Stirling motor

De Stirling motor Tijdens een clubbijeenkomst in Zaandam (17.04.1999) verraste de heer Peter Jonkers uit Breda ons met een aardig model. Op inventieve wijze is hij in staat geweest om een zogenaamde stirlingmotor met behulp van fischertechnik na te bouwen. Als aandrijving werd een mini-motor gebruikt die maar liefst de hele dag op een set batterijen heeft kunnen draaien. Geschiedenis van de Stirling motor De stirlingmotor is een door de Schotse predikant Robert Stirling (1790-1878) in 1816 ontworpen en gebouwde zuigermotor met uitwendige verbranding (of andere warmtetoevoer). De werking van de stirlingmotor berust op het principe dat gas in een door een zuiger afgesloten cilinder wordt verwarmd, deze zuiger door uitzetting zal verplaatsen. Door het gas vervolgens bij een lagere temperatuur weer te comprimeren en daarna de expansie door verhitting te herhalen kan men een machine krijgen die arbeidsoverschot levert. Het principe wordt in tegengestelde zin ook toegepast in de koudgaskoelmachine. In het midden van de 19de eeuw werd door de Zweed Ericsson een volgens dit principe werkende motor praktisch toegepast, maar deze kon op den duur niet concurreren tegen stoommachines. In 1938 begon Philips de stirlingmotor verder te ontwikkelen en na de Tweede Wereldoorlog ontstond een type waarbij het gas in een gesloten circuit met behulp van een verdringer heen en weer wordt geschoven van een ruimte met een constante hoge temperatuur naar een ruimte met een constant lage temperatuur en omgekeerd. Wordt de verdringer naar de warme ruimte bewogen, dan stroomt het gas uit de warme ruimte naar de koude ruimte. Beweegt de verdringer in omgekeerde richting, dan stroomt het gas langs dezelfde weg terug naar de warme ruimte. Bij de eerstgenoemde verplaatsing moet het gas een grote hoeveelheid warmte afgeven, die het bij de tweede beweging weer moet opnemen. Om hierbij niet onnodig warmte te verspillen is in het kanaal tussen beide ruimten een regenerator geplaatst, bestaande uit een fijne poreuze metaalmassa. Hierdoor is het mogelijk een aanzienlijke rendementsverbetering te verkrijgen. De bewegingen van het verdringersysteem voor periodieke verhitting en afkoeling van het gas worden met behulp van een speciaal drijfwerk gecombineerd met die van een zuigersysteem, dat het gas comprimeert als het zich in de koude ruimte bevindt en laat expanderen als het zich in de warme ruimte bevindt. Hieraan wordt het arbeidsoverschot ontleend. Het rendement en het vermogen zijn nog verder verbeterd o.a. door waterstof of helium te gebruiken in plaats van lucht en door het systeem te laten werken bij verhoogde druk. Tot de voordelen van de stirlingmotor behoren de geruisarme gang, het vrijwel ontbreken van schadelijke uitlaatgassen (door een continu verbrandingsproces met vrije keuze van brandstoffen of een andere warmtebron) en geen vervuiling in de cilinder door de toepassing van zuiver gas en doordat in de cilinder geen verbranding optreedt. In 1972 sloten Philips en Ford een licentieovereenkomst met als doel de stirlingmotor verder te ontwikkelen voor toepassingen in o.a. personenauto's.
Zijn Stirling motoren de meest efficiënte motoren? Rond 1850 bedacht een slimme Fransman Sadi Carnot wat het maximum haalbare rendement is van een motor die op warmte werkt. Zijn formule is ongeveer als volgt: (temperatuur van de hete zijde - temperatuur van de koude zijde)/temperatuur van de hete zijde x 100 is gelijk aan het maximaal haalbare rendement. Natuurlijk moet de temperatuur in deze formule worden uitgedrukt in Kelvin of Rankine. Theoretisch voldoen Sterling motoren (met een volmaakte regneratieslag) aan deze zogenaamde Carnot cyclus. Echte Stirling motoren kunnen ongeveer 50% van de maximale theoretische waarde halen. Dit is een buitengewoon hoog percentage! Als Stirling motoren zo'n hoog rendement hebben, waarom zit er dan geen in mijn auto? Stirling motoren kunnen op eenvoudige wijze tot stilstand worden gebracht. Het op gang brengen van de motor kost echter enige tijd. Als je in je auto stapt, dan wil natuurlijk dat hij onmiddellijk kan worden gestart, zodat je met gierende banden kunt wegscheuren. Met een Stirling motor kun je zoiets niet doen. Ondanks dit nadeel hebben in de jaren zeventig Ford, GM (General Motors), en AMC (American Motors Corporation) vele miljoenen dollars uitgegeven aan het ontwikkelen van Stirling automotoren. Ford is er zelfs in geslaagd een motor te bouwen die het mogelijk maakte, om