1 / 64

Stirling-motorok

Stirling-motorok. MEGGI 2003 Megújuló Energiaforrásokkal Működő Gépek Gazdaságos Hasznosíthatóságáért és Innovációjáért Közhasznú Társaság – MEGGI 2003 KHT meggi@meggi.hu Budapest, 2007. március 1. ENERGIAFELHASZNÁLÁS TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉSE.

aleron
Download Presentation

Stirling-motorok

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Stirling-motorok MEGGI 2003 Megújuló Energiaforrásokkal Működő Gépek Gazdaságos Hasznosíthatóságáért és Innovációjáért Közhasznú Társaság – MEGGI 2003 KHT meggi@meggi.hu Budapest, 2007. március 1.

  2. ENERGIAFELHASZNÁLÁS TÖRTÉNETI ÁTTEKINTÉSE • Az ipari forradalomig alapvetően megújuló energiaforrásokat hasznosítottak. • A gőzgéppel és a hirtelen megnövő energia-igénnyel indult be a fosszilis tüzelőanyag-készletek nagyarányú kitermelése és felhasználása. • Az ipari forradalom első szakaszában először a gőzturbina készült el. (1629-ben)

  3. Az első megbízható gőzgépet JAMES WATT helyezte üzembe 1775-ben, amely 24 LE-s teljesítményre volt képes, de a kis gőznyomás miatt még csak 2,7%-os volt a hatásfoka.

  4. A belsőégésű motorok feltalálása vezetett az ipari forradalom második szakaszához, forradalmasítva a közlekedést. Meghatározó energiahordozóvá vált az olaj és a földgáz. A négyütemű motor működési elvét ALPHONSE BEAU DE ROCHAS francia erdőmérnök ismertette 1861-ben. Tőle függetlenül 1878-ban AUGUST OTTO újra feltalálta az elvet, melyet műszakilag rendkívüli tökéletességgel fekvő hengerrel valósított meg. RUDOLF DIESEL 1892-ben jutott a dízelmotor feltalálásához.

  5. A hőlégmotor (Stirling-motor) fejlesztésének történeti áttekintése A hőlégmotorok története gyakorlatilag akkor indult, amikor a gőzgépeké. Az első irodalmi utalás egy "atmoszférikus tűzkerékre" a francia Amontons-tól származik, 1699-ből. 1759-ben H. Wood egy atmoszférikus Newcomen típusú gőzgépet alakított át olyan géppé mely "a forró, avagy ritka levegő elvén működik". 1807-ben Sir George Cayley, egy Yorkshire-i földbirtokos épített egy nyitott ciklusú, belsőégésű hőlégmotort, mely talán az első ilyen típusú, működőképes gép volt. Cayley a repülés egyik korai úttörőjeként felismerte valószínűleg, hogy a repülés megvalósításá-hoz nem gőzgép, hanem egy könnyű motor szükséges.

  6. Robert Stirling a skót egyház lelkésze volt, és szabadidejében dolgozott a motorján. Eredeti szándéka a gőzgépek megújítása volt, mivel ezek akkoriban gyakran felrobbantak, súlyos sérüléseket okozva a közelben tartózkodóknak. Az új típusú motornál a robbanás nem következhetett be, miközben nagyobb volt a teljesítménye, mint a korabeli gőzgépeknek. Stirling atya az 1812-ben feltalált "új típusú légmotorjára", 1816-ban kapta meg első szabadalmát, amelyet testvérével James-sel tökéletesítettek. Definíció szerint a Stirling gép olyan gép, amely a munkavégző közeget különböző hőmérsékleti szinteken komprimálva és expandálva, zárt, regeneratív termodinamikai ciklust valósít meg, és a közeg áramlását a gépen belül bekövetkező térfogatváltozások vezérlik. (Amennyiben e térfogatváltozásokat szelepek vezérlik, Ericcson-gépekről beszélünk.)– filmbemutató.

  7. Stirling eredeti gépének metszete és axonometrikus képe ( 1816 ) Az elkövetkező években a testvérpár folyamatosan fejlesztette a gépüket, de erőfeszítéseiket erősen korlátozták, eredményeiket behatárolták az akkori rossz minőségű szerkezeti anyagok.

