Izdelava funkcionalnega modela Stirlingovega motorja

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Izdelava funkcionalnega modela Stirlingovega motorja

Benedikt Klanjšček

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Izdelava funkcionalnega modela Stirlingovega motorja

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Benedikt Klanjšček

Mentor: doc. dr. Boštjan Drobnič

Ljubljana, september 2021

(4)

(5)

Zahvala

Zahvaljujem se asistentu doc. dr. Boštjanu Drobniču pri pomoči izbire teme, vodenju skozi pisanje in strukturo dela zaključne naloge. Zahvala gre tudi Laboratoriju za termoenergetiko LTE in njihovim asistentom. Zahvaljujem se tudi profesorju dr. Mihaelu Sekavčniku za vodenje pri izbiri teme zaključne naloge. Zahvaljujem se tudi domačim za moralno podporo med študijem in pisanjem zaključne naloge.

(6)

vi

(7)

Izvleček

UDK 621.412:621.1.018(043.2) Tek. štev.: UN I/1476

Izdelava funkcionalnega modela Stirlingovega motorja

Benedikt Klanjšček

Ključne besede: Stirling

Stirlingovi motorji regenerator

delovni bat izpodrivni bat

Stirlingov proces je zaprti krožni proces z zunanjim zgorevanjem. Deluje na procesu regeneracije toplote, kar povečuje njegov izkoristek. Stirlingov cikel je sestavljen iz dveh izohor in dveh izoterm. Njegova prednost je da je zelo tih in ima dober izkoristek. To je eden izmed enostavnejših procesov, ki so okolju prijazni. Za njihov pogon je dovolj, če jih poganja odpadna toplota. Pomembna značilnost Stirlingovega motorja je še da se toplota dodaja in odvzema prek vgrajenih prenosnikov toplote. Cilj naloge je narediti funkcionalni model od katerega se ne zahteva velike natančnosti saj na njem ne bomo izvajali meritev.

Ključni poudarek je na prikazu teoretičnega delovanja na preprostem modelu Stirlingovega motorja. Lahko bi rekli, da je največji rezultat te naloge model na katerem je mogoče enostavno prikazati delovanje Stirlingovega motorja tipa gama.

(8)

viii

Abstract

UDC 621.412:621.1.018(043.2) No.: UN I/1476

Construction of functional model of Stirling engine

Benedikt Klanjšček

Key words: Stirling

Stirling engine regenerator power piston displacer piston

Stirling process is a closed circular process with external combustion. It works on the principle of heat regeneration, which increases its efficiency. Stirling cycle consists of two isohor and two isoterms. Its advantage is that it is very quiet and has a good efficiency. This is one of the simpler processes that are environmentally friendly. For their drive, it is sufficient if it is driven by waste heat. Another important feature of the Stirling engine is that heat is added and removed via built-in heat exchangers. The goal of the task is to make a functional model from which no precision is required since we will not perform measurements. The key focus is on the disply of theoretical operation on the simple model of the Stirling engine. You could say that the maximum result of this task is a model on which it can be easily desplayed the operation of the Stirling engine type gama.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Seznam uporabljenih simbolov ... xiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Značilnosti Stirlingovih motorjev ... 3

2.2 Prednosti in slabosti Stirlingovega motorja ... 4

2.3 Komponente Stirlingovih motorjev ... 5

2.3.1 Vir toplote ... 5

2.3.2 Topli prenosnik toplote ... 5

2.3.3 Regenerator ... 5

2.3.4 Hladni prenosnik toplote ... 6

2.3.5 Ponor toplote ... 6

2.3.6 Izpodrivni bat: ... 6

2.3.7 Delovni bat: ... 7

2.3.8 Vztrajnik: ... 7

2.4 Vrste Stirlingovih motorjev ... 7

2.4.1 Alfa oblika ... 7

2.4.2 Beta oblika ... 8

2.4.3 Gama oblika ... 8

2.5 Opis idealnega Stirlingovega cikla ... 9

2.6 Delo in izkoristek Stirlingovega cikla ... 10

2.7 Delovni medij v Stirlingovem motorju ... 15

2.7.1 Vodik ... 15

2.7.2 Helij ... 15

2.7.3 Zrak in dušik ... 15

2.8 Primeri konkretne uporabe ... 16

2.8.1 Kogeneracija (SPTE) ... 16

2.8.2 Generacija elektrike prek sonca ... 16

(10)

x

2.8.3 Plovila ... 17

2.8.4 Izobraževalni nameni ... 17

2.8.5 Vesolje ... 17

2.8.6 Stirlingove toplotne črpalke za ogrevanje in hlajenje ... 17

2.9 Obstoječi eksperimentalni modeli Stirlingovih motorjev ... 18

3 Metodologija raziskave ... 19

3.1 Izbira tipa motorja ... 19

3.2 Izdelava začetnega modela motora ... 19

3.3 Problematika začetne konstrukcije ... 20

3.4 Skica modela 1 ... 24

3.5 Problematika konstrukcije modela 1 ... 26

3.5.1 Tesnjenje pri ojnici izpodrivnega bata ... 26

3.5.2 Tesnjenje delovnega bata ... 27

3.5.3 Konstrukcija izpodrivnega bata ... 28

3.5.4 Pocinkana žica ... 29

3.5.5 Povezovanje ojnic na ročično gred ... 29

3.5.6 Podprtje glavne gredi ... 30

3.5.7 Povezava toplega dela valja in delovnega bata ... 30

3.5.8 Pritrditev vztrajnika ... 30

3.5.9 Izdelava lesenega ogrodja ... 30

3.6 Problematika konstrukcije modela 2 ... 31

4 Rezultati in diskusija ... 40

5 Zaključki ... 42

Literatura ... 43

(11)

Kazalo slik

Slika 2.1: Alfa Stirlingov motor v V-postavitvi [12] ... 7

Slika 2.2: Beta Stirlingov motor [12] ... 8

Slika 2.3: Gama Stirlingov motor [12] ... 9

Slika 2.4: Komponente gama Stirlingovega motorja [3] ... 9

Slika 2.5: Diagrama p-V in T-S Stirlingovega cikla pri popolni regeneraciji [1] ... 11

Slika 2.6: Diagrama p-V in T-S Stirlingovega cikla pri delni regeneraciji toplote [1] ... 11

Slika 2.7: Graf izkoristka Stirlingovega motorja v odvisnosti od moči za delovne pline [3] ... 16

Slika 2.8: Elektrarna ustvarjena od SES [15] ... 17

Slika 2.9: Model gama Stirlingovega motorja na YT [16] ... 18

Slika 3.1: Prvotna skica Stirlingovega motorja ... 20

Slika 3.2: Izvedba bata in tesnjenja pri delavnem batu na začetnem modelu ... 21

Slika 3.3: Pritrditev ojnice regenerativnega bata na gred prek ročičnega mehanizma ... 21

Slika 3.4: Dve izvedbi regeneratorja, oz. regenerativnega bata ... 22

Slika 3.5: Pritrditev ojnice delovnega bata na ročično gred z ležajem ... 22

Slika 3.6: Pritrditev vztrajnika na gred ... 23

Slika 3.7: Tloris sheme celotnega začetnega modela Stirlingovega motorja ... 24

Slika 3.8: Naris sheme celotnega začetnega modela Stirlingovega motorja ... 24

Slika 3.9: Prvotna skica Stirlingovega motorja ... 25

Slika 3.10: Prikaz prvega modela Stirlingovega modela ... 26

Slika 3.11: Pritrditev ojnice izpodrivnega bata na gred prek ročičnega mehanizma ... 27

Slika 3.12: Izvedba bata in tesnjenje pri delovnem batu iz zgornje in spodnje strani ... 28

Slika 3.13: Nekatere izvedbe izpodrivnih batov ... 28

Slika 3.14: Pritrditev ojnice izpodrivnega bata na ročično gred ... 29

Slika 3.15: Prikaz lesene konstrukcije ... 31

Slika 3.16: Prikaz izolatorja in njegova namestitev ... 32

Slika 3.17: Zmanjšanje ohlapnega ujema na toplem delu bata ... 32

Slika 3.18: Primerjava višine regenerativnega bata in delovnega prostora motorja ... 33

Slika 3.19: Prikaz regenerativnih batov ... 33

Slika 3.20: Prikaz odprtega regenerativnega bata ... 33

Slika 3.21: Pogled od spodaj, ki prikazuje pritrditev lesene konstrukcije in prepono ... 34