twintig seconden na het starten, met de auto weg te rijden. Vele prototypen zijn gebouwd en getest. In de jaren tachtig echter daalde de olieprijs weer, en iedereen kocht grotere auto's. Opeens was er geen dringende reden meer om een motor te ontwikkelen die een aanzienlijk hoger rendement heeft en niet onmiddellijk kan worden gestart. De AMC Spirit uit 1979 was uitgerust met de experimentele 'P-40' Stirling motor. De Spirit kon rijden op benzine, diesel en alcohol. De P-40 motor bood minder vervuiling, 30% minder brandstofverbruik, en dezelfde prestaties als de standaard verbrandingsmotoren. In Frankrijk is er zelfs een duikboot, de 'Research Sub Saga', die met behulp van een Stirling motor wordt aangedreven. Stirling motoren kunnen uitstekend functioneren voor energieopwekking op bijvoorbeeld pleziervaartuigen. Hun grote rendement en stille werking zijn van grote waarde, bovendien is er voldoende koelwater beschikbaar. Ook zouden zij kunnen worden toegepast in vliegtuigen, omdat de lucht kouder wordt naarmate het vliegtuig stijgt. Er bestaat echter nog steeds geen motor in vliegtuigen (zelfs niet de jetvliegtuigen) die voordeel heeft bij de condities op grote hoogten. Een Stirling motor zou niet zoveel vermogen verliezen bij het klimmen, in tegenstelling tot zuigermotoren of jetmotoren. Zou je het ook niet fijn vinden om te vliegen in een geruisloos vliegtuig met een efficiente motor die bovendien weinig trillingen veroorzaakt? Wie was Robert Stirling eigenlijk? Robert Stirling was een predikant van de Kerk van Schotland, die zorg had voor zowel de geestelijke als lichamelijke gezondheid van zijn parochianen. Hij vond de Stirling motor uit, zelf noemde hij het een 'lucht motor', omdat stoommachines destijds vaak ontplofden en de mensen, die ermee werkten, verminkten of zelfs doodden. De motor van Robert Stirling kon niet ontploffen en bood meer vermogen dan de toenmalige stoommachines. In 1816 ontving hij zijn eerste patent voor een nieuw type 'lucht motor'. De motoren die hij bouwde kregen bekendheid onder de naam 'hete lucht motoren'. Deze naam bleef gebruikt worden tot 1940, toen andere gassen zoals helium en waterstof het medium lucht vervingen. Robert Stirling was een actieve predikant en uitvinder gedurende zijn leven. Misschien is zijn belangrijkste uitvinding de 'regenerator' of 'econimiser' zoals hij het noemde. Dit principe wordt nog steeds gebruikt in Stirling motoren en andere industriële processen waarbij energie wordt bespaard. Waar worden Stirling motoren tegenwoordig voor gebruikt? De moderne toepassing van Stirling motoren is voor velen onzichtbaar. De afgelopen jaren zijn er veel experimentele motoren gebouwd, er zijn echter maar drie gebieden waar Stirling motoren een belangrijke toepassing hebben gevonden. Stirling motoren worden tegenwoordig toegepast in duikboten, in cryogene koelmachines, en als demonstratie in klaslokalen. Cryogenie is de wetenschap die zich bezighoudt met onderzoek naar uitzonderlijke koude. Een Stirling motor kan worden gebruikt om voorwerpen diep te koelen. Het is misschien niet erg vanzelfsprekend, maar een Stirling motor werkt reversibel. Als je de ene kant verwarmt, en de andere kant afkoelt, dan kun je mechanische energie genereren. Maar als je er mechanische energie instopt, door gebruik te maken van een elektrische motor, dan wordt de ene kant warm, en de andere kant koud. Als je een dergelijke machine goed ontwerpt, dan wordt de koude kant extreem koud. Het is zelfs gelukt om een Stirling motor te ontwerpen die kan koelen tot onder de 10 Kelvin. Er zijn zelfs micro Stirling motoren in grote hoeveelheden gemaakt voor toepassingen in nachtkijkers om de aanwezige infrarood chips te koelen tot 80 Kelvin. Schematische werking van een stirlingmotor In de afbeelding links getekende fase bevindt de verdringingszuiger zich in de bovenste en bevindt de arbeidszuiger zich in de onderste stand; al het gas is in de koudste ruimte. De arbeidszuiger beweegt dan omhoog en comprimeert het koude gas. Vervolgens begint de verdringingszuiger naar beneden te bewegen, waardoor het gecomprimeerde gas via de regenerator en een verwarmingskanaal in de warme ruimte komt. Daarna expandeert het hete gas en worden verdringings- en arbeidszuiger samen naar hun onderste stand gedreven. De verdringingszuiger beweegt daarna weer naar boven, waardoor het gas uit de warme ruimte via de regenerator en een koelkanaal naar de koude ruimte wordt gebracht, waarna de cyclus opnieuw begint.