  8. Robert Stirling 1876-ban, életének alkonyán így írt fejélesztéseikről: „Ha a Bessemer-féle vas vagy acél harmincöt-negyven évvel ezelőtt ismert lett volna, a gép kétségkívül nagy sikereket ért volna el... A jövő képzett és ambiciózus gépészeire marad, hogy előnyösebb feltételek mellett reprodukálják, és teljes sikerre vigyék...” Robert Stirling 1876-ban, életének alkonyán így írt erről:

  9. Az 1900-as évek eleje: • A Stirling-gépek fejlesztése egyre nagyobb lendülettel folytatódik, de a legnagyobb korlátot még mindig a szerkezeti anyagok jelentik. • A XIX. század végén és a XX. elején kis hőlég-motorokat sok boltban polcról is lehetett kapni, épp-úgy, mint manapság a robbanó- vagy villanymotorokat.

  10. Ekkortájt a szakirodalom éppúgy tárgyalta őket, mint a gőzgépeket vagy a belsőégésű motorokat. Az első világháború idejére azonban e gépek gyártása ( a villamosság térhódításával párhuzamosan ) a nagyközönség számára leállt, bár speciális célokra még sokáig gyártották őket egyes cégek. Megbízhatóságukra jellemző, hogy a világ különböző részein esetenként ma is találhatunk egy-egy, ebből a korból származó, működő darabot. (A Mezőgazdasági Gépmúzeum, Mezőkövesd tulajdonában lévő XIX. század végén készült Herlici gyártmányú Stiling-motorról készült amatőr film bemutatása.)

  11. A Herlici gyártmányú Stiling-motor

  12. Az 1950-es évektől számíthatjuk az ipari forradalom harmadik szakaszát, amikor a villamos energia, az olaj és a gáz szállítására, elosztására nemzetközi hálózatok épülnek. Megjelenik a nukleáris forrásra alapozott elektromos energiatermelés. Az 1967-es Közelkeleti háború után jelenik meg a takarékos, környezetkímélő energiapolitika. A megújuló energiaforrásokra irányul a figyelem. Véget ér az olcsó energiahordozók kora.

  13. A hőlégmotor (Stirling-motor) újrafelfedezése • A Philips cég eindhoveni kutatólaboratóriumában olyan kisméretű, csendes, hőenergiával működtetett hordozható villamos áramfejlesztők kifejlesztését tűzte ki célul, melyek alkalmasak rádió-készülékek működtetésére olyan helyeken, ahol nincs hálózat. A végeredmény 200W teljesítményű, levegő közegű Stirling-motorral hajtott hordozható villamos generátor lett. (1950-es évek)

  14. A tranzisztor-technika megjelenése az eredeti célkitűzés létjogosultságát kérdésessé tették. Ekkor a fejlesztők figyelmüket a nagyobb teljesítményű gépek felé irányították. Ehhez az időszakhoz fűződik többek között a rombuszhajtómű és a gördülőharisnyás tömítés kifejlesztése, valamint sok egy- és többhengeres gép megépítése, melyek némelyikének teljesítménye a több száz kW-ot is elérte.

  15. Az 1960-as évek elején William Beale, az Ohio-i Egyetem professzora kifejlesztette a szabaddugattyús Stirling-gépet, melyből az első működőképes modellek az 1970-es évek elejére készültek el. Ezek fejlesztésén Beale saját cége, a Sunpower Inc., és a General Electric dolgoztak. Az űrkutatásban a fedélzeti energia előállítására (és tárolására) a Stirling-motor + termokémiai akkumulátor párosítás nagy energiasűrűségű megoldást kínál. A NASA-nál pl. 1989-1992 között sikeresen teszteltek egy25 kW teljesítményű kísérleti motort. A gép szabaddugattyús kivitelű volt, lineáris alternátorral felszerelve. Dacára a mindössze 1:2-es hőmérsékleti aránynak (hidegtér : melegtér), 25%-os hatásfokkal üzemelt.

