Construcția motorului Stirling

1. INTRODUCERE

Denumirea de „maşini Stirling“ se referă la maşinile termice cu pistoane care funcţionează după ciclul termodinamic Stirling cu sau fără regenerarea căldurii. Ciclul termodinamic Stirling este ciclul compus din două transformări izotermice (desfăşurate, evident, la temperaturile minimă Tm şi maximă TM între care funcţionează maşina) legate între ele prin două transformări izocorice (care au loc la volumele maxim şi minim ocupate de agentul de lucru în cilindru), ca pe fig. 1.1, unde indicele „m“ se referă la motor iar indicele „f“ la maşina frigorifică.

Figura 1.1 Ciclul Stirling direct și inversat

Principiul de funționare a motorului Stirling se bazează pe diferența de presiune care apare în momentul când un fluid se află la temperaturi diferite. Din această diferență de presiune se obține lucru mecanic. Pentru a obține lucru mecanic continuu fluidul de lucru este încălzit și răcit succesiv.

Maşinile Stirling utilizează ca agent de lucru un gaz (aer, heliu, hidrogen) care evoluează într-un sistem închis. Există o singură excepţie, motorul Malone, în care ciclul Stirling este realizat de un agent de lucru în stare lichidă.

Maşinile Stirling pot funcţiona atât după ciclul termodinamic direct cât şi după ciclul termodinamic inversat.

Maşinile Stirling care funcţionează după ciclul termodinamic direct – numite motoare Stirling - reprezintă o soluţie actuală şi în acelaşi timp de perspectivă pentru transformarea căldurii în lucru mecanic.

2. SCHEME CINEMATICE DE BAZĂ ALE MOTOARELOR STIRLING

Există trei scheme constructive de bază pentru motoarele Stirling. Ele sunt prezentate în fig. 2.1 şi sunt desemnate - în terminologia curentă - ca motoare „alfa“ (fig. 2.1 - α), motoare „beta“ (fig. 2.1 - β) şi motoare „gama“ (fig. 2.1 - γ). În fig. 2.1 se observă că unitatea funcţională a unui motor Stirling (compusă din cele două camere şi din cele două pistoane) poate fi concentrată într-un singur cilindru (ca în schema „beta“) sau poate fi distribuită în doi cilindri diferiţi (schemele „alfa“ şi „gama“). Ca urmare prin denumirea de motor Stirling monocilindru „beta“ se înţelege într-adevăr un singur cilindru, iar prin motor monocilindru „alfa“ sau „gama“ se înţelege unitatea funcţională Stirling amplasată în doi cilindri distincţi.

O variantă deosebită de monocilindru de motor Stirling este cea la care ambele pistoane sunt pistoane cu dublă acţiune. Motoarele Stirling cu pistoane cu dublă acţiune se construiesc întotdeauna cu unitatea funcţională (monocilindrul) distribuită în doi cilindri. În acest tip de motor camera de destindere a unei unităţi funcţionale este plasată într-un cilindru deasupra pistonului iar camera de comprimare este amplasată în alt cilindru, sub piston. Cilindrii pot fi aşezaţi în linie sau în vârfurile unui poligon regulat, ca la motoarele Stirling cu placă oscilantă. Se observă că această variantă constructivă este o formă particulară a schemei „alfa“.

Există posibilitatea de a construi motoare Stirling cu pistoane rotative. Din această categorie face parte motorul realizat pe schema constructivă a motorului cu ardere internă Wankel. Un monocilindru Wankel are în compunerea sa un stator cu un alezaj de forma unei epitrohoide alungite (numită şi epicicloidă alungită, traiectoria unui punct fix faţă de un cerc - punct aflat faţă de centrul cercului la distanţă mai mare decât raza - care se roteşte fără alunecare în jurul unui cerc de bază interior) în care se roteşte un piston care în secţiune transversală are forma unui triunghi echilateral cu laturile bombate.

Motorul Stirling Wankel se compune din două unităţi funcţionale Wankel (numite convenţional monocilindri Wankel) montate pe acelaşi arbore. Camerele unei unităţi funcţionale comunică, printr-un schimbător de căldură încălzitor, printr-un regenerator şi printr-un schimbător de căldură răcitor cu camerele din cealaltă unitate funcţională.