Stirlingmotor

Stirlingmotor: virkemåte og tilgjengelige typer

Robert Stirling, en skotsk prest, søkte om patent i 1816 på en motor med ekstern forbrenning som kunne konkurrere med datidens dampmaskin. Mer enn to århundrer senere har prinsippet ikke endret seg: en ekstern varmekilde får et gass som er innelukket i en sylinder til å utvide seg, noe som skyver et stempel, deretter avkjøles gassen og trekker seg sammen for å starte syklusen på nytt. Det er en lukket termodynamisk motor – ingen intern forbrenning, ingen eksplosjon, ingen ventiler. Gassen (luft, helium eller hydrogen, avhengig av modell) forblir i et lukket kretsløp.

Det finnes tre konfigurasjoner. Alfa-typen bruker to stempler i to separate sylindere, forbundet med en varmeveksler: den kraftigste konfigurasjonen, som man finner i seriøse industrielle anvendelser. Beta-typen plasserer motorstemplet og forskyveren i samme sylinder, noe som reduserer plassbehovet. Gamma-typen skiller forskyveren og stempelet i forskjellige sylindere, men de deler samme gassvolum: dette er den dominerende geometrien i skrivebords- og undervisningsmodeller, da den forenkler produksjonen.

LTD-Stirlingmotor: drift med minimal temperaturforskjell

LTD-modellene (Low Temperature Differential) utgjør en egen underkategori. De starter med en temperaturforskjell på så lite som 4 til 6 °C mellom den varme og den kalde siden. I praksis: Det holder å plassere basen på en kopp te på 60 °C for å se svinghjulet rotere. Noen flate solcellemodeller fungerer allerede ved 35 °C på den varme siden, mot en kald overflate på 25 °C.

Denne følsomheten for små temperaturforskjeller har en ulempe: disse motorene produserer lite dreiemoment. Rotasjonshastighetene forblir lave, typisk mellom 100 og 400 RPM, avhengig av den tilgjengelige temperaturforskjellen. Man velger dem ikke for deres mekaniske kraft, men for deres evne til å utnytte diffuse varmekilder – industriell spillvarme, passiv solenergi, kroppsvarme i pedagogiske demonstrasjoner.

Velge en Stirlingmotor: konkrete kriterier før kjøp

Det første kriteriet er den tilgjengelige varmekilden. En Stirlingmotor som drives av alkohol eller stearin krever mellom 200 og 400 °C på den varme siden for å gå riktig og produserer et synlig dreiemoment, ofte tilstrekkelig til å drive en liten dynamo eller et urverk. En solcelledrevet LTD-modell eller en modell som drives av «håndvarme» fungerer bedre som pedagogisk demonstrasjonsmodell enn som en nyttig energikilde.

Det andre kriteriet er bearbeidingskvaliteten. Modeller i bearbeidet messing med innkjørte stempler holder tettheten over tid. De rimeligere versjonene i zamak eller ubehandlet aluminium får raskt lekkasjer ved sylinderen, noe som reduserer effektiviteten. En enkel sjekk: Når motoren er kald, og du roterer svinghjulet sakte for hånd, skal motstanden være jevn, uten stivhet eller for mye slark.

• Gamma-motorer med tennplugg: ideelle for demonstrasjoner, starter på 30 til 60 sekunder, turtall mellom 800 og 2 000 o/min avhengig av termisk belastning.
• LTD-solmotorer: reflekterende kjøleplate i aluminium + svart varmeplate, fungerer i full sol eller på en lun varmekilde. Lav rotasjonshastighet, men spektakulær oppstart ved 40 °C.
• Flercylindrede alfa-motorer: mer komplekse konfigurasjoner, faktisk virkningsgrad kan måles ved hjelp av en enkel brems, interessante for prosjekter innen anvendt termodynamikk på videregående skole eller høyskole.

Stirlingmotor for undervisningsbruk: anvendelser innen fysikk og termodynamikk

Stirlingmotoren er fortsatt en av de få termomekaniske omformerne man kan bygge, måle og analysere uten tungt instrumentutstyr. På videregående skole eller i BTS-utdanningen gir den mulighet til å arbeide konkret med Carnot-syklusen, beregne det faktiske virkningsgraden i forhold til den teoretiske, og direkte visualisere effekten av en regenerator på syklusens effektivitet.

De tilgjengelige monteringssettene har ulik kompleksitet. Noen krever bare en skrutrekker og en times monteringstid; andre krever litt maskinering eller justering av forskyverens høyde for å optimalisere faseforskyvningen til 90°. Denne innstillingen av faseforskyvningen er nettopp det som skiller en godt montert motor fra en modell som sliter med å starte: motorstemplet må nå sitt øverste dødpunkt en kvart omdreining etter forskyveren, verken mer eller mindre.

Praktiske anvendelser og bruk av Stirling-motorer i stor skala

Den svenske marinen har siden 1996 brukt Stirling-motorer i sine ubåter av Gotland-klassen til AIP-fremdrift (Air Independent Propulsion), ved å forsyne syklusen med flytende oksygen lagret om bord. Resultatet er en støynivå som er lavere enn hos dieselmotorer og en dykketid på 14 dager uten å måtte stige til overflaten. Produsenten Kockums, som ble kjøpt opp av TKMS i 2014, er fortsatt en av de få produsentene i verden som produserer kraftige Stirling-motorer.

NASA har siden 2000-tallet utforsket termoelektriske Stirling-generatorer for romferder: ASRG-prosjektet (Advanced Stirling Radioisotope Generator) hadde som mål en virkningsgrad på 38 % mot 6–7 % for konvensjonelle plutonium-RTG-er, før det ble suspendert i 2013 på grunn av manglende finansiering. Disse prosjektene illustrerer hvor godt syklusen egner seg for kontinuerlige og stabile varmekilder – akkurat det motsatte av forbrenningsmotorer.

Vedlikehold og levetid for en Stirlingmotor

Vedlikeholdet begrenser seg til to punkter. For det første smøremiddelet til stemplene: en dråpe lett mineralolje (av typen olje til symaskiner, viskositet 10 til 15 cSt) påført stempelets O-ring hver 20. til 30. driftstime. For tykk olje øker friksjonen og reduserer turtallet; manglende olje sliter ut pakningen i løpet av få timer. For det andre må varmeflaten holdes ren: sotavleiringer fra en tennplugg øker den termiske motstanden og reduserer varmeoverføringen til gassen.

En riktig vedlikeholdt modell i maskinert messing holder i flere hundre driftstimer uten nevneverdig slitasje. O-ringene er fortsatt den viktigste slitedelen; sjekk at leverandøren tilbyr reservedeler før du kjøper.

Tilbehør som er kompatibelt med en Stirlingmotor for skrivebordet

En liten generator med permanentmagnet (av typen sykkelgenerator, 5 til 12 V avhengig av turtall) kan monteres på svinghjulets aksel med en gummikobling for å dempe vibrasjoner. Den produserte strømmen kan drive en LED, lade en kondensator eller drive et multimeter for å måle den faktiske effekten som produseres. For skoleprosjekter forvandler dette tillegget en visuell demonstrasjon til et kvantifisert eksperiment.