  16. A Stirling-gépek fejlesztése a '70-es évek végén megtorpant. Ennek oka, hogy a befektetett anyagi és szellemi tőke ellenére nem sikerült olyan elfogadható áron előállítható gépet építeni, mely a piacon versenyezhetett volna a belsőégésű gépekkel. A '90-es évekre azonban a tüzelőanyag-árak megsokszorozódtak, a környezetvédelmi előírások megszigorodtak. A fenti okok miatt a kedvező tulajdonságokkal rendelkező Stirling-gépek fejlesztése ismét érdekessé vált. Új felhasználási területek is megjelentek: Pl. a tapasztalatok szerint a napenergiát kedvezőbb hatásfokkal hasznosíthatjuk Stirling-gépekkel, mint fotoelektromos átalakítókkal.

  17. Stiling- motor működési elve: • A Stirling-gép gyakorlati megvalósítása úgy történik, hogy a gép munkaterét két részre, egy állandóan hideg, és egy állandóan forró térre osztjuk. Az állandóan forró tér neve expanziótér, az állandóan hidegé kompressziótér. • E két térben két dugattyút mozgatunk úgy, hogy a munkavégző közeget komprimálja és expandáltatja, de közben a munkavégző közegnek a hideg- és a melegtér közti áramlását is biztosítsa.

  18. Néhány példa:

  19. A gép elméleti ( maximális ) hatásfokát a jól ismert Carnot-féle képlettel számíthatjuk ki, éppúgy, mint más hőerőgépek esetében: Maga a Stirling-ciklus sok tekintetben hasonlít a Carnot-féle ciklusra, bár annál jóval előnyösebb.

  20. Az ideális Stirling-körfolyamat és Carnot-körfolyamat közösen ábrázolva

  21. A Stirling-motor előnyös tulajdonságai: • Külső égés, ezért a levegő-tüzelőanyag-keveréket sokkal pontosabban 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. • Sokkal kisebb nyomáson üzemelnek, (biztonság) mint a konvencionális hőerőgépek. • A kisebb üzemnyomás könnyebb szerkezeti elemek beépítését teszi lehetővé. • Nagyon nyugodt járású szerkezetet lehet kivitelezni.

  22. A Stirling-motor hátrányos tulajdonságai: • A Stirling-motor hideg és meleg oldali hőcserélői költséges szerkezetek. • Különösen kis hőmérsékletkülönbség esetén a hideg és meleg oldal között a motor méretei sokkal nagyobbak az azonos teljesítményű belsőégésű motorokhoz képest. • Körülményes a Stirling motorokat gépkocsi hajtására alkalmazni. • A Stirling motort nem lehet gyorsan beindítani. • 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.

  23. Példák a Stirling-motorok gyakorlati alkalmazásairól: • Az első ismert Stirling-gép, amely repülőgépmodellt emelt sikeresen a levegőbe. (25 cm³-es Stirling-motor)

  24. Új-Zéland-i fejlesztés:

  25. A Kokums svéd hajógyár több, mint tíz tengeralattjárót épített Stirling hajtással az 1980-as években.

  26. 2005-ben a Southern California Edison jelentett be egy megállapodást 500 MW összteljesítményű, 20 000 db napfény fűtésű Stirling motor szállítására az Energy Systemtől 20 éven keresztül. Ez a rendszer egy 19 km² területű napfény farmon lesz elhelyezve és tükrök fogják a napfényt a motorokra vetíteni, melyek generátorokat hajtanak majd. film

  27. film

  28. A CHP modul néhány adata: • Áram termelési teljesítmény: 1,5-3 kW • Termikus teljesítmény: 4,5-10,5 kW • Elektromos hatásfok: 20-25 % • Teljes hatásfok: kb. 90% • Előremenő hőmérséklet max.: 85 oC • Visszatérő hőmérséklet (optimális): 30 oC • Zaj kibocsátás: 49-54 dB

  29. Az alfa típusú Stirling-motor:

  30. A béta típusú Stirling-motor:

  31. Szabaddugattyús változat:

  32. Alafa típusú megoldással működik az általunk forgalmazott (gázüzemű) kapcsolt hő- és elektromos áramot termelő egység:

  33. A CHP modul néhány adata: • Elektromos teljesítmény: 2 - 9 kW (± 5%) • Hőteljesítmény: 8 - 22 kW • Elektromos hatásfok: 22- 24,5 % (± 1%) • Teljes hatásfok: 92 - 96 % • Munkagáz átlagos nyomása max. 130 bar • Névleges fordulatszám 1500 1/perc • Égő teljesítménye min. – max. 16- 40 kW

More Related