Stirlingmotor

Der Stirlingmotor ist ein geschlossener Arbeitsfluidmotor mit externer Verbrennung . Das Fluid ist ein Gas, das einem Zyklus unterzogen wird, der vier Phasen umfasst: isochore Erwärmung (bei konstantem Volumen), isotherme Expansion (bei konstanter Temperatur), isochore Abkühlung und schließlich isotherme Kompression.

Robert Stirling erfand den Heißluftmotor 1816 und rüstete ihn zur Verbesserung seiner Effizienz mit einem Regenerator aus , der Wärmespeicher und interne Wärmetauscherfunktionen bietet . Dieses Element unterscheidet den Stirlingmotor von anderen Motoren. Es hat seine Leistung erheblich verbessert und ihm eine echte Entwicklung in der Thermodynamik gegeben .

Dieser der Öffentlichkeit wenig bekannte Motor hat einige Vorteile. Es war zum Zeitpunkt der Dominanz der Dampfmaschinen weit verbreitet, was die ernsthafte Explosionsgefahr darstellte.

Geschichte

Zu Beginn des XIX - ten  Jahrhunderts die Dampfkessel explodieren ziemlich oft. Um dieses Problem zu lösen, stellt sich Robert Stirling einen Motor ohne Kessel vor, der zu hohen Drücken ausgesetzt ist und dessen Wärme daher von außerhalb der Maschine geleitet wird. Er entdeckt, dass es ausreicht, die Umgebungsluft durch Verbrennung zu erwärmen, um diesen Motor mit Energie zu versorgen, und auf diese Weise meldet Stirling sein Patent an27. September 1816. Er ist auch der Erfinder eines Regenerators in der Motorleitung, der zu viel Energieverlust vermeidet und dessen Effizienz verbessert. Genau genommen unterscheidet dieser Regenerator den Stirlingmotor von anderen Heißluftmaschinen.

Im 1843Sein Bruder James "industrialisierte" diesen Motor für den Einsatz in der Fabrik, in der er Ingenieur war. Doch aufgrund verschiedenen Brüche und eine Leistung zu niedrig im Vergleich zum Dampfmaschine und der Verbrennungsmotor erreichte der Stirling-Heißluftmotor nicht den erwarteten Erfolg. Der Stirlingmotor ist dann nur ein Untersuchungsgegenstand für Physiker , die die Funktionsweise des Stirlingmotors lange nach seiner Erfindung mit dem Aufkommen der Thermodynamik verstehen .

Im 1871Der Fortschritt in der Thermodynamik aus dem XIX - ten  Jahrhundert erlaubt Gustav Schmidt mathematisch den Stirling - Zyklus zu beschreiben.

Von 1878John Ericsson wendet sich einer Lösung zu, die einen Stirling-Zyklus mit seinem Heißluftmotor ( Ericsson-Motor ) mit Verdränger verwendet, und baut in Zusammenarbeit mit DeLameter Iron Works und anschließend der Rider-Ericsson Engine Company einen neuen Motor. Dieser Motor wird auch ein Erfolg sein, er wird bis zum Beginn des Ersten Weltkriegs in den USA produziert. Von allen entwickelten Stirling-Motoren ist dies die häufigste Version, obwohl sie selten ist, weil sie 100 Jahre alt ist. Es ist möglich, sie bei Second-Hand-Händlern zu verkaufen, die auf alte Motoren spezialisiert sind.

Im 1889Das amerikanische Unternehmen Rider-Ericsson Engine Company bringt seine erste Heißluft-Hydraulikpumpe auf den Markt. es wird es bis Anfang 1900 produzieren und in die ganze Welt exportieren.

Erst nach den Forschungen des niederländischen Unternehmens Philips in den 1930er Jahren wurde der Stirlingmotor erneut ernsthaft untersucht und seine Anwendung in allen Arten von Technologien getestet. 1938 wurde dort ein Stirlingmotor mit mehr als 200  PS und einem Wirkungsgrad von mehr als 30% (vergleichbar mit aktuellen Benzinmotoren) konstruiert . Diese Technologie ist jedoch nur in der Kryotechnik anwendbar .

