En Stirlingmotor är en fram- och återgående värmemotor som använder värme från en extern källa för att skapa energi för arbetscykeln. Denna värme erhålls ofta genom extern förbränning, så det är en extern förbränningsmotor.

Denna typ av motor använder kemisk energi som erhålls genom att bränna bränsle för att värma upp det arbetande ämnet, som sedan utför arbete i motorn. Förbränningen sker alltid utanför motorn, och det arbetsämne är oftast gas.

Stirlingmotorns historia i ett nötskal

Utvecklingen av Stirlingmotorn började i början av 1800-talet när den skotske ingenjören och prästen Robert Stirling försökte skapa ett säkrare alternativ till ångmaskiner, som var ökända för att explodera. Stirling-motorn patenterades 1816. Under de följande åren genomgick den flera förbättringar för att öka effektiviteten. Bröderna Stirling patenterade också en varmluftsmotor 1827.

Under 1800- och 1900-talen upplevde Stirlingmotorer ökat intresse och innovation, särskilt under bränslebrist eller perioder av snabba tekniska framsteg. Nuförtiden kommer Stirlingmotorer återigen i förgrunden som ett ekologiskt alternativ till traditionella förbränningsmotorer.

Konstruktionen av Stirlingmotorn

Designmässigt har Stirlingmotorn många fördelar jämfört med andra förbränningsmotorer. Motorn är robust och har en enkel konstruktion vilket gör den mycket pålitlig.

Denna motor är inkapslad och tät vilket gör att den kan användas till exempel under vatten eller i vakuum. Eftersom bränslet inte brinner inuti motorn finns det inget onödigt ljud eller vibrationer.

Motorn är därför tystare, mer raffinerad och har längre livslängd än klassiska förbränningsmotorer eftersom dess delar är mindre belastade. Stirlingmotorns verkningsgrad är densamma, ibland till och med högre, än de bästa dieselmotorerna. Dess största fördel är dock att olika typer av bränsle kan användas för att driva motorn.

Hur fungerar en encylindrig Stirlingmotor?

Inledningsvis har gasen en låg temperatur, och därmed ligger trycket mellan de nedre (läckage) och övre arbetskolvarna (täta) som är sammankopplade. Den nedre kolven rör sig till den övre delen av cylindern och driver ut gasen, som strömmar runt kolven in i den nedre delen av cylindern, som värms upp av en extern värmekälla.

Tack vare uppvärmningen ökar temperaturen på gasen inuti cylindern. Gasen ökar alltså sin volym och tryck och expanderar uppåt samtidigt som den åter strömmar runt den läckande kolven.

Relaterad artikel - 

Motorkolvar: Hur fungerar de?

I toppen av cylindern kyls gasen, vilket minskar dess volym och tryck, vilket gör att arbetskolven färdas nedåt, lyfter den läckande kolven uppåt och låter gasen återvända till botten av cylindern, som värms upp. Denna cykel upprepar sig hela tiden.

Hur fungerar en två- eller flercylindrig Stirlingmotor?

En extern värmekälla värmer den röda cylindern. Gasen i cylindern ökar dess volym och tryck och trycker den (röda) cylinderkolven till toppen. Efter att kolven når cylinderns övre gräns strömmar gasen genom röret in i den andra (blå) cylindern.

Där kyls den, tack vare vilket minskar dess volym och tryck, vilket gör att kolven faller, vilket trycker tillbaka den kylda gasen in i den uppvärmda cylindern.

Fördelar med Stirlingmotorn

Stirlingmotorn har en mångsidig användning och jämförbar effektivitet med gnista eller diesel-motorer. Det är som sagt en motor med extern förbränning, vilket skapar färre skadliga ämnen.

Relaterad artikel - 

Bensin och dieselmotor: Hur skiljer de sig åt?

Eftersom inget ämne kommer in i eller lämnar motorn är det möjligt att använda den lämpligaste fyllningen i cylindrarna. De viktigaste fördelarna med Stirling-motorn inkluderar följande:

1. Mångsidighet för bränsle: Stirlingmotorer kan köras på praktiskt taget alla värmekällor, vilket gör dem anpassningsbara till ett brett utbud av bränslen, inklusive förnybara energikällor som solenergi.
2. Hög verkningsgrad: Tack vare regeneratorn och isotermiska processer kan Stirlingmotorer uppnå högre termisk verkningsgrad jämfört med förbränningsmotorer.
3. Låga utsläpp: Den externa förbränningsprocessen resulterar i lägre utsläpp och mindre föroreningar, vilket gör Stirlingmotorer till en miljövänlig lösning. Färre skadliga ämnen kommer in i luften på grund av frånvaron av olja i bränslet.
4. Tyst drift: Stirlingmotorer fungerar med minimalt buller och vibrationer eftersom det inte finns någon inre förbränning och ingen snabb borttagning av avgaser.

Bränsle för Stirlingmotorn

Som redan nämnts är en stor fördel med Stirling-motorn jämfört med andra förbränningsmotorer att ett brett utbud av olika bränslen kan användas för att driva motorn, såsom:

• Naturgas (den ger de bästa resultaten ur ekonomisk men också ekologisk synvinkel)
• Flytande och gasformiga bränslen
• Fast bränsle
• Biomassa (flis, växtrester, med mera...) • • • Biogas (gas från deponier, avloppsreningsverk, koksgas)
• Solenergi
• många fler...

