Stirlingmotorn - löfte eller fåfäng önskan

av Ilmari Kurki-Suonio Forum 1973-14, sida 19-21, 19.09.1973

Stirlingmotor — löft eller fåfäng önska e År 1816 uppfann den skotska prästen och politikern Robert Stirling en gasmaskin, där två kolvar drev gasen fram och tillbaka i två rum, ett varmi och ett kallt, och samtidigt utförde arbete. I båda rummen hölls ungefär konstant temperatur. Denna princip visar, att Stirling förstod värmekraftmaskinens grundidé redan före Carnot. Men det som framför allt gör honom huvudet högre än samtliga uppfinnarbröder är att han förstod att placera en regenerator, dvs en värmeväxlare, mellan de båda utrymmena. Härigenom blev han fader tlll den regenerativa förvärmningen, som man idag anser vara så modern!

Stirlings uppfinning sov en törnrosasömn i ungefär hundra år och behandlades endast som en akademisk fingerövning i termodynamikens läroböcker. Först år 1938 fäste Philips försöksavdelning på allvar sitt intresse vid denna idé. Under de gångna årtiondena har motorn genom ihärdigt arbete utvecklats så långt, att storindustrin världen runt förvärvat sig tillverkningslicenser och utvecklingsavtal. I arbetet har man kommit tom så långt, att motorn nu arbetar nästan precis på samma sätt som Stirlings ursprungliga uppfinning! Arbetssättet är följande, se bild 1: Först befinner sig de båda kolvarna tätt ovanför varandra, så att det kalla rummet är mycket litet och gasen befinner sig i det varma. Gasen börjar expandera i det varma rummet, varvid kolvarna rör sig nedåt. Sedan börjar den övre förträngningskolven röra sig uppåt och tränger gasen genom uppvärmaren, regeneratorn och kylaren till det kalla rummet under fortsatt expansion av gasen. Det sker genom att den nedre arbetskolven inte nämnvärt rör sig under det här skedet och det kalla rummet växer. Den strömmande gasen värmer regeneratorn, som består av en porös massa. Efter expansionen börjar arbetskolven röra sig uppåt, medan förträngningskolven fortfarande är i närheten av sitt övre dödläge, så att det varma rummet är mycket litet. Detta betyder, att gasen komprimeras i det kalla rummet. Förträngningskolven börjar röra sig nedåt och driver den kalla gasen genom den nu varma regeneratorn tillbaka till uppvärmaren och det varma rummet. Regeneratorn ger den tillvaratagna värmen tillbaka till gasen och dess temperatur avtar igen. Härmed har kretsprocessen fullbordats. Förbränningen är utvändig på samma sätt som i en ångpanna och arbetsgasen uppvärms genom en värmeväxlare (uppvärmare). Härigenom kan man använda en kontinuerlig förbränning och är fri att använda vilken arbetsgas som helst. De önskade kolvrörelserna kan åstadkommas med flera alternativa mekanismer, men den av Meijer år 1953 uppfunna mekanismen, rhombic drive

Forum 14/1973

HOT EXPANSION SPACE

HEATER DISPLACER

REGENERATOR

COOLER

COLD COMPRESSION |

SPACE RSS SÅ

PISTON N N

EXTERNAL SEALS

LIIITITILIT >

SYNCHRONIZING GEARS

RHOMBIC DRIVE

Bild 1: Prineipskiss av en Stirlingmotor

Hot expansion space = det varma rummet Heater = uppvärmare

Displacer förträngningskolv Regenerator = regenerator Cooler = avkylare

Cold compression space = det kalla rummet Piston arbetskölv External seals tätningar

Synchronizing gears = kugghju! för synkronisering Rhombic drive = rakförningsmekanis 19