Im Jahr 1953 veröffentlichte Philips seinen 180- W- Generator   : den MP1002CA, der aus einem Stirling-Motor entwickelt wurde.

Erst in den letzten Jahrzehnten interessieren sich die Motorenentwicklungen aufgrund des wachsenden Bedarfs an alternativen Energiequellen wieder für die Branche. Tatsächlich kann der Stirlingmotor mit jeder Energiequelle betrieben werden, die Wärme erzeugt: Sonnenenergie , Geothermie , Kernenergie , Abwärme von Fabriken  usw. Aus ökologischer Sicht ist dies umso interessanter, als der Regenerator, da er das Gas vorheizt und vorkühlt, es ermöglicht, Energie zu „recyceln“. Fortschritte in der Materialwissenschaft ermöglichen nun die Verwendung von Materialien, die sehr großen Temperaturunterschieden standhalten, und Verbundwerkstoffen, die die Wärmeübertragung innerhalb des Regenerators verbessern.

Die Situation ist so, dass Stirlingmotoren in Verbindung mit riesigen Solarschalen Solarenergie mit einem höheren Wirkungsgrad als Photovoltaikzellen nutzen , jedoch zu einem hohen Preis. Im Jahr 2008 wurde dank der Verwendung von Parabolspiegeln als Solarkonzentratoren der Rekord für die Umwandlung von Solarenergie mit einer Umwandlungsrate von 31,25% gebrochen .

Heute ist der Stirlingmotor Gegenstand zahlreicher Experimente sowohl von Amateuren als auch von auf Energie spezialisierten Unternehmen oder von der NASA ( KRUSTY-Projekt ).

Prinzip, Vor- und Nachteile

Prinzip

Die Hauptflüssigkeit, die Arbeit erzeugt , ist ein Gas ( Luft , Wasserstoff oder Helium ), das einem Zyklus aus vier Phasen unterzogen wird:

  1. isochore Erwärmung (bei konstantem Volumen);
  2. isotherme Expansion (bei konstanter Temperatur): Das Gas liefert Arbeit;
  3. isochore Kühlung;
  4. isotherme Kompression: Das Gas erhält Arbeit.

Ziel ist es, aus Wärmeenergie mechanische Energie zu erzeugen . Zu Beginn des Zyklus wird das Gas im Motor in die heiße Kammer gebracht, die von einer bestimmten Energiequelle erwärmt wird: Temperatur und Druck steigen an, wodurch sich das Gas ausdehnt (Phase 1). Befindet sich der Kolben der heißen Kammer im Widerlager, dehnt sich das Gas in Richtung der kalten Kammer aus, indem der Kolben davon zurückgedrückt wird. Die Wärmeenergie wird somit in mechanische Energie umgewandelt, die auf das Rad übertragen wird (Phase 2). Diese Radbewegung wird auf den Heißkammerkolben übertragen, der den größten Teil des Gases zurück in die Kaltkammer drückt. Wenn dies geschehen ist, kühlt sich das im Kühlraum ankommende Gas ab (Phase 3) und sein Volumen nimmt ab, wodurch der kalte Kolben in die andere Richtung (Phase 4) verursacht wird. Diese Bewegung wird wiederum über das Rad auf den Heißkammerkolben übertragen, der sich dann in Richtung seines Anschlags zurückbewegt. Fast das gesamte Gasvolumen wird dann in die heiße Kammer gesaugt und der Zyklus beginnt von vorne. Dieser thermodynamische Zyklus wird als Stirling-Zyklus bezeichnet (obwohl es nicht Stirling war, der ihn beschrieb).

Die heiße Quelle des Motors (der rote Kolben oben) wird von jeder externen Quelle angetrieben : externe Verbrennung von Erdölderivaten , Erdgas , Kohle , aber auch erneuerbaren Energien wie Sonnenenergie , Holz oder Geothermie .

Stirling-Zyklus

Der Stirling-Zyklus ist ein thermodynamischer Zyklus, der von Stirling-Motoren beschrieben wird.

