Motorul Stirling

Istoric

Motorul Stirling conceput în 1816 de scoţianul Robert Stirling

(25. oct. 1790 -06.iun.1878 ) este un “motor cu ardere externă” la care agentul de lucru este un gaz (aer, hidrogen, heliu) care parcurge un ciclu termodinamic într-un sistem închis.

"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 internă şi anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care măreşte semnificativ randamentul potenţial al motorului Stirling.

Pus în umbra de motoarele Otto şi Diesel o lungă perioadă de timp, motorul Stirling a revenit în actualitate datorită avantajelor ce le prezintă din punct de vedere ecologic şi de utilizarea a energiilor neconvenţionale, în special a energiei solare, pentru producerea de energie mecanică. Are un randament termic ridicat, poate utiliza orice tip de combustibil, poate valorifica energia termică reziduală din diferite instalaţii termice. Aplicaţii largi se întâlnesc la antrenarea pompelor de căldură sau a maşinilor frigorifice precum şi în domeniul cercetării spaţiului cosmic. NASA are la ora actuală un departament de cercetare special pentru motoarele Stirling. Există la dispoziţia celor interesaţi motoare Stirling cu puteri cuprinse între 10 şi 200 kW, dar s-au construit astfel de motoare pentru puteri de 5000 kW.

Alte aplicaţii sunt: antrenarea autovehiculelor, în centrale termoenergetice, în sistemele de încalzire cu cogenerare etc.

Principiul de funcţionare este simplu. Diferenţa de temperatură dintre doua surse de căldura este “ parametrul motor” care permite transformarea căldurii în lucru mecanic. Natura surselor de căldură şi a agentului de lucru este indiferentă, aceasta fiind cel mai mare avantaj al maşinilor care funcţionează dupa acest ciclu termodinamic. Motoarele Stirling se întâlnesc în diferite variante constructive, cu un singur cilindru sau cu doi cilindri. În ambele cazuri sunt două pistoane: unul cald şi unul rece, care se mişcă cu un defazaj de 90 grade. Între spaţiile de lucru ale celor două pistoane se află un schimbător de căldură regenerativ care separă două surse de căldura de temperaturi diferite. Gazul care parcurge ciclul termodinamic al motorului ajunge succesiv în contact cu sursa caldă şi sursa rece, luând şi respectiv cedând căldură. Lucrul mecanic produs este teoretic egal cu diferenţa dintre căldurile schimbate. În contact cu sursele de căldură agentul de lucru suferă o transformare izotermică, iar la trecerea prin regeneratorul de căldură este supus unei tranformări izocore, realizată prin defazajul de mişcare a celor două pistoane. Motoarele Stirling moderne utilizează ca agent de lucru hidrogen sau heliu, la presiuni mari, etansări performante şi soluţii eficiente pentru transferul de căldură. Regeneratorul de căldur se materializează prin fire foarte fine de cupru care se încălzesc şi se răcesc alternativ.

Utilizări

Aplicaţii de cogenerare (CHP - Combined Heat and Power)

Prin cogenerare, dintr-o sursă de energie preexistentă, de obicei un proces industrial, cu ajutorul unei instalaţii, pe lângă puterea mecanică sau electrică livrată, se asigură căldură necesară încălzirii. În mod normal sursa de căldură primară constituie intrarea pentru încălzitorul motorului Stirling şi ca atare va avea o temperatură mai mare decât sursa de căldură pentru aplicaţia de încălzire constituită din energia evacuată din motor.

Motor Stirling la Colecţia Tehnică Hochhut din Frankfurt am Main

Puterea produsă de motorul Stirling este utilizată adesea în agricultură în diferite procese, în urma cărora rezultă deşeuri de biomasă care la rândul lor pot fi utilizate drept combustibil pentru motor evitându-se astfel costurile de transport şi depozitare a deşeurilor. Procesul în general abundă în resurse energetice fiind în ansamblul lui avantajos din punct de vedere economic.

Firma WhisperGen cu sediul în Christchurch/Noua Zeelandă, a dezvoltat o microcentrală cu cogenerare ("AC Micro Combined Heat and Power") bazată pe ciclul Stirling. Aceste microcentrale sunt sisteme de încălzire alimentate cu gaz metan care furnizează şi energie electrică în reţea. WhisperGen a anunţat în 2004 că va produce 80000 centrale de acest tip pentru locuinţele din Marea Britanie. Un lot 20 de centrale a început testul în Germania în anul 2006.

Generatoare solare de electricitate

Aşezat în focarul unei oglinzi parabolice, un motor Stirling poate fi utilizat ca generator de curent electric cu un randament mai bun decât panourile solare cu celule fotovoltaice simple şi comparabil cu cel al panourilor solare cu celule fotovoltaice cu concentrator. Pe data de 11 august 2005 Southern California Edison a făcut public un contract privind cumpărarea eşalonată pe 20 ani a 20000 bucăţi de motoare Stirling acţionate cu energie solară de la firma Stirling Energy Systems în scopul construirii unei centrale solare. Aceste sisteme vor fi montate pe o suprafaţă de 19 km² cu utilizarea de oglinzi parabolice capabile să se orienteze după soare şi să concentreze lumina solară pe motoarele Stirling ce acţionează generatoare de curent electric, cu o putere instalată totală de 500 MW.

Instalaţii frigorifice Stirling - Cryocooler

Orice maşină Stirling poate lucra în regim invers ca pompă de căldură: dacă se introduce lucru mecanic prin acţionarea maşinii, între cilindri apare o diferenţă de temperatură. Una din utilizările moderne este în industria frigului ca instalaţii frigorifice şi criogenice (cryocooler). Componentele principale al unui cryocooler sunt identice cu cele ale maşinii Stirling. Rotirea axului motor va produce comprimarea gazului producând creşterea temperaturii acestuia. Prin împingerea gazului într-un schimbător, căldura va fi livrată. În faza următoare gazul va fi supus unei destinderi în urma căreia se va răci şi va fi vehiculat spre celălalt schimbător de unde va prelua căldură. Acest schimbător este situat într-un spaţiu izolat termic cum este de exemplu un frigider. Acest ciclu se repetă la fiecare rotaţie a arborelui. De fapt căldura este extrasă din compartimentul răcit şi este disipată în mediul înconjurător. Temperatura în compartiment va scădea din cauza izolaţiei termice care nu permite intrare căldurii. La fel ca la motorul Stirling, randamentul se îmbunătăţeşte prin utilizarea unui regenerator care creează un tampon pentru căldură între cele două capete cu temperaturi diferite. Primul cryocooler bazat pe ciclu Stirling a fost lansat pe piaţă în anul 1950 de firma Philips şi a fost utilizat în staţii de producere a azotului lichid. O gamă largă de cryocoolere mai mici sunt produse pentru diferite aplicaţii cum ar fi răcirea senzorilor. Refrigerarea termoacustică se bazează pe ciclul Stirling creat într-un gaz de către unde sonore de mare amplitudine.