Slika 3.22: Pogled od zgoraj, ki prikazuje prepono ... 34

Slika 3.23: Rezervoar za hladilno sredstvo ... 35

Slika 3.24: Povezovalni deli z vrvico ... 35

Slika 3.25: Povezava ojnice regenerativnega bata na glavno gred ... 36

Slika 3.26: Povezava ojnic na glavno gred ... 36

Slika 3.27: Gorilnik ... 37

Slika 3.28: Vztrajnik ... 37

Slika 3.29: Tesnjenje kovinskega pokrova in plastičnega razdelilnika z lepilnim trakom ... 38

(12)

xii Slika 3.30: Prikaz končne izvedbe Stirlingovega motorja... 39

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

cp J/(kg K) specifična izobarna toplota

cv J/(kg K) specifična izohorna toplota

m kg masa

ṁ kg/s masni tok

n mol množina snovi

p Pa, bar tlak

P W moč

Q J toplota

Q̇ J/s=W toplotni tok

q J/kg specifična toplota

Rm J/(mol K) splošna plinska konstanta

s J/(kg K) specifična entropija

T ºC, K temperatura, absolutna temperatura

V m³ volumen

W J delo

w J/kg specifično delo, specifična energija

σ / stopnja regeneracije toplote

η / energijski izkoristek

Indeksi

do dovedeni

do,R dovedeni ob regeneraciji

max maksimalni

min minimalni

od odvedeni

od,R odvedeni ob regeneraciji

p tlak

p procesa

R regeneracije

t termični

tp tehnični procesa

tE tehnični ekspanzije

tK tehnični kompresije

v volumen

(14)

xiv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

PVC polivinil klorid

SPTE sočasna proizvodnja toplote in elektrike

(15)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Vsi motorji imajo enak skupni namen, in sicer je to, da z njimi ustvarjamo koristno mehansko delo. Pridobljeno delo je nato možno uporabiti za različne namene. Pri tem pa seveda ne gre brez upoštevanja okoljevarstvenih zahtev in standardov.

Toplotni stroj je naprava, ki pretvori toplotno energijo v mehansko energijo. Toplotne stroje lahko razdelimo na motorje z zunanjim in notranjim zgorevanjem. Motor pri katerem gorivo zgori zunaj motorja je motor z zunanjim zgorevanjem, medtem ko pri motorju z notranjim zgorevanjem gorivo zgori znotraj motorja. Motor, ki deluje na principu Carnotovega ali Stirlingovega cikla je motor z zunanjim zgorevanjem. V primeru, da motor deluje na principu Ottovega ali Dieslovega cikla, pa gre za motor z notranjim zgorevanjem.

Poznamo različne tipe Stirlingovih motorjev, pri katerih želimo čim boljši termični izkoristek glede na količino dovedene toplote. Toplotni stroji delujejo na principu temperaturne razlike, ki ima vpliv tudi na izkoristek. Višji izkoristek lahko dosežemo z uporabo regeneratorja toplote, ki je prenosnik toplote, in omogoči, da je neizkoriščeno toploto mogoče ponovno uporabiti. Uporaba regeneratorja toplote je glavna razlika po kateri se Stirlingov motor razlikuje od drugih motorjev z zaprtim procesom z vročim zrakom.

Stirlingov motor deluje na ciklični kompresiji in ekspanziji zraka ali drugih plinov pri temperaturni razliki, tako da imamo neto pretvorbo toplotne energije v mehansko delo.

Stirlingov motor je zaprti proces, kar pomeni, da je delovni medij vedno zaprt znotraj termodinamskega sistema.

1.2 Cilji

V zaključni nalogi smo si zadali naslednje cilje, ki smo si jih želeli v čim večji meri izpolniti:

‐ popisati delovanje splošnega Stirlingovega motorja,

‐ popisati različne tipe Stirlingovih motorjev,

‐ popisati razloge za uporabo Stirlingovih motorjev danes,

(16)

Uvod

2

‐ izdelati funkcionalni model Stirlingovega motorja z uporabo materialov in orodij dostopnih v povprečnem gospodinjstvu. Poudariti je potrebno, da s tem modelom ne nameravamo delati meritev, temveč skušamo z njim opisati splošno delovanje na preprostem modelu Stirlingovega motorja,

‐ utemeljiti rezultate eksperimentalnega modela Stirlingovega motorja.

Pričakujemo, da se bodo teoretični rezultati enaki oziroma zelo podobni praktičnim raziskavam izdelanemu eksperimentalnemu sistemu. Tveganje, da želenih rezultatov ne bi dosegli je predvsem zaradi zahtevnosti doseganja točnosti toleranc sestavnih delov motorja, ker smo v našem primeru predvsem omejeni z orodjem, ki ga imamo na razpolago in to posledično vpliva na to kakšen material lahko uporabimo, oblikujemo in pa tudi kakšno natančnost izdelave lahko dosežemo. Druga nevarnost, da model Stirlingovega motorja ne bi deloval je tesnjenje, ki je pri zaprtih procesih, kamor sodi tudi Stirlingov proces, zelo pomembno. V kakšni meri bodo ta tveganja in nevarnosti vplivala na končni rezultat diplomske naloge, bo vidno v zadnji fazi zaključne faze.

V tej nalogi bomo pregledali literaturo, kot so spletni članki, ter knjige iz knjižnice, ki se poglabljajo v delovanje Stirlingovega krožnega procesa ter Stirlingovega motorja.

Osredotočili se bomo na samo delovanje Stirlingovega motorja, saj sam numerični pristop konstrukcije motorja ni naša prioriteta. Hkrati bomo teoretično z diagrami in enačbami razložili sistem delovanja Stirlingovega motorja. Zatem bomo določili najprimernejši tip Stirlingovega motorja za izdelavo, tako s stališča enostavnosti kot tudi s stališča sposobnosti izdelave z orodjem, ki ga imam na voljo. Po konstrukciji modela Stirlingovega motorja bomo naredili eksperiment ter analizirali kakšni so problemi oziroma težave, ki nastopajo pri njegovem obratovanju. Pridobljene rezultate bomo diskutirali ter razmislili bomo o možnih izboljšavah motorja. Za konec pa se bomo ozrli na opravljeno delo in predlagali nadaljnjo raziskovanje na to tematiko.

(17)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Značilnosti Stirlingovih motorjev

Ti motorji imajo izkoristek 36 % [1]. Na splošno pa velja tudi, da Stirlingov motor daje boljše izkoristke v hladnem okolju [2]. Proizvedeno koristno delo je močno povezano s principom regeneracije toplote, ki je bistvo Stirlingovega motorja, namreč s popolno regeneracijo lahko motor celo doseže Carnotski, največji možni izkoristek [3].

Ker je to volumetrični batni stroj z zunanjim zgorevanjem, to pomeni, da se delovnemu mediju dovaja toplota zunaj motorja [3]. Poleg tega pa ker je krožni proces zaprt, pomeni, da se delovni plin ne izmenjuje z okolico motorja, zato nimamo problemov s kontaminacijo delovnega plina, saj zgorevanje poteka zunaj motorja [4]. Zaradi zaprtega procesa pa mora biti toplota za pogon Stirlingovega motorja prenesena od toplotnega vira prek prenosnikov toplote, na delovni plin in končno na hladen toplotni rezervoar [5].

Zaradi visokih izgub delovnega plina, ki obteka izpodrivni bat je vrtilna frekvenca Stirlingovega motorja manjša. Želimo si imeti nizek masni tok, saj na ta način zmanjšamo toplotne izgube, ki ga lahko vzdržujemo s tekočino z nizko viskoznostjo ali visokim delovnim tlakom [4].

Delovni medij Stirlingovega motorja se nahaja v dveh ločenih prostorih in se skrči v hladnem delu valja motorja ter ekspandira v toplem delu valja in na tak način prek toplote ustvarjamo koristno delo [3]. V idealnem procesu imamo dve izotermi in dve izohori. Od motorjev na vroč zrak se loči po dodanem regeneratorju [1].

Zaradi njegove običajno velike velikosti in teže, ki se pojavljata predvsem zaradi velikosti hladilnih reber, je najbolj primeren je v stacionarnih napravah [4].

Stirlingov motor je mogoče povezati z neobičajnimi in obnovljivimi viri energije za njegov pogon. Možne vrste goriv za vir toplote so: alkohol, bioproizvodi, ali odpadne pline,… [6]

Pri motorjih z notranjim zgorevanjem imamo večjo srednjo temperaturo odvoda toplote naparam bilo katerih Stirlingovih motorjev. To pa zato ker pri motorju z notranjim zgorevanjem imamo za kratek čas zelo visoke temperature, pri Stirlingovem motorju pa

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

4 konstantno dovajamo toploto pri nižjih temperaturah, ker se toplota dovaja motorju prek prevoda toplote skozi motor in material ne bi zdržal kritično visokih temperatur [4].