Der Zyklus ist reversibel , was bedeutet, dass mechanische Arbeit als Wärmepumpe fungieren und Wärme oder Kälte (einschließlich kryogener Kälte ) liefern kann .

Der Kreislauf wird regenerativ mit einer gasförmigen Flüssigkeit geschlossen:

Der Zyklus ist der gleiche wie bei den meisten thermischen Zyklen und umfasst vier Phasen: 1. Kompression, 2. Erwärmung, 3. Expansion, 4. Kühlung (siehe Clapeyron-Diagramm links):

Leistungen

Da der Stirlingmotor aufgrund der fehlenden Explosion, der sich öffnenden und schließenden Ventile und der entweichenden Gase nur geringe Vibrationen erzeugt, ist er leise und wenig mechanischen Belastungen ausgesetzt. Dies macht ihn nützlich, wenn Hitze, Kälte und Vibrationen unerwünscht sind. zum Beispiel in einem Atom-U-Boot .

Das Fehlen eines Gasaustauschs mit der äußeren Umgebung macht es in verschmutzten Umgebungen nützlich oder muss eine Kontamination vermeiden .

Es ist leicht zu warten, da es keinen Materialaustausch mit seiner Umgebung und keine interne chemische Reaktion aufweist. Aus den gleichen Gründen verschlechtert es sich weniger als ein Verbrennungsmotor .

Es hat einen guten Wirkungsgrad und kann etwa 40% , während der Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors für den Automobilgebrauch 35% für Benzin und 42% für Diesel erreicht. Elektromotoren, deren Wirkungsgrad 99% erreichen kann, sind nicht vergleichbar, da Elektrizität eine Energieform ist, deren Qualität nicht mit thermischen und / oder chemischen vergleichbar ist, die für Stirling- oder Verbrennungsmotoren verwendet werden (siehe den Begriff Exergie ). Darüber hinaus ist es schwierig, Elektrizität mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100% zu speichern und zu transportieren, was für bestimmte Anwendungen eine strenge Grenze darstellt. Wir können auch den Grad der Vergleichbarkeit der zwischen Stirlingmotor und Verbrennungsmotor verwendeten Energiequellen und insbesondere die Temperaturunterschiede zwischen kalter und heißer Quelle, für die die Spitzenwerte des Wirkungsgrads angegeben sind, im Verhältnis zum Spitzenwert des Carnot-Wirkungsgrads erörtern .

Der Motor ist reversibel: Ein von einem anderen Motor angetriebener Stirlingmotor wird zu einer Wärmepumpe , die je nach Fahrtrichtung auf –200  ° C abkühlen oder auf über 700  ° C erwärmen kann. Dies ohne Verwendung spezieller Gase mit spezifischen Eigenschaften, die ihnen praktische oder chemische Nachteile verleihen (wie Freon von Kältemaschinen der älteren Generation, das die Ozonschicht zerstört). In der Praxis ist es außerdem die effiziente Wärmepumpenfunktion, die es einigen Maschinen ermöglicht, zu existieren.

Es ist Multi-Source. Aufgrund seines Wärmeversorgungsmodus kann dieser Motor von jeder Wärmequelle aus betrieben werden (Verbrennung von Brennstoff, Sonnen-, Kern- oder sogar menschlicher Wärme).

Es hat eine potenziell geringere Umweltverschmutzung als Wärmekraftmaschinen: Die von außen kommende Wärme kann dank nicht fossiler Brennstoffe weniger umweltschädlich bereitgestellt werden als bei vielen Wärmekraftmaschinen, bei denen die Verbrennung nicht perfekt ist.

Nachteile

Unter den Nachteilen muss die Dichtheit der Kolben größer sein als bei einem Verbrennungsmotor, dies ist jedoch aufgrund der sehr großen Temperaturschwankungen und der Notwendigkeit, ein Gas zu verwenden, das so wenig viskos wie möglich ist, schwieriger zu erreichen um Reibungsverluste (insbesondere im Regenerator) zu minimieren. Die Verwendung eines sehr niedrigviskosen Gases, beispielsweise Wasserstoff, wirft häufig Dichtungsprobleme auf.