Teilkreis der Synchronisierungsräde —b- Abgas Brerstoff ZerstöuberBrenner: Ringförmiger Yerbindungskanal Ertitzerrohre Heisser Raum- Kähtrippen Brennerluft. Einläss -Regenerator Verdrängerå kählwasser Kalter Raum z Kolben- d -Rollsockendichtung Puffer Raum -Verdrängerstange = -Kolbenstange Tellkreis der Synchronisierungsräder: - tbenjoch ‘Gegengewicht: o & Kolbenpleuelstange . f kurbelradius Verdrängerpleuelstange -— o 3 Verdrängerjoch - : Rhombengetriebe Bild 2: Förenklat tvärsnitt av en Stirlingmotor Abgas = avgas Ringförmiger Verbindungskanal = ringformig anslutningskanal Erhitzerrohre = uppvärmarrör Köhlrippen = kylningsribbor Regenerator = regenerator Köhlwasser = kylvatten Rollsockendichtung = tätning Verdrängerstange = förträngningskolvens kolvstång Kolbenstange = arbetskolvens kolvstång Kolbenjoch = fotstycke Kolbenpleuelstange = vevstake Kurbelzapfen = vevtapp Kurbelradius = vevradius Rhombengetriebe = rakförning - Verdrängerjoch = fotstycke Verdrängerpleuelstange = vevstake Gegengewicht = motvik kugghjulets delningscirkel

Puffer Raum = styrningsbehållare Kolben = arbetskolv

Kalter Raum = det kalla rummet Verdränger = förträngningskolv Brennerluft Elnlass = luftintag

Heisser Raum = det varma rummet Brenner = brännare Brennstoffzerstäuber = insprutningsventi (diagonalmekanism), har den fördelen, att den kan balanseras fullständigt och fungerar samtidigt som en rakförningsmekanism, alltså ersätter ett tvärstycke. Ett förenklat tvärsnitt av en reell Stirlingmotor återges i bild 2.

Den teoretiska Stirlingprocessen består av en isoterm kompression, regenerativ uppvärmning i konstant volym, isoterm expansion samt regenerativ avkylning i konstant volym. Tar man i beaktande att regeneratorn aldrig är ideell, kan man härleda följande formel för processens termiska verkningsgrad:

Be: Nc 2= per (1-0 SE-n 2 ne 1— Tmin / Tmax = Carnotprocessens verkningsgra e = kompressionsförhållande v = värmeväxlarens (regeneratorns) rekuperationsgrad Cvm = molär värmekapacitet i konstant volym

R = allmän gaskonstan " Genom att förbränningsprocessen är kontinuerlig har ma i en Stirlingmotor förlorat den vanliga förbränningsmotorns kanske främsta fördel, nämligen att förbränningsrummet är utsatt för den höga förbränningstemperaturen endast periodiskt och avkyls däremellan. Därigenom kan den vanliga förbränningsmotorn utstå till och med de högsta temperaturer, som kan förekomma i förbränningsprocessen av vanliga flytande och gasformiga bränslen. I Stirlingmotorn begränsar däremot tmaterialens hållfasthetsegenskaper den maximala temperaturen till ca 620”C i tung drift och ca 670?C i personbilar. Såsom carnotverkningsgraden visar, innebär detta en avgörande begränsning för den totala verkningsgraden. I bild 3 har Stirlingprocesseris verkningsgrad presenterats som en funktion av rekuperationsgraden och den maximala temperature . för heliumgas. De två lägsta kurvorna representerar ovan nämnda temperaturer, Den översta kurvan motsvarar Tmax = 1200 K= 927 C, Kunde man alltså utveckla material, som utstår den här temperaturen, så skulle verkningsgraden stiga med ca 10 9/0. Men den här utvecklingen skulle komma också gasturbinen till godo. Och å andra sidan skulle en sådan temperatur begränsa slagen av möjliga bränslen till de allra renaste. Bilden visar också tydligt, att en god rekuperationsgrad är väsentlig.

