand deplasarea acestuia. La racirea gazului procesul este invers si presiuna scade.

Bibliografie: 1, 2