Stirlingov je primeren za uporabo, kjer veljajo naslednje zahteve [2]:

‐ kjer je potrebno poganjanje motorja iz različnih virov toplote,

‐ na voljo je zelo dober vir hlajenja,

‐ potrebno je tiho delovanje,

‐ dovoljena je relativno nizka hitrost,

‐ operacija stalnega izhoda napajanja je dovoljena,

‐ počasno spreminjanje moči motorja je dovoljeno,

‐ dovoljeno je dolgo obdobje ogrevanja,

‐ kjer imamo majhno temperaturno razliko in rabimo relativno majhen vir energije.

2.2 Prednosti in slabosti Stirlingovega motorja

Prednosti takega motorja so [3, 6, 7, 8, 4]:

‐ Stirlingov motor je povezan z zeleno pridobljeno energijo, zaradi zmožnosti uporabe odpadne toplote in s tem zmanjšuje emisije v okolje,

‐ odpadno toploto lahko preprosto pridobimo, zaradi česar so Stirlingov motorji uporabni za toplotne in napajalne sisteme z dvojnim izhodom,

‐ zmanjšanje emisij zaradi konstantnega dovoda, ki je tu možen, saj občasno zgorevanje v motorju z notranjim zgorevanjem močno poveča količino emisij,

‐ imajo visok izkoristek, v primeru kogeneracije SPTE do 90 %,

‐ z dobro premišljeno konstrukcijo Stirlingovega motorja lahko tesnila in ležaje postavimo na hladno stran Stirlingovega motorja ter na ta način zmanjšamo porabo maziva,

‐ ker je proces zaprt nastopajo relativno enostavni mehanizmi konstrukcije in ni nevarnosti kontaminacije z delavnim plinom,

‐ ker je to motor z zunanjim zgorevanjem dovod zraka v motor ni potreben in tako je lahko vir toplote preprostejši,

‐ deluje brez velikega onesnaževanja s hrupom v okolico, ker nimamo eksplozij v motorju,

‐ potrebuje malo vzdrževanja,

‐ nizek delovni tlak dovoljuje uporabo nekoliko lažjih batov,

‐ z uporabo enofaznega delovnega plina zmanjšamo nevarnost eksplozije,

‐ relativno enostavni zagon čeprav počasen po ogrevanju,

‐ ima veliko različnih aplikacij,

‐ so izjemno prilagodljivi, lahko jih uporabljamo kot hladilnike ali SPTE,

‐ imajo veliko delovno sposobnost.

Ter slabosti takega motorja so [3, 6, 7, 8, 4]:

‐ prenosnike toplote se uporablja za dovod in odvod toplote iz Stirlingovega motorja,

‐ ekonomski vidik, saj visoka cena materiala in montaža toplotnega prenosnika predstavljata okrog 40 % celotne cene motorja. Cena materiala je visoka predvsem zaradi prenosnikov toplote, saj morajo biti odporni na visoko temperaturo, zato mora biti material odporen na korozijo in imeti nizko lezenje,

(19)

‐ ker je zgorevanje konstantno zunaj bata je temperatura ekspanzije v motorju vedno samo enaka ali manjša od temperature vira toplote, kar predstavlja dodatne metalurške zahteve za topli del motorja,

‐ odpadno toploto odvajamo tako da povečamo površino hladilnih reber. To povečanje velikosti motorja ustvari slabo razmerje med močjo in maso motorja, oziroma motor ima majhno specifično moč še posebno pri majhni temperaturni razliki,

‐ zaradi zunanjega zgorevanja imajo počasen zagon, saj se morajo ogreti,

‐ Stirlingovi motorji imajo običajno nizko vrtilno frekvenco, ki jo je težko spreminjat. Zato so najprimernejši za delovanje pri konstantni vrtilni frekvenci. Za regulacijo hitrosti pa je potrebna posebna konstrukcija z dodatno vgrajenimi mehanizmi za spreminjanje premikov motorja, faznega kota, obremenitve motorja in količine delovnega plina.

2.3 Komponente Stirlingovih motorjev

2.3.1 Vir toplote

Vir toplote lahko dobimo na različne načine. Kot vir lahko uporabimo celo odpadno toploto, ki jo lahko enostavno dobimo, kot odpadno toploto lahko prevzamemo bilo kateri vir toplote, ki bi jo drugače zavrgli v okolico, ta vir se običajno dobi iz industrijskih obratov [3]. Ker je proces zaprt lahko uporabljamo tudi pline, ki bi notranjost drugih motorjev lahko močno poškodovali, na primer plin, ki ga naredimo iz organskih odpadkov [4]. Možni viri toplote pa lahko dobimo še prek sonca, jedrskega reaktorja, bioenergije in geotermalne energije [4].

2.3.2 Topli prenosnik toplote

Toplotni prenosnik lahko predstavlja kar tople stene dela motorja, to velja predvsem za motorje, ki proizvajajo manjšo izhodno moč in so zato manjši. Večji prenosniki toplote, z večjo površino, pa se zahtevajo za motorje, ki imajo večjo izhodno moč. Običajno je prenosnik toplote narejen kot rebra, ki se nahajajo v notranjosti kot tudi zunaj motorja, ali kot sklop tankih cevk. Pri njegovi konstrukciji se moramo zavedati, da prenosnik toplote predstavlja ravnotežje med visokim prenosom toplote z nizkimi viskoznimi črpalnimi izgubami in majhnim mrtvim prostorom. Kjer so potrebni visoko temperaturni toplotni prenosniki so ti običajno narejeni iz zlitin, da ohranjajo trdnost pri visokih temperaturah [4].

2.3.3 Regenerator

Regenerator si lahko predstavljamo kot nekakšen rezervoar za toploto, ki toploto zadrži oziroma odda, ko delovni plin prehaja skozi njega, glede na smer premikanja plina. Toploto regenerator sprejme, ko se plin premakne iz toplega dela motorja na hladni del, in jo odda, ko se plin premakne iz toplega na hladni del motorja. Lahko bi rekli, da je regenerator notranji prenosnik toplote, katerega namen je ohranitev toplote, ki bi drugače odšla iz

(20)

6 motorja v okolico neizkoriščena. To dejstvo povzroči povečanje toplotnega izkoristka do meje kjer je primerljiv s Carnotovim [4].

Ker se nam je povečal izkoristek, to pomeni, da se nam je povečala tudi izhodna moč.

Regenerator pa ne bo proizvedel teoretično idealno povečanje moči, ker se z uporabo regeneratorja povečamo tudi mrtvi prostor in črpalne izgube. Z nizko poroznostjo lahko nekoliko zmanjšamo mrtvi prostor [4].

Regenerator je običajno narejen iz drobne kovinske mreže žic ali volne. Zanj si želimo, da ima veliko površino, visoko specifično toploto, nizko prevodnost in nizko trenje toka. Žične osi regeneratorja se postavljene pravokotno na tok delovnega medija, ker s tem zmanjšamo prevodnost v tej smeri in poveča konvektivni prenos toplote [4].

Motorji z nizko temperaturno razliko, nimajo regeneratorja in bi jih lahko šteli za motorje z vročim zrakom, vendar majhno količino regeneracije zagotavlja površina samega izpodrivnega bata in bližnjo steno valja [4].

2.3.4 Hladni prenosnik toplote

Toplotni prenosnik lahko predstavlja kar hladne stene dela motorja, to velja predvsem za motorje, ki proizvajajo manjšo izhodno moč in so zato manjši. Pri motorjih, ki imajo večjo izhodno moč je narejen hladilnik, ki uporablja hladilno tekočino kot je voda za prenos toplote [4].

2.3.5 Ponor toplote

Običajno je to okolica, vendar pri motorjih z večjo izhodno močjo potrebujemo hladilnik ki izboljša prenos toplote na okoliško tekočino. Pri ladijskih motorjih si kot okolico lahko predstavljamo kar vodo, ki jo lahko kasneje uporabljamo tudi za ogrevanje. Temperatura ponora toplote mora biti vedno nižja od temperature dovoda, to lahko zagotovimo tudi z uporabo tekočega dušika. [4]

2.3.6 Izpodrivni bat:

Imamo ga v Stirlingovih motorjih tipa beta in gama. Njegov namen je premikanje plina med toplimi in hladnimi prenosniki toplote. Lahko je zatesnjen na valj ali ne, odvisno od posamezne izvedbe [4].

Ekspanzijskemu batu v motorju pa lahko rečemo tudi izpodrivni bat, oziroma v primeru ko je nanj nameščen še regenerator ga lahko imenujemo tudi regenerativni bat [4].

(21)

2.3.7 Delovni bat:

Prenaša tlak na ročično gred, pri ekspanziji [3]. Poganja vztrajnik prek ročičnega mehanizma [6]. Delovnemu batu v Stirlingovemu motorju lahko rečemo tudi kompresijski bat [4].

