Mis on Stirlingi mootor? Tööpõhimõte, eelised ja kasutusvõimalused

Mis on Stirlingi mootor? Loe lihtsas keeles tööpõhimõttest, peamistest eelistest ja praktilistest kasutusvõimalustest — energiasäästlik, müravaba ja mitmekülgne lahendus.

Stirlingi mootor on soojusmootor, mis muundab soojuse kasulikuks mehaaniliseks energiaks kolvi liikumise abil mootori sisemises silindris. Erinevalt teistest üldlevinud soojusmootoritest, näiteks autodes kasutatavast sisepõlemismootorist ja raudteedel kasutatavast aurumootorist, kasutab see sama gaasi iga kolvi löögi puhul uuesti, nii et ei teki mürarikkat heitgaasi. Sama gaasi kuumutatakse ja jahutatakse mootori silindris korduvalt.

Selle tööks on vaja soojusvarustust, et soojendada selle kuumad osad. See võib pärineda tulest, aga ka päikesekiirtest, vulkaanide lähedal asuvatest kuumadest kivimitest või tuumaenergiast. Sellel on ka külmad osad, mis jahutavad selle sees olevat gaasi ja neid hoiab külmana üle voolav õhu- või veevool.

Selle leiutas 1816. aastal šoti vaimulik, pastor dr Robert Stirling.

Tööpõhimõte lühidalt

Stirlingi mootor on suletud tsükliga, väline-kütusega soojusmootor. Mootoris olev gaas (tavaliselt õhk, heelium või vesinik) kuumutatakse kuumas piirkonnas ja seejärel surutakse külmas piirkonnas kokku. Gaasi pidev liikumine kuuma ja külma piirkonna vahel tekitab survevahe, mis paneb kolvi või võlli pöörlema. Oluline osa paljudes Stirlingi mootorites on regeneraator — soojusvaheti, mis salvestab gaasilt võetud soojust ning annab selle tagasi järgmisel tsüklil, tõstmaks efektiivsust.

Stirlingi tsükkel (ideaalne kirjeldus)

• Isotermiline laienemine: gaas kuumeneb kuumas osas ja laienedes teeb tööd.
• Isohooriline/regenereeriv soojusvahetus: gaas liigub läbi regeneraatori ja annab osa soojusest talletajale (või võtab selle tagasi).
• Isotermiline kokkusurumine: gaas jahutatakse külmas osas ja seejärel surutakse kokku, kulutades vähem energiat kui laienemisel saadud töö.
• Teine isohooriline etapp: gaas liigub tagasi regeneraatori kaudu ning võtab sellest tagasi osa varem talletatud soojusest.

Teoreetiliselt on ideaalne Stirlingi tsükkel pöördeliselt taastuv ja võib saavutada sama siirdeefektiivsuse nagu vastav Carnot' tsükkel kahe sama temperatuuriga reservoirs vahel. Praktikas vähendavad efektiivsust soojuskaod, hõõrdumine, mittetäiuslik regeneraator ja termilised piirangud.

Põhilised konstruktsioonitüübid

• Alpha-tüüp: kaks eraldi silindrit ja kaks töökolvi — üks kuum, teine külm; suure võimsusega tundlikum disain.
• Beta-tüüp: ühesilindriline lahendus, kus on liigutatav displacer (gaasi nihutaja) ja eraldi võimsuskolb samas silindris.
• Gamma-tüüp: displacer ja võimsuskolb on eri silindrites, ühendatud vooluteega; struktuuriliselt lihtsam ja paindlik.

Regeneraator — miks see oluline on

Regeneraator on peamine Stirlingi mootorite eripära, mis võimaldab suurendada tsükli efektiivsust. See toimib soojusakumana: gaas, liikudes kuumast külma ruumi, annab osa soojusest regeneraatorile ja vastupidisel liikumisel võtab selle tagasi. Hea regeneraator vähendab soojuskadusid ja parandab kütusekasutust, kuid selle disain ja materjal nõuavad hoolikat valikut (suur pindala, madal takistus ja hea soojusmahtuvus).

Tööained ja materjalid

• Tavaliselt kasutatakse õhku algse lahenduse puhul, kuid suurema jõudluse jaoks kasutatakse heeliumit või vesinikku — need parandavad soojusülekannet ja tõstavad võimsust.
• Kõrgema töötemperatuuri poolest paraneb teoreetiline efektiivsus — see seab materjalidele suuremad nõuded (kuumkindlus, korrosioonikindlus).

