Motorul Stirling

1. Introducere si istoric

Motorul Stirling conceput in 1816 de reverendul scotian 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.

Data la care s-a încetățenit denumirea simplificată de motor Stirling nu este cunoscută, dar poate fi estimată spre mijlocul secolului XX când compania Philips a început cercetările cu fluide de lucru altele decât aerul – în instrucțiunile de utilizare MP1002CA este încă denumită ca 'motor cu aer'. Tema principală a brevetului se refera la un schimbător de căldură pe care Stirling l-a denumit "economizor" pentru că poate contribui la economisirea de carburant în diferite aplicații. Brevetul descria deci în detaliu utilizarea unei forme de economizor într-o mașină cu aer, care în prezent poartă denumirea de regenerator. Un motor construit de Stirling a fost utilizat la o carieră de piatră pentru pomparea apei în anul 1818. Brevetele ulterioare ale lui Robert Stirling și ale fratelui său, inginerul James, se refereau la diferite îmbunătățiri aduse construcției mașinii originale, printre care ridicarea presiunii interne ceea ce a condus la creșterea semnificativă a puterii, astfel încât în anul 1845 s-au putut antrena toate utilajele topitoriei de oțel din Dundee.

Pe lângă economisirea de carburanți, inventatorii au avut în vedere și crearea unui motor mai sigur decât motorul cu abur la care în aceea vreme cazanul exploda adeseori cauzând accidente, chiar și pierderi de vieți. Cu toate acestea obținerea unui randament mai ridicat, posibil prin asigurarea de temperaturi foarte mari, a fost limitată de calitatea materialelor disponibile la acel moment și cele câteva exemplare construite au avut o durată de viață redusă. Defecțiunile din zona caldă a motorului au fost mai frecvente decât se putea accepta, totuși având urmări mai puțin dezastruoase decât explozia cazanului la mașinile cu aburi. Cu toate că în cele din urmă a pierdut competiția cu mașina cu aburi în ceea ce privește locul de motor de acționare a utilajelor, la sfârșitul secolului XIX și începutului de secol XX au fost fabricate în număr mare motoare Stirling/de aer cald (diferența dintre cele două tipuri se estompează dacă în multe din ele generatorul este de eficiență îndoielnică sau lipsește), găsindu-și utilizare peste tot unde era nevoie de o putere medie sau mică dar sigură, cel mai adesea în pomparea apei. Acestea funcționau la temperaturi scăzute, ca urmare nu solicitau prea tare materialele disponibile astfel încât deveneau destul de ineficiente, avantajele față de mașinile cu aburi fiind operarea simplă putând fi deservite de personalul casnic. Cu trecerea timpului rolul lor fost preluat de motoarele electrice și de motoare cu ardere internă, de mai mici dimensiuni, astfel că la sfârșitul anilor 1930 motorul Stirling a căzut în uitare fiind doar o curiozitate tehnică reprezentată de câteva jucării și instalații de ventilație. În acest timp Philips, firma olandeză de componente electrice și electronice a început cercetări privitoare la acest tip de motor. Încercând să extindă piața pentru aparatele sale de radio în zonele unde nu exista rețea de energie electrică și alimentarea de la baterii cu durată de viață scurtă era nesigură, managementul firmei a concluzionat că era nevoie de un generator portabil de putere redusă, astfel că a însărcinat un grup de ingineri de la laboratoarele sale din Eindhoven cu cercetările. Studiind diferite motoare de acționare mai vechi și mai noi, au fost respinse pe rând pentru un motiv sau altul până ce alegerea a căzut pe motorul Stirling. Silențios din construcție, și neselectiv față de sursa de energie termică (petrolul lampant „ieftin și disponibil peste tot” a fost avantajat) părea să ofere reale posibilități. Încurajați de primul lor motor experimental care producea 16 W la arbore la un cilindru cu diametrul de 30 mm și o cursă a pistonului de 25 mm, au pornit un program de dezvoltare.

În mod uimitor activitatea a continuat și în perioada celui de al doilea război mondial, astfel că la sfârșitul anului 1940 s-a finalizat motorul Type 10 care era destul de performant pentru a putea fi cedat filialei Johan de Witt din Dordrecht pentru producția în serie în cadrul unui echipament pentru generarea energiei electrice conform planului inițial. Proiectul a fost dezvoltat cu prototipurile 102 A, B și C, ajungându-se la o putere de 200 W energie electrică la un cilindru cu diametrul de 55 mm și o cursă a pistonului de 27 mm la modelul MP1002CA. Producția primului lot a început în anul 1951, dar a devenit clar că nu se putea produce la un preț acceptabil pe piață, lucru la care s-a adăugat apariția aparatelor radio cu tranzistor care aveau un consum mult mai redus ceea ce a făcut să dispară motivul inițial al dezvoltării. Cu toate că MP1002CA era o linie moartă, ea reprezintă startul în noua eră de dezvoltare a motoarelor Stirling.

Philips a dezvoltat motorul Stirling pentru o scară largă de aplicații, dar succes comercial a avut doar motorul Stirling în regim invers utilizat în tehnica frigului. Cu toate acestea au obținut o serie de brevete și au acumulat o cantitate mare de cunoștințe referitoare la tehnologia motoarelor Stirling, care ulterior au fost vândute ca licență altor firme.

Astfel, pus in umbra de motoarele Otto si Diesel o lunga perioada de timp, motorul

Stirling revine in actualitate datorita avantajelor ce le prezinta din punct de vedere ecologic

si de utilizarea a energiilor neconventionale, in special a 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 cu puteri

cuprinse intre 10 si 200 kW, dar s-au construit astfel de motoare pentru puteri de 5000 kW.

2. Descriere

În procesul de transformare a energiei termice în lucru mecanic, dintre mașinile termice motorul Stirling poate atinge cel mai mare randament, teoretic până la randamentul maxim al ciclului Carnot, cu toate că în practică acesta este redus de proprietățile gazului de lucru și a materialelor utilizate cum ar fi coeficientul de frecare, conductivitatea termică, punctul de topire,rezistența la rupere, deformarea plastică etc. Acest tip de motor poate funcționa pe baza unei surse de căldură indiferent de calitatea acesteia, fie ea energie solară, chimică sau nucleară.

Mai nou avantajele motorului Stirling au devenit vizibile în comparație cu creșterea costului energiei, lipsei resurselor energetice și problemelor ecologice cum ar fi schimbările climatice. Creșterea interesului față de tehnologia motoarelor Stirling a impulsionat cercetările și dezvoltările în acest domeniu. Utilizările se extind de la instalații de pompare a apei la astronautică și producerea de energie electrică pe bază de surse bogate de energie incompatibile cu motoarele de ardere internă cum sunt energia solară, resturi vegetale și animaliere.

O altă caracteristică a motoarelor Stirling este reversibiltatea. Acționate mecanic, pot funcționa ca pompe de căldură. S-au efectuat încercări utilizând energia eoliană pentru acționarea unei pompe de căldură pe bază de ciclu Stirling în scopul încălzirii și condiționării aerului pentru locuințe.