2.3.8 Vztrajnik:

Ima nalogo, da ohranja moment. Po ekspanziji zagotovimo z vztrajnikom dovolj sile na ročični mehanizem, da delovni bat dobi dovolj sile, da izvede kompresijo [4].

2.4 Vrste Stirlingovih motorjev

Ločimo tri glavne tipe Stirlingovih motorjev, ki se razlikujejo po tem, kako premikajo delovni plin med hladnim in toplim delom motorja.

2.4.1 Alfa oblika

Imamo dva delovna bata, ker je eden topli drugi pa hladni. Na obeh valjih so nameščeni prenosniki toplote, kot je vidno na sliki 2.1. V cev, ki povezuje hladni in topli valj pa je nameščen regenerator. Topli bat ima običajno posebno oblikovano glavo, tako da so tesnila pomaknjena stran od dela valja kjer so najvišje temperature, vendar s tem povečamo območje mrtvega prostora. Fazni kot močno vpliva na izkoristek in se ga določa eksperimentalno [4].

Slika 2.1: Alfa Stirlingov motor v V-postavitvi [12]

(22)

8

2.4.2 Beta oblika

Oba delovni in izpodrivni bat se tu nahajata v istem valju s hladnim in toplim delom, ki sta opremljena z ustreznimi prenosniki toplote kot je prikazano na sliki 2.2. Običajno deluje v kombinaciji z rombičnim mehanizmom. Izpodrivni bat tvori ohlapni ujem, katerega naloga je zgolj premikanje delovnega plina med toplim in hladnim koncem valja. Regenerator je običajno nameščen na izpodrivni bat, kot žična mreža. Ojnici batov sta nameščeni na ročično gred tako da dobimo fazno razliko 90° [4].

Slika 2.2: Beta Stirlingov motor [12]

2.4.3 Gama oblika

Valja sta povezana na hladnem delu tako, da je po celotnem motorju isti tlak, kjer je v enem valju izpodrivni, v drugem valju pa delovni bat. Valj, v katerem se nahaja izpodrivni bat, ima nameščena hladni in topli prenosnik toplote. Bata sta običajno postavljena vzporedno, njuni ojnici pa sta 90 stopinj iz faze na ročični gredi. Njegov model je prikazan na sliki 2.3.

Ta oblika motorja je primerna za motorje z več valji, in ustvarja nizko kompresijsko razmerje zaradi večjega volumna [4].

(23)

Slika 2.3: Gama Stirlingov motor [12]

2.5 Opis idealnega Stirlingovega cikla

Idealni Stirlingov proces je sestavljen iz dveh izohor in dveh izoterm, ki predstavljata kompresijo in ekspanzijo. V opisu cikla so poimenovane komponente, ki so prikazane na sliki 2.4. Idealni Stirlingov proces lahko opišemo v naslednjih stopnjah [3, 1, 9, 14].

Slika 2.4: Komponente gama Stirlingovega motorja [3]

(24)

10 V enačbah (2.1), (2.2), (2.3) in (2.4) je prikazano kaj se dogaja s ključnimi spremenljivkami, med procesom.

1-2: izotermna kompresija

𝑇 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡., 𝑤₁₂< 0, 𝑞₁₂< 0 (2.1)

Plin komprimiramo s kompresijskim batom, kar pomeni, da se ta premakne iz zgornje mrtve lege proti spodnji mrtvi legi. Hkrati oddajamo toploto hladnemu rezervoarju, tako da se ohranja konstantna temperatura plina. Ker smo toploto oddali, se nam entropija zmanjša.

Potrebno delo za kompresijo dobimo iz vztrajnika, ki je shranil za to potrebno energijo.

2-3: izohorni dovod toplote

𝑣 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡., 𝑤₂₃< 0, 𝑞₂₃= 0, 𝑞_R> 0 (2.2)

Delovni plin se je prisiljen premakniti proti ekspanzijskemu območju, to je toplemu delu valja, skozi regenerator zaradi gibljivih batov. V tem procesu volumen ostaja enak, medtem ko temperatura naraste od minimalne proti maksimalni temperaturi cikla zaradi prenosa topote iz regeneratorja na plin, zato se nam ustrezno poveča entropija.

3-4: izotermna ekspanzija

𝑇 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡., 𝑤₃₄> 0, 𝑞₃₄> 0 (2.3)

Delovni plin ekspandira, tako ustvari koristno delo ter pomakne ekspanzijski bat. To se zgodi pri konstantni temperaturi, ker toploto konstantno dovajamo iz vročega dela valja, ki je gret prek zunanjega vira toplote. Zaradi dovedene toplote tudi entropija naraste. Poudariti je potrebno še, da je količina ekspanzijskega dela, ki smo ga ustvarili večja kot količina dela, ki smo ga potrebovali pri kompresiji, na ta način ustvarjamo neto pozitivno količino dela.

4-1: izohorni odvod toplote

𝑣 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡., 𝑤₄₁> 0, 𝑞₄₁= 0, 𝑞_R < 0 (2.4)

Delovni plin je pomaknjen proti kompresijskemu prostoru skozi regenerator zaradi gibljivih batov. V tem procesu zaradi prenesene toplote iz plina na regenerator volumen plina ostaja konstanten in temperatura plina pade iz maksimalne proti minimalni temperaturi.

2.6 Delo in izkoristek Stirlingovega cikla

Predpostavke [3]:

Uporaba enačbe stanja idealnega plina, to je enačbe (2.5):

𝑝 ⋅ 𝑉 = n ⋅ 𝑅_𝑚⋅ 𝑇 (2.5)

(25)

Druge predpostavke v tem ciklu [3]:

‐ delovni medij je idealni plin,

‐ prevodnost in upor zaradi toka sta zanemarljiva,

‐ izgube zaradi trenja so zanemarljive,

‐ izotermna ekspanzija in kompresija.

Delo krožnega procesa Stirlingovega motorja je enako vsoti vseh toplot oz. razliki med ekspanzijskim in kompresijskim tehničnim delom. To delo je določeno prek enačbe stanja idealnega plina.

Slika 2.5: Diagrama p-V in T-S Stirlingovega cikla pri popolni regeneraciji [1]

Slika 2.6: Diagrama p-V in T-S Stirlingovega cikla pri delni regeneraciji toplote [1]

(26)

12 Na slikah 2.5 in 2.6 je razvidno obočje regenerativno ohranjene toplote, kot šrafirana površina v diagramu T-S. V diagramu p-V predstavlja površina pod grafom delo. V diagramu T-S predstavlja površina pod grafom toploto.

Predpostavke v primeru popolne regeneracije toplote:

‐ izoterme so prikazane v enačbah (2.6) in (2.7),

𝑇₁= 𝑇₂= 𝑇_min (2.6)

𝑇₃= 𝑇₄= 𝑇_max (2.7)

‐ izohore so prikazane v enačbah (2.8) in (2.9),

𝑣₁ = 𝑣₄= 𝑣_max (2.8)

𝑣₂= 𝑣₃= 𝑣_min (2.9)

‐ tlaki so prikazane v enačbah (2.10) in (2.11).

𝑝₃= 𝑝_max (2.10)

𝑝₁ = 𝑝_min (2.11)

Spodaj so prikazane dovedeni in odvedeni toplotni tokovi v enačbah (2.12), (2.13), (2.14) in (2.15).

𝑄̇₂₃= 𝑚̇ ⋅ 𝑐_𝑣⋅ (𝑇_max− 𝑇_min) (2.12)

𝑄̇₄₁= −𝑄̇₂₃ (2.13)

𝑄̇₃₄= 𝑚̇ ⋅ 𝑇_max⋅ (𝑠₄− 𝑠₃) = 𝑚̇ ⋅ 𝑇_max⋅ (𝑐_𝑝⋅ ln𝑇₄

𝑇₃− 𝑅 ⋅ ln𝑝₄ 𝑝₃)

= 𝑚̇ ⋅ 𝑇_max⋅ 𝑅 ⋅ 𝑙𝑛𝑝₃ 𝑝₄

(2.14)

𝑄̇₁₂ = 𝑚̇ ⋅ 𝑇_min⋅ (𝑠₂− 𝑠₁) = 𝑚̇ ⋅ 𝑇_min⋅ (𝑐_𝑝⋅ ln𝑇₂

𝑇₁− 𝑅 ⋅ ln𝑝₂ 𝑝₁)

= −𝑚̇ ⋅ 𝑇_min⋅ 𝑅 ⋅ ln𝑝₂ 𝑝₁

(2.15)

Iz obeh izohor, ki se pojavita v ciklu lahko zapišemo enačbi (2.16) in (2.17):