Förutom Stirlingmotorn kan ingen annan motor använda en så bred grupp av olika källor för sin framdrivning.

Nackdelar med Stirlingmotorn

Som alla andra enheter har Stirling-motorn för- och nackdelar. Vi kan inkludera följande bland nackdelarna med denna motor:

• Lägre effekt-till-vikt-förhållande: Jämfört med förbränningsmotorer har Stirling-motorer ett lägre effekt-till-vikt-förhållande.
• Komplex design: Stirlingmotorer har en mer komplex design, vilket leder till högre produktionskostnader och mer besvärligt underhåll.
• Materialens komplexitet: Effektiv värmeöverföring mellan den varma och kalla kammaren är avgörande för optimal prestanda. Därför är kraven på tätningsmaterial höga och därmed produktionskostnaderna.

Användning av Stirling-motorn

Stirlingmotorn används i ett brett spektrum av applikationer på grund av dess mångsidighet och unika egenskaper:

• Strömgenerering: Stirlingmotorn kan generera elektricitet i avlägsna områden med hjälp av spillvärme eller förnybara energikällor som solenergi.
• Kogenerering: I kraftvärmesystem (CHP) kan en Stirlingmotor återvinna spillvärme från industriella processer eller byggnader, vilket ökar energieffektiviteten.
• Marinframdrivning: Stirlingmotorn används i ubåtar och andra örlogsfartyg för tyst drift och bränsleekonomi.
• Ryddfarkostkraft: Radioisotop Stirling-generatorer används som strömkälla för uppdrag i rymden, som NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).

Framtida innovationer

Stirlingmotorer är redo att spela en betydande roll i övergången till renare och effektivare energilösningar. Potentiella områden för framtida innovation inkluderar:

• Solenergi: Koncentrerade solenergisystem kan använda Stirling-motorer för att omvandla solljus till elektricitet, vilket erbjuder en förnybar resurs.
• Återvinning av spillvärme: Utvecklingen av avancerade material och design kan ytterligare förbättra effektiviteten hos Stirlingmotorer, vilket gör dem till ett attraktivt alternativ för återvinning av spillvärme och energibesparingar.
• Användning i fordon: Även om integreringen av Stirling-motorer i hybridfordonssystem kan bidra till att minska bränsleförbrukningen och utsläppen, även om den inte är utbredd ännu.

Intressanta fakta om Stirling-motorn

• Första patenterade motorn: Stirlingmotorn var den första patenterade motorn som fick sitt patent 1816, även före förbränningsmotorn.
• Säkerhetsinnovation: Stirlingmotorn utvecklades ursprungligen som ett säkrare alternativ till ångmotorer som är utsatta för explosioner på grund av högtrycksånga.
• Svenska ubåtar: Svenska marinen har använt Stirlingmotorer i sina Gotlandsklassade ubåtar sedan 1996, och drar fördel av motorernas tysta drift och effektivitet.
• Philips Electronics: På 1950-talet utvecklade Philips Electronics en rad Stirling-motorer för användning i radioapparater och andra små apparater, vilket hjälpte till att popularisera tekniken.
• Längst-körande Stirling-motor: Den längsta kontinuerliga Stirling-motorn finns vid University of Canterbury i Nya Zeeland. Denna motor, känd som Canterbury Ringbom, har varit i drift sedan 1986.

Vanliga frågor om Stirling-motorn

F: Kan en Stirling-motor användas i en bil?

Svar: Stirlingmotorn är ännu inte utbredd för bilbruk på grund av dess lägre effekt-till-vikt-förhållande och komplexitet. Den kan dock integreras i hybridfordonssystem för att förbättra bränsleeffektiviteten och minska utsläppen.

Fråga: Hur är effektiviteten hos en Stirlingmotor jämfört med en förbränningsmotor?

Svar: Stirlingmotorn kan uppnå högre termisk verkningsgrad jämfört med förbränningsmotorer, och uppnår ofta verkningsgrader på 30-40 % eller mer, medan förbränningsmotorer vanligtvis är runt 20-25 % effektiva.

Fråga: Vilka är de viktigaste faktorerna som påverkar effektiviteten hos en Stirlingmotor?

Svar: Effektiviteten hos en Stirlingmotor beror på flera faktorer, inklusive temperaturskillnaden mellan de varma och kalla kamrarna, utformningen av regeneratorn, arbetsgasen och mekaniska förluster i motorn.

F: Hur startar en Stirling-motor?

Svar: En Stirlingmotor kräver en extern värmekälla för att starta drift. När arbetsgasen värms upp och börjar expandera, startar motorn och fortsätter att gå så länge som värmekällan bibehålls.

F: Vilken arbetsgas används i en Stirlingmotor?

Svar: Arbetsgasen i en Stirlingmotor kan variera beroende på den specifika designen och tillämpningen. Vanligt använda gaser inkluderar luft, väte, helium och kväve.

Slutsats

Stirlingmotorn erbjuder en unik kombination av bränslemångsidighet, hög effektivitet och låga utsläpp, vilket gör det möjligt för ett brett spektrum av tillämpningar. Allt eftersom tekniken går framåt kommer potentialen för Stirling-motorn att öka, liksom dess användning inom olika områden.

Se en fungerande Stirlingmotor i en förminskad version: