Stirlingmotor

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Naar navigatie springen Naar zoeken springen
Doorsnede van een stirlingmotor met rhombic drive-bètaconfiguratie.
Paars - Ruimte hete cilinder
Donkergrijs - Ruimte koude cilinder (met in geel de in- en uitlaatpijpen voor het koelmiddel)
Donkergroen - Thermische isolatie die het warme en het koude deel van elkaar isoleert
Lichtgroen - Verplaatserzuiger
Donkerblauw - Vermogenszuiger
Lichtblauw - Vliegwiel
Niet getoond: uitwendige warmtebron en uitwendige warmtewisselaars. In dit ontwerp is de zuiger zonder regenerator.

Een stirlingmotor of heteluchtmotor is een motor die werkt door middel van een gesloten, regeneratieve thermodynamische cyclus, met afwisselende compressie en uitzetting van het werkend gas op verschillende temperatuurniveau's[1].

In een stirlingmotor bevindt het gas zich in een gesloten systeem met één hete en één koude cilinder (de zogenaamde alfa-configuratie) of in één cilinder met een heet en een koud compartiment (de bèta-configuratie). De lucht wordt met zuigers tussen deze cilinders verplaatst via een warmtewisselaar (de zogenaamde regenerator) waarin beurtelings koud gas opwarmt en heet gas afkoelt.

In de door de Schotse dominee Robert Stirling uitgevonden versie wordt lucht door een verplaatser (bijna) zonder arbeid heen en weer geschoven tussen een hete en een koude ruimte, waarbij de lucht in de hete ruimte onder het opnemen van warmte expandeert en arbeid verricht door een zuiger te bewegen, waarna de lucht door de verplaatser weer naar de koude ruimte wordt bewogen, daar afkoelt en krimpt. Het eerste patent dateert al van 1816.

Voor- en nadelen[bewerken | brontekst bewerken]

Voordelen van de stirlingmotor zijn[1]:

  • Het theoretisch rendement ligt hoger dan bij inwendige-verbrandingsmotoren.
  • Stirlingmotoren kunnen op allerlei soorten brandstoffen lopen, omdat de verhitting van buitenaf plaatsvindt en arbeid geleverd wordt door het verplaatsen van warmte naar een koudere omgeving; hierdoor kan het verbrandingsproces vrij gemakkelijk worden geoptimaliseerd zodat weinig milieuvervuiling wordt veroorzaakt.
  • De verhitting kan met eender welke bron gebeuren, bijvoorbeeld ook met zonnespiegels of de verbranding van houtpellets.
  • De motoren hebben weinig bewegende delen en zijn zeer bedrijfszeker.
  • De motoren zijn stil in bedrijf.
  • Stirlingmotoren bestaan in allerhande groottes, van kleine eencilindermodellen tot grote machines met duizenden pk's per cilinder. Ze zijn dan ook geschikt voor zeer veel toepassingen.

Niettemin zijn stirlingmotoren nog niet algemeen in gebruik, hoewel grote bedrijven als NASA, Philips en General Motors er al miljoenen aan geld in hebben gestopt en met zeer innovatieve oplossingen zijn gekomen, voortbordurend op hetzelfde concept. De drie belangrijke zwakke punten zijn nog steeds:

  • De benodigde warmtewisselaars zijn kostbaar en moeilijk goed te ontwerpen.
  • Een stirlingmotor loopt het best bij een vast toerental en vermogen, en kan niet snel versnellen. Door buffervaten of het toepassen van speciale bewegingsmechanismen zoals de swash-plate of meerdere onderling verstelbare krukassen is de stirlingmotor te regelen, maar dat is gecompliceerd en dus kostbaar.
  • Voor zeer grote vermogens (elektriciteitscentrales etc.) zijn er andere, minstens even efficiënte, alternatieven.

Er zijn verschillende belangrijke verfijningen mogelijk:

  • De hete lucht kan door een regenerator van poreus metaal worden geleid op weg van de warme naar de koude ruimte, die een deel van de warmte vasthoudt, zodat deze bij de terugpompslag van koud naar warm weer kan worden opgenomen, wat de motor zuiniger maakt. (Dit is de eigenlijke verbetering die door Stirling is bedacht en waardoor zijn naam aan het concept verbonden is geraakt).
  • Verliezen door wrijving van de gasstroom kunnen worden verlaagd door zeer lichte gassen als helium en waterstof te gebruiken.
  • De energiedichtheid kan worden opgevoerd door bij hogere druk te werken.

Gebruik[bewerken | brontekst bewerken]

Er zijn tegenwoordig thermo-akoestische stirlingmotoren die lineair trillend werken en wisselstroom opwekken die direct aan het net kan worden teruggeleverd. Ze zijn, indien ingebouwd in een cv-ketel, in staat om, naast de verwarming van een huis, 1,5 tot 10 kW te genereren, zodat er bijna een warmte-krachtcentrale in huis komt te staan. De gangbare term hiervoor is micro-warmte-krachtkoppeling.

Stirlingmotoren hebben door het beperkte geluidsniveau militaire toepassingen, in duikboten en als secundaire (geluidsloze) energiebron in bijv. tanks[1].

Externe links[bewerken | brontekst bewerken]

Zie de categorie Stirling engines van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.