𝑝₂ 𝑇₂ =𝑝₃

𝑇₃ (2.16)

(27)

𝑝₁ 𝑇₁ =𝑝₄

𝑇₄ (2.17)

Zgornji dve enačbi (2.16) in (2.17) lahko obrnemo in dobimo:

𝑝2

𝑝₃=𝑇2

𝑇₃ (2.18)

𝑝₁ 𝑝₄ =𝑇₁

𝑇₄ =𝑇₂

𝑇₃ (2.19)

V zgornji drugi enačbi (2.19) smo dodatno upoštevali še izoterme. Na koncu ugotovimo, da lahko zapišemo naslednje razmerje tlakov enačba (2.20), iz enačb (2.18) in (2.19):

𝑝₂ 𝑝₁ =𝑝₃

𝑝₄ (2.20)

Izračun tehničnega dela procesa je enaka vsoti vseh toplot procesa, enačba (2.21). Nato v enačbo (2.21) vstavimo toplote, podobno kot so zapisani toplotni tokovi za celotni proces, enačbe (2.12), (2.13), (2.14) in (2.15). Na koncu po preureditvi enačbe (2.23) dobimo enačbo (2.24). V primeru popolne regeneracije toplote velja:

𝑊_tp = 𝑄_p= 𝑊_tE− 𝑊_tK= 𝑄_do+ 𝑄_od (2.21)

𝑊_tp = 𝑄₃₄− |𝑄₁₂| (2.22)

𝑊_tp = 𝑚 ⋅ 𝑇_max⋅ 𝑅 ⋅ 𝑙𝑛𝑝₃

𝑝₄− 𝑚 ⋅ 𝑇_min⋅ 𝑅 ⋅ ln𝑝₂

𝑝₁ (2.23)

𝑊_t_p = 𝑚 ⋅ 𝑅 ⋅ (𝑇_max− 𝑇_min) ⋅ ln𝑝₂

𝑝₁ (2.24)

Za izračun mehanske moči, ki jo lahko pridobimo iz procesa v enačbo (2.25) vstavimo enačbe (2.12), (2.13), (2.14) in (2.15). V primeru popolne regeneracije, dobimo enačbo (2.26).

𝑃 = 𝑄̇_do− |𝑄̇_od| (2.25)

𝑃 = 𝑄̇₃₄+ 𝑄̇₂₃− |𝑄̇₄₁+ 𝑄̇₁₂| = 𝑄̇₃₄− 𝑄̇₁₂ (2.26) Izračun izkoristka krožnega procesa oz. termodinamičnega izkoristka predstavljata enačbi (2.27) in (2.28):

(28)

14 𝜂 =𝑊_tp

𝑄_do= 𝑄̇_p 𝑄̇_do= 𝑃

𝑄̇₃₄=𝑄̇₃₄− 𝑄̇₁₂

𝑄̇₃₄ (2.27)

𝜂 =

𝑚̇ ⋅ 𝑅 ⋅ (𝑇_max− 𝑇_min) ⋅ 𝑙𝑛𝑝₂ 𝑝₁ 𝑚̇ ⋅ 𝑅 ⋅ 𝑇_max⋅ 𝑙𝑛𝑝₂

𝑝₁

= 1 −𝑇_min

𝑇_max (2.28)

Iz zgornjega zapisa vidimo, da je enačba za izkoristek (2.28) enaka Carnotovemu izkoristku.

Večja kot je temperaturna razlika med hladnim in toplim delom Stirlignovega motorja, večji je izkoristek.

Izračun za upoštevanje stopnje regeneracije toplote σ. Stopnjo regeneracije lahko izračunamo po enačbi (2.29):

𝜎 = 𝑇₂^′− 𝑇_min

𝑇_max− 𝑇_min= 𝑇_max− 𝑇₄^′

𝑇_max− 𝑇_min (2.29)

Izračun dovedenega toplotnega toka ob upoštevanju stopnje regeneracije toplote je viden v enačbi (2.31), pri tem upoštevamo tudi spremenjeni dovedeni toplotni tok v enačbi (2.30).

𝑄̇₂^′₃= 𝑚̇ ⋅ 𝑐_𝑣⋅ (𝑇_max− 𝑇₂^′) (2.30)

𝑄̇_do,R= 𝑄̇₂^′₃+ 𝑄̇₃₄ (2.31)

Izračun odvedenega toplotnega toka ob upoštevanju stopnje regeneracije toplote sem zapisal v enačbi (2.33), pri tem smo upoštevali tudi spremenjeni odvedeni toplotni tok v enačbi (2.32).

𝑄̇₄^′₁= −𝑄̇₂^′₃ (2.32)

𝑄̇_od,R= 𝑄̇₄^′₁+ 𝑄̇₁₂ (2.33)

Izračun izkoristka ob upoštevanju stopnje regeneracije toplote je prikazan v enačbi (2.34):

η_R= 𝑃

𝑄̇_do,R=𝑄̇_do,R− |𝑄̇_od,R|

𝑄̇_do,R (2.34)

V idealnem Stirlingovem ciklu imamo dva izohorna procesa in dva izotermna procesa, v idealnem Carnotovem krožnem procesu pa imamo dve izotermi in dve izentropi. Zato imamo na voljo več dela v Stirlingovem kot v Carnotovem ciklu, saj je neto površina pod krivuljo v diagramu p-V večja. Zato ni potrebe po visokih tlakih ali velikih prostorninah.

(29)

2.7 Delovni medij v Stirlingovem motorju

Gre za plin, ki v motorju opravlja delo. Delovni medij v Stirlingovem motorju naj bi imel naslednje lastnosti [3]:

‐ Visoko toplotno prevodnost

‐ Nizko specifično toplotno kapaciteto (to pomeni da z majhno spremembo toplote lahko dosežemo želeno spremembo temperature)

‐ Nizko viskoznost

‐ Majhno gostoto

Poleg zgoraj naštetih lastnosti je za plin pomembna še njegova dostopnost, cena, varnost pri obratovanju motorja ter zahteve pri shranjevanju. Prikaz učinkovitosti posameznega delovnega medija je prikazan na sliki 2.7 [3].

2.7.1 Vodik

Je najmočnejši plin, z njim motor deluje najhitreje, zaradi nizke viskoznosti in visoke toplotne prevodnosti. Njegova glavna pomanjkljivost je da ugaja skozi kovino toplega prenosnika toplega prenosnika toplote zaradi difuzije, ki se pojavi pri visokih temperaturah.

Potrebni do dodatni mehanizmi za vzdrževanje konstantnega tlaka v motorju, kot je rezervoar za plin ali generator plina, ki iz tekočine ali trdnine ustvari plin. Zaradi difuzije smo omejeni z vrstami materialov, ki jih lahko uporabimo, sprejemljivo difuzijo dosežemo z naslednjimi materiali: aluminij, nerjaveče jeklo in nekatere keramike. Druge slabosti tega plina so še da je vnetljiv plin in da lahko povzroči krhkost kovin [4].

2.7.2 Helij

Uporabljajo ga laboratoriji, ker ima podoben izkoristek in gostoto moči kot vodik, vendar ga material lažje zadrži. Ima nizko toplotno kapaciteto in je inerten, zato ni vnetljiv kar ga naredi varnega za uporabo. Njegova glavna slabost pa je, da je drag [4].

2.7.3 Zrak in dušik

V preteklosti se je večinoma uporabljal zrak kot delovni medij, saj ga enostavno pridobimo, njegova slabost pa je da lahko v kombinaciji z mazalnim oljem in visokim tlakom povzroči eksplozijo. Dušik je skoraj inerten in je zato zelo varen. Motorji na zrak ali dušik imajo veliko manjšo gostoto moči, so priročnejši za uporabo in plin lažje zadržujemo, kar nam nekoliko zmanjša finančno obremenitev [4].

(30)

16 Slika 2.7: Graf izkoristka Stirlingovega motorja v odvisnosti od moči za delovne pline [3]

2.8 Primeri konkretne uporabe

Stirlingov motor se uporablja od ogrevanja in hlajenja do podvodnih elektroenergetskih sistemov. Stirlingov motor lahko deluje vzvratno kot toplotna črpalka za ogrevanje in hlajenje. Spodaj je naštetih nekaj konkretnih primerov.

2.8.1 Kogeneracija (SPTE)

Odpadna toplota iz motorja se uporablja za segrevanje prostorov ali za ustvarjanje tople vode ter na tak način ogrevanja. Na Stirlingov motor je pritrjen generator, ki pa se uporablja za ustvarjanje elektrike. To način uporabe se običajno uporablja v gospodinjstvih. Uporabljamo jo predvsem kot stacionarne mikrogeneracijske sisteme, kjer visoka gostota moči ni potrebna [4, 14].