Es ist von zartem Design; Während Verbrennungsmotoren Wärme direkt in dem Fluid erzeugen, sehr schnell und sehr gleichmäßig, verlässt sich ein Stirling - System auf Wärmeübertragungen zwischen dem Gas und den Austauschern (die beiden Quellen der Rekuperator), während die Gase sind thermische Isolatoren sehr langsam sind , wo Austausch . Zusätzlich ist es notwendig, das "tote" Volumen (das Flüssigkeit enthält, die den Zyklus nicht abschließt und daher nicht zur Ausbeute beiträgt) zu minimieren. All dies wirft Probleme der Fluiddynamik auf , Probleme, die auf der Ebene der Wärmetauscher, des Rekuperators, der Rohre oder des Kolbens schwer zu lösen sind und die die Bewegung des Gases während des Zyklus ermöglichen (Probleme hinsichtlich Durchmesser, Länge, Turbulenzen zu erzeugen oder zu vermeiden) , usw.).

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Es ist schwer zu bestellen. Einer der Nachteile ist die mangelnde Reaktionsfähigkeit. Um die Leistung des Motors zu variieren, wird die Heizleistung im Allgemeinen variiert. Aufgrund der großen thermischen Trägheit der Wärmetauscher ist die Leistungssteigerung jedoch viel langsamer als bei aktuellen Verbrennungsmotoren. Die Drehzahländerung dieses Motors ist schwierig zu erreichen, da dies nur durch Einwirken auf das Kompressionsverhältnis des Arbeitsmediums oder durch Erhöhen der Wärme der heißen Quelle oder durch Verringern der Wärme der kalten Quelle erfolgen kann. Dieser Nachteil kann mit Hilfe von Verfahren wie einem Getriebe beim Antreiben einer Getriebewelle in Richtung Räder oder durch Ändern der Steigung beim Antreiben eines Getriebepropellers behoben werden. Aus diesem Grund wird angenommen, dass der Stirlingmotor eine sehr schlechte Fähigkeit zur Erzeugung variabler Leistung und variablen Drehmoments aufweist, ein Nachteil, der insbesondere für den Fahrzeugantrieb als sehr wichtig angesehen wird, während genau diese Anwendung das Vermögen des Verbrennungsmotors ausmachte. Dieser Nachteil könnte jedoch im Fall eines „Hybridsystems“ verringert werden (der Motor läuft dann mit konstanter Drehzahl, wobei die Leistungsmodulation vom elektrischen System übernommen wird), aber sie sind immer noch selten. Auf einem Boot oder einem Propellerflugzeug mit variabler Steigung ist dies jedoch kein Nachteil. Man könnte sich auch ein Ventil vorstellen, das an dem Rohr angebracht ist, das die beiden Kolben trennt, und das bei Bedarf den Wirkungsgrad und damit die Geschwindigkeit verringern könnte, indem es mehr oder weniger geschlossen wird. Diese Idee hat andererseits den Mangel, Wärmeenergie zu verschwenden, da der Wirkungsgrad abnimmt und so viel Kraftstoff verbraucht wird. Es wäre daher notwendig, dieses Ventil für lange Leerlaufzeiten mit einer Einstellung des Kraftstoffdurchsatzes zu koppeln, um die Kraftstoffmenge allmählich zu verringern und das Ausgangsventil wieder auf einen relativ hohen Wert (aber nicht maximal) zu öffnen um die Wiederherstellung während einer Leistungssteigerung zu gewährleisten). Während des Beschleunigens könnten wir also sofort einen besseren Wirkungsgrad und damit eine höhere Geschwindigkeit erzielen und kurz nach der Rückgewinnung der durch die Kraftstoffzunahme gelieferten Energie.

