A jövő kazánja avagy házi erőmű?
2008/7-8. lapszám | Kun Mihály | 7778 |
Figylem! Ez a cikk 17 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az idén márciusban Milánóban megrendezett Mostra Convegnon több gázkazán gyártó standján is megtekinthető volt a Stirling-motor. Biztosan sokan hallottak róla, de talán vannak olyanok is, akik nem ismerik a működési elvét.
A motort Robert Stirling lelkész találta fel 1816-ban, aki az első gépeken lényeges újításokat dolgozott ki. A hőátadási folyamat lehetővé teszi, hogy az összes hőerőgép közül a legjobb hatásfokot nyújtsa: hatásfoka megközelítheti annak az ideális Carnot-körfolyamatnak a hatásfokát, mely az alkalmazott szerkezeti anyagoknál gyakorlatilag elérhető.
A Carnot-körfolyamat a lehető legjobb hatásfokú körfolyamat, mely egy adott mennyiségű hőenergiát mechanikai munkává alakít, illetve egy adott mennyiségű mechanikai munkát hűtési célokra átalakít hőenergiává. A körfolyamat végrehajtása során a rendszer munkát végezhet, így hőerőgépként működhet. A hőerőgép működése során a környezetének egy melegebb régiójából energiát vihet át egy hidegebb régióba és az energia egy részét mechanikai munkává alakíthatja. A körfolyamat meg is fordítható. A rendszerbe külső munka bevezetése által hőenergiát képes átvinni egy hidegebb régióból egy melegebbe, ilyen módon hőszivattyúként működhet.
A Stirling-motorban egy adott tömegű, a környezettől tömítésekkel elzárt gáz, általában levegő, hidrogén vagy hélium van. Ennek a gáznak az állapotjelzői (pl. nyomás, hőmérséklet, fajtérfogat) a gáztörvények szerint változnak. Amikor az adott térfogatú gázt melegítik, a nyomása megnő, és a dugattyú felületére hatva mechanikai munkát fog végezni a motor munkaütemében. Amikor a gázt lehűtik, nyomása esik, ez azt jelenti, hogy kevesebb munkára van szükség a gáz összenyomására a következő ütemben, mint amit a munka ütemben szolgáltatott, így az energiamérleg nyereséges lesz, ez a motor tengelyén hasznos munkaként fog megjelenni. A gáz ciklikusan áramlik a fűtő és hűtő hőcserélők között. A gáz nem távozik a munka ütem után, hanem állandóan a motorban marad. Nincs szükség szelepekre sem, mint más motoroknál. Termodinamikai hatásfoka nagyobb, mint a gőzgépé, sőt egyes korszerű belsőégésű Otto- vagy Diesel-motorokénál is.
A Stirling-motor egyik változatának vázlata látható az ábrán. Az 1. ütemben az alsó munkadugattyú alatti térben a gáz felmelegszik, kitágul és felfelé nyomja a munkadugattyút. Ez a munkaütem. A felső holtpont után a munkadugattyú lefelé mozdul el és átnyomja a gázt a hideg térbe, eközben a másik dugattyú még felfelé mozog, így a hűtő henger térfogata nő. A 2. ütem az átáramoltatás. A 3. ütemben a hideg kamrában lévő gáz fokozatosan lehűl. Végül a hideg gázt a másik dugattyú átnyomja a meleg hengerbe (4. ütem) és a folyamat kezdődik elölről.
A Striling-motor működése megfordítható: ha a tengelyt forgatjuk, a kamrákon hőfokkülönbség mérhető. Az első Stirling hűtőgépeket a Philips fejlesztette ki az 1950-es években.
A Stirling-motort mindenfajta hőmérsékletkülönbség működteti. Az a fogalom, hogy külsőégésű motor félrevezető, mert a hőforrás nemcsak égés lehet, hanem szoláris (nap-energia), geotermikus, nukleáris, vagy biomassza. Ugyanígy a hideg oldal lehet egyszerűen a hűvös környezet, jég vagy hűtőfolyadék. A kis hőmérsékletkülönbség a hideg és meleg oldal között azt eredményezi, hogy a szivattyúzási veszteségek jelentősen megnőhetnek és így rontják a hatásfokot.
