Motorul Stirling

Introducere

Motorul Stirling conceput in 1816 de scotianul Robert Stirling este un “motor cu ardere externa” la care agentul de lucru este un gaz care parcurge un ciclu termodinamic intr-un sistem inchis. Pus in umbra de motoarele Otto si Diesel o lunga perioada de timp, motorul Stirling a revenit in actualitate datorita avantajelor ce le prezinta din punct de vedere ecologic si de utilizare a energiilor neconventionale, in special e energiei solare, pentru producerea de energie mecanica. Are un randament termic ridicat, poate utiliza orice tip de combustibil, poate valorifica energia termica reziduala din diferite instalatii termice. Aplicatii largi se intalnesc la antrenarea pompelor de caldura sau a masinilor frigorifice precum si in domeniul cercetarii spatiului cosmic. NASA are la ora actuala un departament de cercetare special pentru motoarele Stirling. Exista la dispozitia celor interesati motoare Stirling cuprinse intre 10 si 200 kW, dar s-au construit astfel de motoare si pentru puteri de 5000 de kW. Alte aplicatii sunt: antrenarea autovehiculelor, in centrale termoenergetice, in sitemele de incalzire cu cogenare etc.

În familia maşinilor termice, motorul Stirling defineşte o masina termica cu aer cald cu ciclu închis regenerativ. În acest context, “ciclu închis” înseamnă că fluidul de lucru este într-un spaţiu închis numit sistem termodinamic, pe când la maşinile cu “ciclu deschis” cum este motorul cu ardere interna şi anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic. În mod obişnuit motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci şi energia solara sau energia nucleara. Un motor Stirling funcţionează prin utilizarea unei surse de caldura externe şi a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menţinut în limite de temperatură prestabilite şi o diferenţă de temperatură suficient de mare între ele.

Principiul de functionare este simplu. Diferenta de temperatura dintre doua surse de temperatura este “parametrul motor” care permite transformarea caldurii in lucru mecanic. Natura surselor de caldura si a agentului de lucru este indiferenta, acesta fiind cel mai mare avantaj al masinilor ce lucreaza dupa acest ciclu termodinamic. Motoarele Stirling se in intalnesc in doua variante constructive, cu un singur cilindru sau cu doi cilindrii. In ambele cazuri sunt doua pistoane: unul cald si unul rece care se misca cu un defazaj de 90°. Intre spatiile de lucru ale celor doua pistoane se afla un schimbator de caldura regenerativ care separa doua surse de caldura de temperaturi diferite. Gazul care parcurge ciclul termodinamic al motorului ajunge succesiv in contact cu sursa calda si cu sursa rece, luand si respectiv cedand caldura. Lucrul mecanic produs este teoretic egal cu diferenta dintre caldurile schimbate.

In contact cu sursele de caldura agentul de lucru sufera o transformare izotermica, iar la trecerea prin regeneratorul de caldura este supus unei transformari izocore, realizata prin defazajul de miscare a celor doua pistoane

Motoarele Stirling moderne utilizeaza ca agent de lucru hidrogen sau heliu, la presiuni mari, etansari performante si solutii eficiente pentru transferul de caldura. Regenaratorul de caldura se materializeaza prin fire foarte fine de cupru care se incalzesc si se racesc alternativ.

2. Ciclul teoretic reversibil al motorului Stirling

Ciclul teoretic al unui motor Stirling este acelasi indiferent daca motorul este unul cu unul sau doi cilindrii si se compune din doua izoterme si doua izocore.

Pentru descrierea ciclului Stirling reversibil se presupune ca motorul are 2 cilindrii (fig.2)

La deplasarea pistonului cald 3 in jos are loc destinderea izotermica 1-2 a agentului de lucru. In aceasta transformare sistemul primeste de la sursa calda, cadura Q23. Simultan cu deplasarea ascendenta a pistonului 3 pe prima portiune, are loc deplasarea pistonului rece 4 in jos. In acest mod are loc trecerea agentului de lucru prin regeneratorul de caldura 5 care primeste caldura prin incalzirea firelor de cupru care il compun. Datorita sincronizarii miscarii celor doua pistoane, transformarea la care este supus agentul de lucru este izocora 2-3. Ca urmare gazul evolutiv isi micsoreaza presiunea si temperatura la p3, respectiv T3.

In continuare, pistonul rece 4 realizeaza comprimarea izotermica 3-4, fiind in contact cu sursa rece, cedeaza acesteia caldura.

Prin inversarea sensului de miscare a celor doua pistoane se realizeaza transformarea izocora 4-1 in cursul careia mediul evolutiv absoarbe de la regenerator caldura Q41, iar elementele active ale regenatorului se racesc.