2.8.2 Generacija elektrike prek sonca

Stirlingov motor je postavljen na fokus paraboličnega ogledala tako, da so žarki usmerjeni na topli prenosnik toplote. Take vrste motor ima boljši izkoristek kot nekatere nekoncentrirane fotonapetostne sončne celice, in primerljivo s koncentrirano fotovoltaiko.

Primer je prikazan na spodnji sliki 2.8. [15]

Gre za ekonomsko sprejemljivo proizvajanje elektrike brez velikega onesnaževanja [4].

Podjetje Stirling Energy Systems namerava v južni Kaliforniji uporabiti ta način za pridobivanje elektrike. Gre za 30 000 sončno gnanih Stirlingovih motorjev, ki ustvarjajo 850 MW električne energije na 19 km² površine z izkoristkom okrog 30 % [15].

(31)

Slika 2.8: Elektrarna ustvarjena od SES [15]

2.8.3 Plovila

V podmornice so vgrajeni, kar pomeni da lahko take podmornice ostanejo potopljene veliko dlje od drugih, ki nimajo vgrajenega takega motorja. Motorji se uporabljajo za napolnitev baterij, hkrati pa ne porabljajo kisika za delovanje [15].

Uporabni so tudi kot pogon na jadrnicah in jahtah, kot ladijski motorji, predvsem zaradi tihega delovanja, ter zaradi tega ker imamo dobro razpoložljivo hladilno sredstvo, to je morje [15].

2.8.4 Izobraževalni nameni

Še posebno Stirlingovi motorji z nizko temperaturno razliko so tu primerni, kar je tudi cilj te diplomske naloge, prikazati kako s preprostimi komponentami doma izdelani motor deluje.

2.8.5 Vesolje

Ta motor zaradi varnosti je primeren tudi v vesolju za generiranje elektrike, bodisi iz odpadne toplote ali iz toplote sonca.

2.8.6 Stirlingove toplotne črpalke za ogrevanje in hlajenje

Pozimi na primer grejemo prostore, poleti pa jih hladimo.

(32)

18

2.9 Obstoječi eksperimentalni modeli Stirlingovih motorjev

Zanimalo nas je kako so se drugi avtorji lotili naloge konstrukcije modela Stirlingovega motorja. Na YouTube smo našli nekatere posnetke izvedb Stirlingovega motorja. Poudariti je potrebno, da ti posnetki služijo zgolj kot priporočilo o možnih idejah glede tesnjenja, izgub energije ter možnih rešitev za morebitne probleme, ki se bodo pojavili pri konstrukciji motorja. Eden izmed zanimivih primerov je prikazan na sliki 2.9.

Ta model se nam je zdel posebno zanimiv, ker omogoča odstranitev zgornjega pokrova kovinske posodice, ki v tem primeru predstavlja hladni del valja, in s tem omogoča pogled na izpodrivni bat, ki je v notranjosti Stirlingovega motorja.

Slika 2.9: Model gama Stirlingovega motorja na YT [16]

(33)

3 Metodologija raziskave

Kot smo že v ciljih naloge prestavili, je glavni namen te naloge predstaviti izdelavo funkcionalnega modela Stirlingovega motorja, ter prek njega prikazati njegovo delovanje in možne aplikacije. Postopek izdelave je prikazan v več modelih, kjer si pri vsakem podrobneje pogledamo do kakšnih problemov smo prišli ter kakšne so možne rešitve za njih.

Na koncu pa je prikazana še končna rešitev za posamezni problem z ustreznimi komentarji.

3.1 Izbira tipa motorja

Ker s tem modelom Stirlingovega motorja ne nameravamo izvajati meritev obratovalnih parametrov, in ga nameravamo izdelati iz orodji, ki jih imamo na voljo, to so orodja s katerimi ne moremo dosegati velike natančnosti smo se odločili za izgradnjo Stirlingovega motorja tipa gama. Ta tip je glede na preučeno literaturo najenostavneje narediti, zaradi razmeroma enostavnega tesnjenja in majhnega števila gibljivih delov. Pri alfa tipu namreč težko določimo vmesni kot med hladnim in toplim valjem, pri beta Stirlingovem motorju pa je problem predvsem tesnjenje, ki bi ga bilo težko doseči z orodjem, ki ga imamo na voljo.

3.2 Izdelava začetnega modela motora

Po pregledu literature smo se začeli spraševati na kakšen način bi stvari izvedeli, oziroma kakšne komponente bi bilo dobro uporabiti, da bi imel Stirlingov model kar največ možnosti za delovanje. Zato smo si narisali skico izvedbe modela, ki se je zdela tisti trenutek glede na materiale najbolj primerna.

Povdariti je potrebno, da namen tega začetnega modela ni bilo doseči njegovo delovanje namreč zgolj pridobiti potrebne izkušnje za njegovo končno funkcionalno zgraditev.

Iz začetne skice, ki je prikazana na sliki 3.1, lahko vidimo, da je Stirlingov motor bil na začetku mišljen biti postavljen vertikalno, zato smo lahko ojnico regenerativnega bata nameravali zamenjati z vrvico, ki je lažja, regenerativni bat pa bi se premikal v spodnjo mrtvo lego zaradi sile teže. Ročična gred pa naj bi bila narejena iz kovinske pocinkane žice.

(34)

Metodologija raziskave

20 Slika 3.1: Prvotna skica Stirlingovega motorja

3.3 Problematika začetne konstrukcije

Ob sami konstrukciji modela smo naleteli na težave za katere na začetku nisemo pomislili.

Te probleme sem potem skušal odpravljati na različne načine.

Jekleno pocinkano žico, ki je bila namenjena za ročično gred je bilo pretežko oblikovati, in vsak poskus ročnega zvijana z uporabo klešč in drugih domačih pripomočkov se je pokazal kot neuspešen. Zato smo iz električnega kabla odstranili plastiko ter dobil bakreno žico, ki smo jo v nekaj poskusih uspeli zviti v želeno obliko.

Ugotovili smo, da se bodo pojavili veliki problemi tesnjenja delovnega plina, to je zraka.

Zrak bi predvsem uhajal okrog ohlapnega ujema med valjem in delavnim batom, zaradi nenatančne izdelave, ter zaradi orodja, ki ga imam na voljo. Zato smo na njegovo mesto želeli postaviti nekakšno blago, tkanino, s katero bi obdali valj ter to tkanino nalepili na zunanjo stran valja. V blago bi nato naredili majhno luknjico skozi katero bi napeljali ojnico, ki bi bila ustrezno zatesnjena, zlepljena na blago z ustreznimi tankimi kovinskimi

(35)

podložkami. Ob izgradnji modela smo ugotovili, da temperatura za ta del ni previsoka, ter da lahko za tesnjenje uporabim vročo tekočo plastiko. Ugotovili smo tudi, da se blago obdano s plastično prevleko slabo prepogiba in to potem povzroča velike izgube. Ob tej ugotovitvi smo se odločili blago nadomestiti s plastično gumo iz vodnega balona, namesto težkih matic ki bi jih uporabil na zgornjem in spodnjem delu gume, da se ta ne bi trgala smo pa uporabili tanko pločevino v obliki kroga, ki smo jo izrezali, ter obrusili, da ta ne bi preluknjala gume. Za pritrditev gume na zunanjo stran valja smo namesto lepila uporabili, dva močna elastična trakova, ki ne prepuščata nič zraka mimo. Možni izhod plina okrog ojnice zaradi luknje v gumi pa smo zamašili z vročim lepilom. Slika 3.2 kaže končno izvedbo tega dela modela Stirlingovega motorja.

Slika 3.2: Izvedba bata in tesnjenja pri delavnem batu na začetnem modelu

Izgube delovnega medija smo želeli zmanjšati tudi pri regenerativnem valju gama tipa Stirlingovega motorja. Prva rešitev na skici je bila, da bi odprto stran valja prelepili z močnim trakom, ter pustili na sredini valja zgolj drobno luknjico skozi katero bi napeljali vrvico, ki bi hkrati predstavljala ojnico. To bi bilo za začetni model, ki smo ga naredili sprejemljivo, saj je bil Stirlingov motor postavljen v vertikalni izvedbi tako, da bi sama teža regenerativnega bata imela dovolj veliko silo, da bi ojnico potegnila navzdol in s tem celotni sistem. Vendar smo zaradi premalo robustnega, zanesljivega tesnjenja s prelepljenim trakom, smo ta večkrat prelepljen trak zamenjali z delom pločevine, skozi katerega smo na sredini pločevine zvrtali majhno luknjico z ročnim vrtalnikom, ter skozi to luknjico dali ozko cevko, skozi katero bi potekala ojnica izpodrivnega bata. Končni izgled je viden na spodnji sliki 3.3.