Néhány tulajdonság
- Az égés kívül zajlik le, ezért pontosan lehet szabályozni.
- A hőforrás folytonos égést kíván, ezért az elégetlen füstgázok mennyisége elenyésző.
- Sok Stirling-motor csapágyazása a hideg oldalon helyezkedik el, ezért a kenést egyszerűbb megoldani és a kenőanyag élettartama két olajcsere között hosszabb lehet.
- Az egész motor sokkal kevésbé bonyolult szerkezet, mint a belsőégésű motorok. Nincsenek szelepek, a tüzelőanyag és beömlő rendszer sokkal egyszerűbb.
- Sokkal kisebb nyomáson üzemelnek, ezért sokkal biztonságosabbak, mint a konvencionális hőerőgépek.
- A kisebb üzemnyomás könnyebb szerkezeti elemek beépítését teszi lehetővé.
- Nagyon nyugodt járású szerkezetet lehet kivitelezni, működéséhez nincs szüksége külső levegőre, így tengeralattjárókon ideális erőgép lehet.
- Csendesek, megőrzik hatásfokukat, megbízhatók.
Hátrányok
- A Stirling-motor hideg és meleg oldali hőcserélői költséges szerkezetek, ezek nyomásálló és korrózióálló kivitelben kell hogy készüljenek. Ez megnöveli a költségeket különösen akkor, ha jó hatásfokú motort kell készíteni.
- Különösen kis hőmérsékletkülönbség esetén a hideg és meleg oldal között a motor méretei sokkal nagyobbak az azonos teljesítményű belsőégésű motorokhoz képest a nagy hőcserélők miatt.
- A környezet felmelegítésekor keletkező hőveszteség a legnagyobb akadálya annak, hogy Stirling-motorokat alkalmazzanak gépkocsi hajtására. Ez azonban nem hátrányos házaknál, ahol a hőveszteséget jól fel lehet használni meleg víz előállítására és fűtésre.
- A Stirling-motort nem lehet gyorsan beindítani, lassú felmelegedésre van szüksége. Ez ugyan a belsőégésű motorokra is igaz, de a felfűtéshez szükséges idő itt sokkal hosszabb.
- A leadott teljesítményt nehéz változtatni, gyors változtatás nem is lehetséges. A teljesítményt vagy a dugattyú lökethosszának változtatásával vagy az áramló gáz mennyiségével lehet szabályozni. Ez hibrid hajtásokban és alaperőforrásoknál, ahol állandó teljesítményre van szükség, kevéssé problematikus.
- A hidrogént kis molekulasúlya ideális munkaközeggé teszi, de a hidrogént kicsi molekulái miatt nagyon nehéz zárt térben tartani szivárgás nélkül.
A Stirling-motorok remekül alkalmazhatók olyan esetekben, amikor a hőenergia rendelkezésre áll, és „mellesleg” villamos áramot is lehet belőle termelni. Rendkívül érdekes teret nyithat a villamos energia-termelésnek ez a megoldás, mely szerint „házilag” villamos áramot állítanak elő a Stirling-motorok, melyet adott esetben a hálózatra is vissza lehetne táplálni. Különösen napjainkban lehet nagy jelentősége ennek a kicsit elfeledett technológiának, mivel a motor működtetéséhez szükséges hőenergia előállítására számos régi és új lehetőség jöhet szóba úgymint: napenergia, biomassza, földgáz, fűtőolaj. A Stirling-motor akár kisebb nagyobb lakóközösségek, üzemek hő és villamosenergia-ellátását tudja biztosítani úgy, hogy közben hozzájárulhat a környezetünk megóvásához és a megújuló energiák felhasználási arányának növekedéséhez.