Eelised

• Väga vaikne töö, sest põlemisprotsess ei toimu mootori sees (väliskütuseline) — sobib müratundlikesse keskkondadesse.
• Madalamad heitmed ja võimalik suletud süsteem, mis ei lisa väliskeskkonda saasteaineid.
• Kütusepaindlikkus — soojusallikas võib olla igasugune: gaasipõlemine, biokütus, päikeseenergia (fookustatud), geotermiline energia, jäätmekütus jne.
• Piisava disaini korral hea osaenergiaefektiivsus, eriti väiksematel võimsustel ja CHP (soojuse ja elektri samaaegne tootmine) rakendustes.
• Parem hoolduse võimalus ja pikaealisus, sest liikuvaid osi on sageli vähem kui sisepõlemismootorites ja kulumine on aeglasem.

Piirangud ja puudused

• Madalam võimsuse ja massi suhe (power-to-weight) võrreldes näiteks sisepõlemismootoritega — vähem sobiv autode ja raskete liikurite jaoks.
• Kõrged tootmiskulud ja keerukus, eriti regeneraatori ning kuuma- ja külmapindade täpse töö tagamisel.
• Suure temperatuurierinevuse ja rõhu korral tekivad materjalide- ning tihendiprobleemid; lekked (eriti vesiniku puhul) on keerulised hallata.
• Algkiirenduse ja dünaamilise reageerimisvõime piiratus — ei pruugi sobida rakendustesse, kus on vaja kiiret võimsuse muutust.

Kasutusvõimalused ja näited

• Päikesepõhine energia: päikesekollektorid või fookuspeeglid suunavad soojust Stirlingi mootorile (dish-Stirling süsteemid) — kasutatav kohtades, kus on palju otsest päikesevalgust.
• CHP ja kaugsoojuslahendused: väikesed elektri- ja soojusallikad majapidamistele või tööstustele.
• Kosmose- ja cryo-rakendused: vabalöögiga Stirlingi külmutusseadmed ja külmkapid on kasutusel satelliitide ning teadusseadmete jahutuses.
• Kaugjõuallikad ja varuenergeetika: stendid, kaugseadmed, kus on vaja pikaajalist, madala hooldusvajadusega vooluallikat.
• Erirakendused: õpikud ja demonstratsioonimudelid, hariduse ning teadusuuringute vahendid.

Ajaloost ja tänapäevast arengust

Robert Stirlingi 1816. aastal patenteeritud idee arenes läbi 19. ja 20. sajandi mitmeks praktiliseks rakenduseks. Kuigi Stirlingi mootor ei asendanud massiliselt sisepõlemismootorit, on sellel alates 1970. aastatest ja taas 2000. aastal tõusnud huvi tänu kasvavale vajadusele tõhusate ja keskkonnasõbralikumate energialahenduste järele. Uuenduslikud materjalid, paremad regeneraatorid ja mähised ning vabad (free-piston) konstruktsioonid on laiendanud rakenduste spektrit — eriti päikeseenergia ja kosmosetehnika valdkonnas.

Hooldus ja turvalisus

• Regulaarsed kontrollid tihenditele ja kuumade pindade seisukorrale pikendavad tööiga.
• Kui kasutatakse vesinikku või muid lekkivaid gaase, tuleb tagada nõuetekohane tihendussüsteem ja lekkekontroll.
• Kuumaosade isolatsioon ja turvalised kütuseallikad on vajalikud, et vältida ülekuumenemist ja vigastusi.

Kokkuvõte

Stirlingi mootor on paindlik ja vaikne soojusmootor, mille eeliseks on madal heitmete tase, kütusevalikuvõimalus ja kõrge teoreetiline efektiivsus. Praktikas peab arvestama piirangutega nagu madalam võimsuse-tihedus, materjalinõuded kõrgete töötemperatuuride juures ja regeneraatori keerukus. Tänapäeval kasutatakse Stirlingi mootoreid eelkõige spetsialiseeritud rakendustes — päikesepõhised generaatorid, väiksed CHP-seadmed, kosmose- ja jahutussüsteemid — kus nende vaikne, usaldusväärne ja tõhus töö on eeliseks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Stirlingi mootor?

K: Mille poolest erineb Stirlingi mootor teistest soojusmootoritest?

K: Mida vajab Stirlingi mootor töötamiseks?

K: Millised on Stirlingmootori külmad osad ja kuidas neid külmana hoitakse?

K: Kes leiutas Stirlingi mootori?

K: Mis on Stirlingi mootori eesmärk?

K: Millised on Stirlingi mootori kasutamise eelised?

Otsing