Slika 3.3: Pritrditev ojnice regenerativnega bata na gred prek ročičnega mehanizma

(36)

22 Ojnica regenerativnega bata je bila na začetku vrvica, predvsem zaradi lahkosti vrvice napram kovinski ojnici. Vendar smo morali to idejo kasneje opustiti zaradi ugotovitve, da motor veliko enostavnejše deluje zaradi manjših obremenitev na ročično gred v ležečem položaju kot v navpičnem položaju. Na koncu smo vrvico nadomestil z bakreno žico.

Regenerator se pri gama tipu Stirlingovega motorja nahaja na izpodrivnem batu, zato ga lahko kar imenujemo regenerativni bat. Regenerativni bat je vstavljen v cilinder z zaprtim koncem, to je toplim delom vaja. Njegova prva izvedba bata je imela sendvič konstrukcijo, kot je prikazano na sliki 3.4 levo, in sicer je bil ta zgrajen v treh plasteh. Spodnja in zgornja plast regeneratorskega bata sta enaki, to je pločevina okrogle oblike z velikimi luknjami v pločevini, saj to omogoča enostavnejše prehajanje zraka. Srednja plast pa predstavlja regenerator toplote in je zgrajen kot tanka žica, ki je stisnjena in zapolnjuje valjasto obliko, z dovolj velikimi luknjicami za prehod zraka vmes. Problem te izvedbe, je da je bila veliko pretežka, predvsem zaradi spodnje in zgornje debele kovinske plasti. Zato smo v drugi izvedbi ohranili zgolj srednji del, to je regenerator. Zgornji in spodnji del pa nadomestil s tankim kovinskim krožcem, ki je dovolj velik, da podpira regenerator pri gibanju, kot je na sliki 3.4 levo.

Slika 3.4: Dve izvedbi regeneratorja, oz. regenerativnega bata

Ojnico pri delavnem batu smo na ročično gred povezali z ležajem, katerega notranji obroč naseda na bakreno žico okrog katere je tanek ovoj plastike za boljšo nasaditev ležaja. Prikaz tega je viden spodaj na sliki 3.5.

Slika 3.5: Pritrditev ojnice delovnega bata na ročično gred z ležajem

(37)

Za drugo ojnico za regenerativni bat pa smo moral narediti ustrezno ročično povezavo, da smo uspeli povezati bat z ročično grejo. Kot povezavo v ročični povezavi pa smo uporabili sornik, ki smo ga naredili iz kosa bakrene žice. Sornik je ustrezno zakriviljen in nanj smo dali dva lesena obročka, ki povezavo držita skupaj, to je prikazano na sliki 3.33.11.

Ročična gred je narejena iz bakrene žice, ki smo jo s kleščami ustrezno zvili, da smo dosegli fazno razliko 90 stopinj med bati. Ročična gred pa je na obeh straneh podprta s kovinskimi cevkami ki predstavljajo dovolj majhno trenje za vrtenje osi.

Valja sta med sabo povezana s tem da je v večji valj narejena luknja ki potem poteka v manjši valj. Oba valja sta skupaj spojena z lepilom, saj se spojitev dogaja na hladni strani.

Na ročično gred je poleg ojnic nasajen še lesen vztrajnik, ki je okrogle oblike, ter ohranja konstanto vrtenje gredi. Ugotovili smo, da teža in dolžina gredi močno otežuje vrtenje, saj se gred močno uvija, tudi ko motor miruje. Poleg tega pa ta model zaradi dolge osi povzroča velike težave pri montaži in demontaži motorja. Spodnja slika 3.6 prikazuje pritrditev vztrajnika na gred.

Slika 3.6: Pritrditev vztrajnika na gred

Struktura je narejena iz lesa saj se ta lepo obdeluje, kjer je v sredinskem delu strukture plošča, ki ima v njej luknjo skozi katero gre večji regenerativni cilinder. Na eni strani te plošče valj grejemo na drugi strani pa hladimo. Vsi sestavni deli ohišja so združeni skupaj z vijaki.

Struktura je v vodoravnem položaju in je na štirih koncih v vogalih dvignjeno od tal z vijaki.

Spodaj na slikah 3.7 in 3.8 je videna konča izvedba začetnega modela, ki je močno vplivala na izgradnjo kasnejših modelov.

(38)

24 Slika 3.7: Tloris sheme celotnega začetnega modela Stirlingovega motorja

Slika 3.8: Naris sheme celotnega začetnega modela Stirlingovega motorja

3.4 Skica modela 1

Glede na pregledano literaturo in razpoložljive materiale ter opremo smo dizajnirali naslednjo geometrijo in sestavne dele. Skica je narisana z upoštevanjem problemov in rešitev začetnega modela. Na sliki 3.9 lahko vidimo, da je Stirlingov motor tu postavljen zopet vertikalno, zato smo lahko del ojnice izpodrivnega bata zopet lahko zamenjali z vrvico.

(39)

Slika 3.9: Prvotna skica Stirlingovega motorja

(40)

26

3.5 Problematika konstrukcije modela 1

Ob sami konstrukciji modela 1 smo naleteli na podobne težave kot pri začetnem modelu vendar v veliko manjši velikosti. Te probleme sem potem skušal odpravljati na različne načine:

Slika 3.10: Prikaz prvega modela Stirlingovega modela

3.5.1 Tesnjenje pri ojnici izpodrivnega bata

Pojavili se nam je problem kako bi v čim večji meri zmanjšali izgube delovnega plina, ki bi drugače izhajal iz motorja pri ojnici izpodrivnega bata pri gama tipa Stirlingovega motorja.

Steblo kovice, ki smo jo izbili iz glave kovice smo združili v sklop tako da skupaj delujeta kot ohlapni ujem in s tem, zaradi velike natančnosti zmanjšujeta trenje.

Steblo kovice je prilepljeno na izpodrivni bat z lepilom super attak, in predstavlja del ojnice izpodrivenga bata. Ohlapni ujem smo dodano namazali z mastjo, na ta način smo močno zmanjšali trenje in hkrati povečali tesnjenje.

(41)

Slika 3.11 prikazuje končni rezultat tesnjenja ojnice pri izpodrivnem batu.

Slika 3.11: Pritrditev ojnice izpodrivnega bata na gred prek ročičnega mehanizma

3.5.2 Tesnjenje delovnega bata

Začeli smo razmišljati kako bi v čim večji meri zmanjšali izgube delovnega medija, to je zraka, saj bi ta ob izgradnji prosto uhajal iz motorja.

Zrak bi predvsem uhajal okrog ohlapnega ujema med valjem in delovnim batom, zaradi nenatančne izdelave, ter zaradi orodja, ki ga imam na voljo. Zato smo na njegovo mesto želeli postaviti nekakšno blago, tkanino, s katero bi obdali valj ter to tkanino nalepili na zunanjo stran valja. V blago bi nato naredili majhno luknjico skozi katero bi napeljali ojnico, ki bi bila ustrezno zatesnjena, zlepljena na blago z ustreznimi tankimi kovinskimi podložkami. Hkrati pa nismo vedeli ali je temperatura previsoka v tem delu valja, da bi bilo tako tesnjenje sploh sprejemljivo.

Kasneje smo ob izgradnji prvega modela ugotovili, da temperatura za ta del ni previsoka, ter da lahko za tesnjenje uporabimo vročo tekočo plastiko. Ugotovili smo tudi da se blago obdano z plastično prevleko slabo prepogiba in to potem povzroča velike izgube. Ob tej ugotovitvi smo se odločili blago nadomestiti z plastično gumo iz vodnega balona. Namesto težkih matic, ki bi jih uporabili na zgornjem in spodnjem delu gume, da se ta ne bi trgala pa smo uporabili tanko leseno ploščico v obliki kroga, ki smo jo izrezali, ter obrusili, da ta ne bi preluknjala gume.

Sama guma je vpeta med dve leseni ploščici, ki sta z lepilom super attak zlepljeni skupaj, dodatno ju držijo skupaj še vijaki, za dodatno tesnjenje pa je celotno območje okrog premazano z lepilom za les mekol. Slika 3.12 prikazuje vgradnjo delovenga bata med leseni ploščici.

(42)

28 Slika 3.12: Izvedba bata in tesnjenje pri delovnem batu iz zgornje in spodnje strani

3.5.3 Konstrukcija izpodrivnega bata

Regenerator se pri gama tipu Stirlingovega motorja nahaja na izpodrivnem batu, zato ga lahko kar imenujemo regenerativni bat.

