2.7.2 Stirlingmotoren

Thermodynamica

Stirlingmotoren werken thermodynamisch gezien volgens het Stirling-proces. De motor bestaat uit een warm deel en een koud deel. Een externe warmtebron (vlam of hete gassen) verwarmen continu het hete deel van de motor terwijl het koude deel continu gekoeld wordt. Beide delen staan continu met elkaar in verbinding en staan dus onder dezelfde druk. In de motor zelf zit het arbeidsmedium, lucht of een edelgas zoal Helium, opgesloten.

Figuur 3 toont de delen van een stirlingmotor. Het warme deel is de kop van de cilinder. het koude deel bevindt zich aan de onderzijde van de cilinder. In de cilinder bewegen twee zuigers:

• de arbeidszuiger: deze sluit het arbeidsmedium af helemaal onderaan de cilinder. Beweging van deze zuiger leidt tot een wijziging van het totaal ingesloten volume;
• de verdringingszuiger: deze zit bovenaan in de cilinder. Aan beide zijden zit het arbeidsmedium op eenzelfde druk. Verplaatsing van de verdringingszuiger gaat daardoor in principe zonder inspanning. Beweging van de verdringingszuiger verdringt het arbeidsmedium van de warme naar de koude zijde van de cilinder en vice versa.

Beide zuigers bewegen met een faseverschuiving van 90°. Dit wil zeggen dat wanneer de arbeidszuiger in zijn bovenste dode punt is (snelheid nul), de verdringingszuiger op maximale snelheid naar beneden beweegt enz. De faseverschuiving kan gebeuren met een 5-armenmechanisme zoals in Figuur 3 het geval is, via een verschuiving in de krukas, of via een opstelling waarbij de arbeidszuiger incl. cilinder 90° verdraaid is ten opzichte van de verdringingszuiger met zijn eigen cilinder (alfa-type motor).

Tussen de warme en koude zijde van de cilinder, kan het arbeidsmedium via een regenerator vrij stromen. De regenerator is niets anders dan een zeer poreuze metallische structuur (bijvoorbeeld een spons van koperdraad). Als heet gas van de warme naar de koude zijde stroomt, dan zal een deel van de warmte aan de regenerator afgegeven worden waardoor deze opwarmt. Als de gasstroom omgekeerd is, zal het koude gas de warmte uit de regenerator terug opnemen. De regenerator zorgt ervoor dat het mechanisch rendement van de motor gevoelig verbetert en in theorie zelfs identiek wordt aan het rendement van een Carnotmotor (de thermodynamica toont aan dat de Carnotmotor het hoogst haalbare mechanische rendement heeft indien arbeid geproduceerd moet worden door warmte van hoge naar lage temperatuur te brengen).

Warmte-afvoer uit gas via koeler Regenerator Warmtetoevoer naar het gas Warme ruimte Verdringingszuiger Koude ruimte Arbeidszuiger Juk van de holle drijfstang van de arbeidszuiger Tegen elkaar in draaiende tandwielen op de krukassen, die voor een zuiver symmetrische beweging van het drijfwerk zorgen Een van de twee krukken Drijfstangen Juk van de drijfstang van de verdringingszuiger

Figuur 3: Delen van een stirlingmotor (beta-type)

Aan de hand van Figuur 4 kan de stirlingcyclus gevolgd worden. In de eerste fase beweegt de arbeidszuiger naar boven terwijl de verdringingszuiger nauwelijks beweegt. Het totaal ingesloten volume neemt daardoor af. Tijdens deze compressie wordt een belangrijk deel (theoretisch alle) compressiewarmte afgevoerd door de motorkoeling. Theoretisch gaat het hier om een isotherme compressie.

In de tweede fase van de cyclus beweegt de verdringingszuiger naar beneden terwijl de arbeidszuiger nauwelijks beweegt. Het totale ingesloten motorvolume blijft quasi constant omdat de arbeidszuiger in zijn bovenste dode punt zit. Het betreft hier dus een isochore opwarming wat een belangrijke druktoename van het arbeidsmedium tot gevolg heeft. Door de verdringing wordt het koude gecomprimeerde arbeidsmedium naar de warme zijde van de motor verdreven. Tijdens deze wisseling neemt het arbeidsmedium warmte op uit de regenerator. De regenerator koelt hierbij af. Eens aangekomen in het warme deel van de motor, warmt het arbeidsmedium verder op ten gevolge van de constante toevoer van warmte aan dit deel.

In de derde fase komt de verdringingszuiger op zijn onderste dode punt terwijl de arbeidszuiger op snelheid komt en naar beneden beweegt. Deze beweging wordt veroorzaakt door de sterke druktoename van het arbeidsmedium in de vorige fase. Het totaal ingesloten volume neemt toe en de druk van het arbeidsmedium daalt. Het arbeidsmedium neemt nog wel continu warmte op in het warme deel van de motor. De temperatuur verandert daardoor niet veel en het betreft een isotherme expansie.

In de vierde fase is de arbeidszuiger in zijn onderste dode punt gekomen en komt de verdringingszuiger weer op volle snelheid naar boven toe. Hierdoor blijft het totale volume constant terwijl het arbeidsmedium van de warme zijde van de cilinder over de regenerator naar de koude zijde van de cilinder wordt verdreven. Het arbeidsmedium geeft al een belangrijk deel van de opgenomen warmte af aan de regerenator waardoor deze laatste opwarmt. De motor is nu klaar om terug met de eerste fase van start te gaan.