I verkligheten är verkningsgraden mycket sämre. Först måste man komma ihåg, att förbränningen är utvändig och belastad med rökgasförluster och förluster i oförbränt bränsle liksom i ångpannan. Motsvarande ”ångpanne” — verkningsgrad torde knappast överstiga värdet 0,85. De verkliga expansions- och kompressionsprocesserna är inte isotermiska. Friktionen och hjälputrustningen minskar effekten ytterligare. Resultatet blir, att den totala verkningsgraden ligger någonstans mellan värdena för otto- och dieselmotorer. Den är alltså rätt bra. Typiskt för Stirlingtrotorn är, att verkningsgraden sjunker kraftigt med högre varvtal. Förklaringen ligger däri, att regeneratorns rekuperationsgrad blir sämre, dvs den porösa massan hinner inte ta upp värme och avge den. Dessutom avviker kompressions- och expansionsprocesserna mer och mer från isotermer 07 3, ” Li Tmox

Tmi 2,75 2 0 0 04 T T T T T T E 06 07 0,8 0,9 10

Bild 3: Den regenerativa Stirlingprocessens verkningsgrad som funk tion av kompressions- och temperaturförhållanden för & = 2 oc heliumgas.

Forum 14/1973

En annan viktig faktor är givetvis effekten. Teoretiskt kan man visa, att den är direkt proportionell mot det lägsta trycket. Därför är det fördelaktigt och ur kostnadssynpunkt nödvändigt att använda högsta möjliga tryck i systemet. Hittills har man använt tryck upp till 110 bar, men man strävar till det dubbla. Dessa höga tryck förutsätter, att tätningen är absolut felfri. Philips har utvecklat en mycket genial kolvstångstätning, men trots den har man haft svårigheter i den här frågan. Då effekten beror på trycknivån, men reaktionskrafter förorsakade av den instationära strömningsprocessen är proportionella mot gasmassan, är det fördelaktigt att välja lättast möjliga arbetsgas. Hittills har man använt helium och luft men väte är inte heller uteslutet, om tätningen blir tillräcklig tillförlitlig.

Regleringen av effekten sker genom att föra mera gas in i systemet ur ett tryckkärl eller pumpa ut den med en kompressor. För snabb bromsning kan man kortsluta.det varma oc kalla rummet.

Den fullständiga balanseringen och de låga tryckvariationerna medför, att Stirlingmotorn är mycket tystare än förbränningsmotorn. Starten tar däremot något längre tid. Jämför man energibalanser av de båda motortyperna, ser man, att Stirlingmotorns kylningsbehov är mer än dubbelt så stort som dieselmotorns, en följd av en sluten kretsprocess. Kylarytan och fläkteffekten blir därför också större.

Ur bild 2 ser man utan vidare, att en Stirlingmotor har en stör byggvolym. Dessutom består den delvis av dyra högtemperaturmaterial. En opartisk kommitté i USA har nyligen gjort en omfattande analys av alla kraftmaskinstyper, som kan komma ifråga i bilar. Enligt den är Stirlingmotorn i dag 2,5 …3 gånger så dyr som en bensinmotor. Och man räknar med, att efter fortsatt utveckling blir den kanske ”bara” två gånger så dyr . . . Efter allt detta frågor man sig: Varför? Vilka fördelar kan en sådan motor erbjuda, som inte uppnår dieselmotorns verkningsgrad, som slukar mycket mera kyleffekt, vars tätningar inte är tillförlitliga och som till på köpet kostar mycket mera? Det är de låga avgasföroreningarna. Detta gäller först och främst kväveoxider, såsom den bifogade tabellen visar. Termodynamiken visar att det uppstår mera kväve FÖRORENADE ÄMNEN I AVGASERNA MGR / Hkr/ sek