Schließlich hat es einen hohen Preis: Heutzutage sind nur wenige Anwendungen in großen Serien (siehe Whispergen-Generatoren) im Gegensatz zum Verbrennungsmotor viel teurer. Aus dem gleichen Grund haben die Hersteller nicht das gleiche Interesse an Forschung und Entwicklung, was es nicht zulässt, dass sie aufholen (vorausgesetzt, dies ist möglich). Diese Situation könnte sich mit der Entwicklung der Forschung zur Energieerzeugung und insbesondere zu erneuerbaren Energien positiv entwickeln.

benutzen

Der Stirlingmotor hat Nischenanwendungen in Situationen, in denen die anfänglichen Kosten des Systems keinen ernsthaften Nachteil gegenüber den Vorteilen darstellen (Militär, Forschung, fortgeschrittene Anwendungen).

Arten von Stirlingmotoren

Alpha Stirling

Ein Alpha-Stirling enthält zwei separate Kraftkolben, einen "heißen" Kolben und einen "kalten" Kolben. Der heiße Kolben befindet sich in der Nähe des Wärmetauschers mit der höchsten Temperatur, und der kalte Kolben befindet sich in der Nähe des niedrigsten Temperaturaustauschpunkts.

Dieser Motortyp hat ein sehr hohes Leistungs-Volumen-Verhältnis, weist jedoch technische Probleme auf, die (häufig) damit zusammenhängen, dass die Temperaturen des heißen Kolbens für seine Dichtungen zu hoch sind.

Unten sehen Sie ein Diagramm eines Alpha-Stirling-Motors (Erläuterungen zur Drehung im Uhrzeigersinn). Ein Wärmeaustauscher ist in dem Rohr, ist aber nicht gezeigt.

Stirling Beta

Ein Beta-Stirling verbraucht auch ein begrenztes Gasvolumen zwischen zwei Kolben. Diese beiden Kolben kombinieren:

Die Volumina auf der anderen Seite der Kolben sind nicht funktionsfähig. In der Abbildung oben auf der Seite sehen wir die Kommunikationsöffnung eines dieser Bände mit der Außenseite. Die Kolben sind daher beide abgedichtet. Das Prinzip der Beta-Engine nähert sich tatsächlich dem der Gamma-Engine, mit dem Unterschied, dass sich die beiden heißen und kalten Zonen im selben Zylinder befinden. Die Vorteile sind Kompaktheit und das Fehlen von aerodynamischen Verlusten  ; Der Hauptnachteil besteht in Wärmeverlusten durch Wärmeleitung.

Es gibt Stirlingmotoren mit Koaxialkolben, die auch als Betamotor bezeichnet werden. Einer der beiden Kolben ist nicht wasserdicht: Er fungiert dann als Verdränger, und das über dem Verdränger befindliche Volumen ist funktionsfähig. Diese Motoren ähneln daher den unten beschriebenen Gammamotoren, jedoch ohne Totraum .

Gamma Stirling

Ein Stirling-Gamma ist ein Stirling-Motor, der mit einem Kraftkolben und einem Kolben ausgestattet ist, der als Verdränger fungiert. Nur der Motorkolben hat ein Dichtungssystem.

Der Verdränger besetzt nacheinander die heiße Zone und die kalte Zone, wobei jedes Mal das Gas in Richtung der gegenüberliegenden Zone getrieben wird. Die Temperaturschwankungen, denen das Gas dann ausgesetzt ist, erzeugen Druckschwankungen, die den Motorkolben in Bewegung setzen.

Da das vom Verdränger überstrichene Volumen nicht unbedingt vom Kraftkolben überstrichen werden kann, handelt es sich um ein Totvolumen. Aus diesem Grund kann der Gamma-Motor keine hohen Verdichtungsverhältnisse erreichen, was die Effizienzmöglichkeiten einschränkt. Andererseits macht es seine mechanische Einfachheit zu einem weit verbreiteten System, auch bei Mehrzylindermotoren.

Einige Gamma-Motoren haben einen abgedichteten Verdränger: Das Gas leiht sich daher einen externen Stromkreis aus, um von einer Zone in eine andere zu gelangen. Es ist dann möglich, einen Regenerator an diesem externen Stromkreis anzubringen, wodurch der Wirkungsgrad erhöht wird.

Andere Änderungen des Prinzips

Viele Variationen wurden vorgeschlagen:

Anmerkungen und Referenzen

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Anhänge

Zum Thema passende Artikel

Literaturverzeichnis

Externe Links