Figuur 4: Verschillende stadia in de Stirlingcyclus beta-type)

Op internet kan de volledige stirlingcyclus gevolgd worden in een java-applet op: http://www.walburgcollege.nl/vakken/natuurkunde/ntnujava/stirling_nl/stirling_nl.html .

Het mechanisch rendement van de geregenereerde stirlingmotor is theoretisch gelijk aan dat van een carnotmotor:

                  

Waarin T_H de temperatuur van de warme zijde van de motor is en T_L de temperatuur van de koude zijde. beide temperaturen moeten in Kelvin uitgedrukt worden. Het rendement neemt dus toe naarmate het temperatuurverschil tussen warme en koude zijde toeneemt. en de warme zijde warmer wordt. De reële Stirlingmotor haalt ongeveer de helft van het theoretische rendement.

Technologie

Verbranding en koeling

Stirlingmotoren zijn typisch gesloten systemen: er vindt geen stofwisseling met de omgeving plaats, enkel energiewisseling. De warmte die de stirlingmotor aandrijft kan dus van eender welke bron komen: een gasvlam, een oliegestookte brander, houtverbranding of zelfs afvalwarmte (minstens 750 °C).

Omdat de stirlingmotor aangedreven wordt door een temperatuurverschil, is naast de warmtetoevoer de warmteafvoer minstens even belangrijk. Des te lager de temperatuur van het koelmedium van de motor, des te hoger zijn rendement. Om het mechanisch rendement niet te sterk te doen dalen, worden stirlingmotoren in wkk-toepassingen dan ook enkel gebruikt voor warm waterbereiding (temperaturen tot max. 100 °C).

Een nadeel van de stirlingmotoren en in wezen van alle motoren met uitwendige verbranding, is de trage opstart. Het warme deel van de motor moet immers op voldoende hoge temperatuur gebracht worden vooraleer de motor op zijn nominaal vermogen komt. In realiteit duurt dit minstens 2 minuten.

Uitvoeringen

Er zijn verschillende mogelijke uitvoeringswijzen van stirlingmotoren. In eerste instantie wordt er een onderscheid gemaakt in de opstelling van de zuigers en cilinders. Men onderscheidt alfa, beta en gamma-opstellingen. Meer hierover is te vinden op internet: http://www.ent.ohiou.edu/~urieli/stirling/engines/engines.html.

Daarnaast kan er ook een onderscheid gemaakt worden in de wijze waarop de arbeid met de omgeving uitgewisseld wordt. Doorgaans wordt de zuigerbeweging via een kruk-drijfstang­mechanische gecoördineerd en zorgt dit mechanisme tevens voor de arbeidswisseling met de omgeving. De krukas kan zo een klassieke elektrische generator aandrijven.
Een andere wijze van arbeidswisseling is mogelijk met de vrije zuigermachines. In deze machines zijn de zuigers niet meer aan drijfstangen gekoppeld maar bewegen ze vrij in de cilinder. De coördinatie tussen de beweging van de arbeids- en verdringingszuiger gebeurt nu door een goed gekozen ontwerp van de cilinderkamers zodat de zuigers met het ingesloten gas als een massa-veersysteem reageren. De arbeidswisseling met de omgeving is mogelijk doordat de arbeidszuiger gemagnetiseerd is. Rondom de cilinder ter hoogte van de arbeidszuiger zit er een spoel die waarin elektriciteit gegenereerd wordt. Vrije zuigermachines hebben dus enkel een magnetische koppeling met de buitenwereld. Dit maakt dat de afsluiting van de cilinder veel makkelijker is dan bij stirlingmotoren met kruk-drijfstangmechanismes.

Figuur 5: Vrije zuiger Stirlingmotor

Stirlingmotoren op de markt

De Stirlingmotoren die momenteel commercieel beschikbaar zijn, zijn eerder klein in vermogen: typisch enkele kW tot maximaal 55 kWe. Meestal worden ze gebruikt voor het maken van micro-wkk installaties. Deze installaties zijn dus op maat van een ééngezinswoning. De elektrische rendement ligt typisch tussen 10 en 15% maar kan oplopen tot 30% en meer, al naargelang de temperaturen van de verwarming en koeling van de motor. Een typische micro-wkk op basis van een stirlingmotor heeft een elektrisch vermogen van 1 kWe en een thermisch vermogen van 6 kWt. Deze micro-wkk’s worden doorgaans aangevuld met een hulpbrander om het thermisch vermogen verder op te drijven tot 24 kWt.

Op dit ogenblik komen de eerste micro-wkk-eenheden op basis van stirlingmotoren stilaan op de markt. Vooral in het Verenigd Koninkrijk worden er grote inspanningen voor micro-wkk geleverd. Enkele merken zijn in onderstaande tabel opgenomen:

Merk	Vermogen
Enatec, www.enatec.com	1 kWe en 6…24 kWth (vrije zuiger)
WhisperGen, www.whispergen.com	0,85…1,2 kWe en max. 8 kWth
SOLO, www.stirling-engine.de	2…9,5 kWe en 8…26 kWth (elektrisch rendement 22…24% bij 50 °C koelwatertemperatuur)
STM, www.STMpower.com	55 kWe en 91 kWth
Stirling Technology Company, http://stirlingtech.com	60 Watt tot 3 kWe allen vrije zuiger­machines

De investeringskosten in een stirlingmotor lopen op dit ogenblik nog zeer sterk uiteen: 1300…42000 €/kW (al naargelang het merk, hoogste kost is voor prototype motoren, laagste voor machines die stilaan in serieproductie gaan).

terug naar inhoudstabel

naar volgende pagina