Stirlingmotor

Stirlingmotor: funktionsprincip og tilgængelige typer

Robert Stirling, en skotsk præst, indgav i 1816 sin patentansøgning på en motor med ekstern forbrænding, der kunne konkurrere med datidens dampmaskine. Mere end to århundreder senere er princippet det samme: En ekstern varmekilde får en gas, der er indesluttet i en cylinder, til at udvide sig, hvilket skubber et stempel, hvorefter gassen afkøles og trækker sig sammen for at genstarte cyklussen. Det er en lukket termodynamisk motor — ingen intern forbrænding, ingen eksplosion, ingen ventiler. Gassen (luft, helium eller brint afhængigt af modellen) forbliver i et lukket kredsløb.

Der findes tre konfigurationer. Alfa-typen anvender to stempler i to separate cylindre, der er forbundet via en varmeveksler: den mest kraftfulde konfiguration, som man finder i seriøse industrielle anvendelser. Beta-typen placerer motorstemplet og forskydningsstemplet i samme cylinder, hvilket reducerer pladsbehovet. Gamma-typen adskiller fortrængeren og stemplet i forskellige cylindre, der dog deler det samme gasvolumen: dette er den dominerende geometri i bordmodeller og undervisningsmodeller, da den forenkler fremstillingen.

LTD-Stirlingmotor: fungerer med en minimal temperaturforskel

LTD-modellerne (Low Temperature Differential) udgør en særskilt underkategori. De starter med en temperaturforskel på så lidt som 4 til 6 °C mellem den varme og den kolde side. I praksis er det nok at placere basen på en kop te ved 60 °C for at se svinghjulet dreje. Nogle flade solcellemodeller fungerer allerede ved 35 °C på den varme side, over for en kold overflade på 25 °C.

Denne følsomhed over for små temperaturforskelle har en bagside: disse motorer producerer kun lidt drejningsmoment. Omdrejningshastighederne forbliver lave, typisk mellem 100 og 400 omdrejninger pr. minut afhængigt af den tilgængelige temperaturforskel. Man vælger dem ikke på grund af deres mekaniske effekt, men på grund af deres evne til at udnytte diffuse varmekilder — industriel spildvarme, passiv solenergi, kropsvarme i pædagogiske demonstrationer.

Valg af en Stirling-motor: konkrete kriterier før købet

Det første kriterium er den tilgængelige varmekilde. En Stirlingmotor, der kører på alkohol eller et stearinlys, kræver mellem 200 og 400 °C på den varme side for at køre korrekt og producerer et synligt drejningsmoment, der ofte er tilstrækkeligt til at drive en lille dynamo eller et urværk. En solcelledrevet LTD-model eller en model, der kører på »håndvarme«, fungerer bedre som undervisningsdemonstrationsmodel end som en nyttig energikilde.

Det andet kriterium er bearbejdningskvaliteten. Modeller i bearbejdet messing med indkørte stempler bevarer tætningen over tid. De billigere udgaver i zamak eller rå aluminium begynder hurtigt at lække ved cylinderen, hvilket mindsker effektiviteten. En enkel kontrol: Når motoren er kold, skal modstanden være jævn, når man langsomt drejer svinghjulet med hånden, uden hårde punkter eller for stort slør.

• Gamma-motorer med tændrør: ideelle til demonstrationer, starter på 30 til 60 sekunder, omdrejningstal mellem 800 og 2.000 omdr./min. afhængigt af den termiske belastning.
• LTD-solmotorer: reflekterende koldplade i aluminium + sort varmplade, fungerer i fuld sol eller på en lun varmekilde. Lav omdrejningshastighed, men spektakulær opstart ved 40 °C.
• Flercylindrede alfa-motorer: mere komplekse konfigurationer, faktisk virkningsgrad kan måles ved hjælp af en simpel bremse, interessante til gymnasie- eller IUT-projekter inden for anvendt termodynamik.

Stirlingmotor til undervisningsbrug: anvendelser inden for fysik og termodynamik

Stirlingmotoren er stadig en af de få termomekaniske omformere, som man kan bygge, måle og analysere uden tungt måleudstyr. I gymnasiet eller på erhvervsuddannelser giver den mulighed for konkret at arbejde med Carnot-cyklussen, beregne det faktiske virkningsgrad i forhold til det teoretiske virkningsgrad og direkte visualisere effekten af en regenerator på cyklussens effektivitet.

De tilgængelige monteringssæt har forskellige sværhedsgrader. Nogle kræver kun en skruetrækker og en times samling; andre kræver let bearbejdning eller justering af forskydningselementets højde for at optimere faseforskydningen til 90°. Netop denne justering af faseforskydningen er det, der adskiller en korrekt monteret motor fra en model, der har svært ved at starte: motorstemplet skal nå sit øverste dødpunkt en kvart omdrejning efter forskydningselementet, hverken mere eller mindre.

Praktiske anvendelser og brug af Stirling-motorer i stor skala

Den svenske flåde har siden 1996 anvendt Stirling-motorer i sine ubåde af Gotland-klassen til AIP-fremdrift (Air Independent Propulsion), hvor cyklusen forsynes med flydende ilt, der opbevares om bord. Resultatet er en støjniveau, der er lavere end hos dieselmotorer, samt en dykkertid på 14 dage uden at skulle op til overfladen. Producenten Kockums, der blev opkøbt af TKMS i 2014, er fortsat en af de få producenter i verden, der fremstiller kraftige Stirling-motorer.

NASA har siden 2000’erne undersøgt termoelektriske Stirling-generatorer til rummissioner: ASRG-projektet (Advanced Stirling Radioisotope Generator) sigtede mod et virkningsgrad på 38 % mod 6 til 7 % for konventionelle plutonium-RTG’er, inden det blev suspenderet i 2013 på grund af manglende finansiering. Disse projekter illustrerer cyklussens relevans for kontinuerlige og stabile varmekilder – præcis det modsatte af forbrændingsmotorer.

Vedligeholdelse og levetid for en Stirling-motor

Vedligeholdelsen begrænser sig til to punkter. For det første smøring af stemplerne: en dråbe let mineralolie (af den type, der bruges til symaskiner, viskositet 10 til 15 cSt) påført stemplets O-ring hver 20. til 30. driftstime. For tyk olie øger friktionen og nedsætter omdrejningstallet; manglende olie slider pakningen op på få timer. For det andet skal varmeoverfladen holdes ren: sodaflejringer fra en tændstik øger den termiske modstand og nedsætter varmeoverførslen til gassen.

En korrekt vedligeholdt model i bearbejdet messing holder flere hundrede driftstimer uden mærkbar forringelse. O-ringene er stadig den vigtigste sliddel; kontroller, at leverandøren tilbyder reservedele, inden du køber.

Tilbehør, der er kompatibelt med en Stirling-motor til skrivebordet

En lille generator med permanentmagnet (af typen cykelgenerator, 5 til 12 V afhængigt af omdrejningstallet) kan monteres på svinghjulets aksel med en gummikobling for at dæmpe vibrationerne. Den producerede elektricitet kan drive en LED, oplade en kondensator eller forsyne et multimeter til måling af den faktisk producerede effekt. I skoleprojekter forvandler dette tilbehør en visuel demonstration til et kvantificeret eksperiment.