V tem prvem modelu naš bat ni regeneracijski, ampak zgolj izpodrivni, saj nimamo kovinske mreže prek katere bi se zrak regeneriral. Bat ima tu zgolj pomen, da iz spodnje mrtve lege, kjer je topel zrak, zrak premaknemo v območje zgornje mrtve lege in obratno. Lahko bi rekli, da stene kovinskega bata predstavljajo regeneracijo, ampak to zanemarljivo.

Izpodrivni bat je ohlapno vstavljen v valj z zaprtim koncem, to je toplim delom vaja, skozi ohlapni ujem pa se premika zrak.

Da bi imela naša izvedba motorja čim več možnosti za delovanje, smo ugotovili, da mora biti izpodrivni bat čim bolj lahek, ampak dovolj prostoren, da uspešno premika zrak med hladnim in toplim koncem valja. Večja kot je teža bata, večja je sila na ročično gred, ter večji moment je potreben za delovanje motorja.

Ugotovili smo, da če naredim bat iz stiropora se bo bat v spodnji mrtvi legi, to je na toplem delu valja stopil. Zato smo se odločili narediti bat iz balse, to je vrsta lesa, ki ima zelo majhno gostoto, posledično je zelo lahka. Ena od naših izvedb tega bata je narejena v celoti iz balse, kasneje pa smo naredili bat iz balse, ki je na sredini votel, s samo toliko balse kot je nujno potrebno za strukturno trdnost. Vse izvedbe batov so prikazane na spodaj, glej sliko 3.13.

Slika 3.13: Nekatere izvedbe izpodrivnih batov

(43)

3.5.4 Pocinkana žica

Pocinkano žico, ki je bila namenjena za glavno gred na kateri je vztrajnik, smo zamenjali s steblom kovice, saj je ta zelo ravna, napram žici, ki bi jo sami zravnal. Nekoliko tanjšo pocinkano žico, z dovolj veliko vzdržljivostjo proti upogibanju smo uporabili za ročično gred, ki je nasajena na steblo kovice glavne gredi. Pocinkana žica je dodatno uporabljena za ojnico pri delavnem batu, pri tem pa je ta ojnica na bat pritrjena prek lesene ploščice, na drugi strani pa na ročico, ki je vpeta na vztrajnik.

3.5.5 Povezovanje ojnic na ročično gred

Ojnico pri delovnem batu smo na ročico, ki je na vztrajniku povezali z v okrogu oblikovano pocinkano žico, kar je vidno na sliki 3.14.

Ojnica pri izpodrivnem batu je povezana na ročično gred na naslednji način. Pocinkana žica, ki je zvita v obliki črke S, je najprej nasajena na ročična gred, nato je ta povezana z vrvico na kovinski obroček, ki gre pravokotno na os skozi plastično cevko na katero je nasajena ojnica izpodrivnega bata. Prikaz tega je viden na sliki 3.14.

Slika 3.14: Pritrditev ojnice izpodrivnega bata na ročično gred

(44)

30

3.5.6 Podprtje glavne gredi

Glavna gred je kot smo omenili narejena iz stebla aluminijaste kovice. Glavna gred, gre skozi glavo aluminijaste kovice, kjer z ustreznimi mazalnimi sredstvi zmanjšujemo trenje. Glava kovice pa je dodatno postavljena v luknjo lesenega držala, ki deluje kot opora. Ročica, ki je vstavljena v vztrajnik, ki je narejena iz stebla kovice, in ročična gred, ki je narejena iz pocinkane žice sta postavljeni oziroma nasajeni na glavno gred tako, da tvorita fazno razliko 90 stopinj med bati.

3.5.7 Povezava toplega dela valja in delovnega bata

Valja sta med sabo povezana s tem tako da je v hladni del valja, to je kovinski pokrov narejen okrogla luknja, ki je dovolj velika, da omogoča dotok zraka do plastičnega balona, ki predstavlja delavni bat.

3.5.8 Pritrditev vztrajnika

Na glavno gred je nasajen vztrajnik, ki je v tem primeru kar CD, na katerega smo prilepili leseno ploščico za namestitev. Na isto leseno ploščico je na drugi strani prilepljena še ročica, nekoliko ekscentrično, to predstavlja hod delovnega bata. Vztrajnik deluje kot shramba kinetične energije, ter ohranja vrtenje gredi.

3.5.9 Izdelava lesenega ogrodja

Struktura je narejena iz lesa saj se ta lepo obdeluje, kjer je v sredinskem delu strukture plošča, ki ima v njej luknjo skozi katero gre glava kovice in steblo kovice in tako tvorita ohlapni ujem. Poleg tega pa lesena plošča, ki leži na kovinskem pokrovu, poleg tega da služi kot opora, zmanjšuje tudi oscilacije, ki se pojavljajo zaradi gibljivih delov. Leseno ogrodje pa je na kovinsko ploščo pritrjeno s šestimi vijaki. Potrebno je poudariti, da velikost vodoravne plošče, ki leži na kovinskem pokrovu, pomembno vpliva na odvod toplote, ki je tu potreben, saj ta stran predstavlja hladni del valja. Polega tega pa z manjšanjem plošče povečujemo temperaturno razliko med hladnim in toplim delom valja. Na eni strani kovinski valj grejemo s svečo, na drugi pa hladimo, tako da je kovinska plošča neposredno v stiku z okoliškim zrakom. Lesena konstrukcija je prikazana na spodnji sliki 3.15.

(45)

Slika 3.15: Prikaz lesene konstrukcije

3.6 Problematika konstrukcije modela 2

To je tudi naša končna izvedba Stirlinogvega motrja, ker prejšnji model ni deloval smo poskusili narediti nov model Stirlingovega motorja, ki je prikazan na spodnji sliki 3.30.

Ključno se ta končna izvedba od prejšnjega modela 1 loči po dodanem plastičnem izolatorju, ki loči hladni in topli del valja, in dodanem regenerativnem batu, saj je bil ta v prejšnji izvedbi zgolj izpodrivni.

Izolator je zelene barve in je prikazan na sliki 3.16. Izolator smo uporabili zaradi velikega prevoda toplote iz toplega dela valja v hladni del ter na ta način tako povečali temperaturno razliko. Spodaj je prikazana tudi njegova namestitev, zaradi katere se pojavijo problemi, ki jih bom popisal v nadaljevanju. Izolator je narejen s 3D printanjem, to je tehnologijo, ki plastično vrvico stopi ter jo nanase na podlago z uporabo posebnih vodil. Izolator je dodatno prilepljen in zatesnjen na kovinsko posodico s silikonom, ki ima veliko temperaturno območje delovanja, kar je dobro prikazano na sliki 3.18.

(46)

32 Slika 3.16: Prikaz izolatorja in njegova namestitev

Zaradi dodanega izolatorja se nam je pojavil problem, da ko bo regenerativni bat, v spodnji mrtvi legi bo zaradi premera bata imel tam zelo velik ohlapni ujem, kar v tem primeru ni zaželeno, saj želimo, da gre večino zraka skozi regenerator, ki je v izpodrivnem batu. Zato smo z lepilom mekol prilepili les na kovinski topli del valja, ter ga dodatno še zbrusili, tako da na ta način zmanjšamo trenje med batom in valjem. Ohlapni ujem bo na koncu še vedno ostal, vendar bo ta veliko manjši, kar pripomore k boljšemu delovanju. Les smo tu uporabili, ker ga je lahko oblikovati in prenese visoke temperature dovolj dolgo za demonstracijo delovanja brez samega vžiga lesa. Izvedba lesene konstrukcije je prikazana na sliki 3.17.

Slika 3.17: Zmanjšanje ohlapnega ujema na toplem delu bata

Regenerativni bat je narejen tako, da izpodriva kar se da največjo količino zraka med toplim in hladnim delom valja. To pomeni, da je bat visok ravno toliko, da se lahko neovirano premika iz zgornje mrtve lege v spodnjo mrtvo lego, brez udarjanja ob zgornji ali spodnji konec. Primerjava obeh višin bata in ohišja regenerativnega bata, kjer se bat giba, je prikazana na sliki 3.18.

(47)

Bat ima na površini valja prilepljeno tanko pločevino z lepilom super attak, kar zmanjša trenje, ko se bat premika gor in dol. Ta pločevina neposredno povzroča manjšo količino regeneracije zraka. Prek dobrega ujemanja te pločevine z ohišjem tudi usmerjamo večino zraka skozi luknje v izpodrivnem batu, kamor je nameščena jeklena žična volna, ki predstavlja večino ustvarjene regeneracije toplote. Žična volna je postavljena v regenerativni bat za pločevinasto prevleko bata. Primer odprtega regenerativnega bata je prikazan na sliki 3.20.

Slika 3.18: Primerjava višine regenerativnega bata in delovnega prostora motorja

Slika 3.19: Prikaz regenerativnih batov

Slika 3.20: Prikaz odprtega regenerativnega bata