NO co oförbrännt Stirlingmotorn 0.1—0.2 0.05—0.2 0.0015—0.009 Gasturbin (regenerativ) 0.7—2.0 2.0 —3.6 0.0120—0.072 Dieselmötorn 0.4—2.0 0.2 —5.0 0.8 —12 Otto-motorn 0.6—2.0 40 —100 15 —12 oxider i höga förbränningstemperaturer och vid höga tryck. I detta hänseende är Stirlingprocessen bättre än någon av de andra: förbränningen sker ju i atmosfäriskt tryck och temperaturen är låg. Den fördelaktiga avgascirkulationen är lätt att anordna. Visserligen har en annan, kanske mera opartisk forskargrupp genom mycket omsorgsfulla mätningar kommit till den slutsatsen, att Stirlingmotorn och gasturbinen är ungefär likvärdiga. Hur som helst finns drivkraften till Stirlingmotorns utveckling. I dag fyller ju ingen konventionel “kraftmaskin de krav, som man kommer att ställa på avgas föroreningar i USA redan år 1976. Stirlingmotorn är därför ett löfte. Men dess uppenbara nackdelar kan Jeda till, att lagarna tolkas lindrigt. Då kommer den inte enligt författarens åsikt att vara konkurrenskraftig. Möjligen kan den också i ett sådant fall komma till användning i stadsbussar i sådana områden, där man av pollutionsskäl förbjuder annan trafik. En alldeles annan sak är, att Stirlingmotorn har ett antal militära tillämpningar. Det är också en av orsakerna till dess vidareutveckling. Oo

Ilmari Kurki-Suonio

Forum 14/1973

Dosentur i elektrisk kraftteknikk med spesielt fagområde elektriske anlegg

Ved Universitetet i Trondheim, Norges tekniske hegskole, er det ledig et dosentur I Elektrisk kraftteknikk med spesielt fagområde elektriske anlegg.

Fagområdet omfatter generelt planlegging av utbygging og drift av elektriske kraftsystemer. I dette inngår prosjektering av elektriske produksjonsoverferings- og fordelingssystemer med utstyr for vern, styring og regulering. Til faget harer videre beregning av kraftoverfaringssystemer i stasjonser og transient tilstand. Dessuten inngår teknisk-akonomiske beregninger for utbygging og drift samt pålitelighetsvurdering av kraftsystemet.

Mer detaljert betenkning om dosenturets fagområde og arbeidsoppgaver fås ved henvendelse til Sekretariatet, NTH.

Sekere må kunne dokumentere faglige kvalifikasjoner, og gjennom egen innsats”ha vist vitenskapelig kompetanse innen ett eller flöra felter av fagområdet. Under ellers like forhold gis preferanse til sakere med erfaring fra posjektering av elektriske anlegg. Det vil også bli lagt vekt på pedagogiske evner.

Lenn etter sjefsregulativets kl. 2, kr 86 490,— pr. år. Herfra går pensjonsinnskudd, kr 1 640,— pr. år.

Dosenten tilsettes med plikt til. uten godtgjarelse å finne seg i de forandringer som måtte bli bestemt med hensyn til fagområdet, og må finne seg i de bestemmelser som er eller måtte bli gitt med hensyn til pensjonsordning og aldersgrense.

Sertrykk av publikasjoner (helst i 5 eksemplarer), eventuelt opplysninger om og/eller dokumentasjoner av andre arbeider som kan vere av betydning for bedemmelsen av sekerens kvalifikasjoner, sendes Sekretariatet, NTH, innen en måned fra soknadsfristens utlop. Vitenskapelige arbeider som er under utfarelse når innleveringsfristen leper ut, kan sendes inn inntil tre måneder etter soknadsfristen, når det blir gitt melding om det ved innlevering av de evrige arbeider.

Seknad med opplysninger om utdanning og tidligere virke, og med vitnemål og helseattest, stiles til Kongen og sendes Universitetet i Trondheim, Norges tekniske hogskole, Sekretariatet, 7034 Trondheim — NTH innen 15. oktober 1973.

2