 İskoç bir rahip olan Reverent Robert STIRLING 1816 yılında dışarıdan ısı vermeli bir motor tasarlamış ve ilk sıcak hava motorunu yapmıştır. Daha sonra bu çevrime göre çalışan makineler STIRLING motoru olarak isimlendirilmiştir.
Yirminci yüzyılda petrolün kullanımında ve içten yanmalı motorlarda meydana gelen büyük gelişmeler bir ölçüde Stirling motorunun gelişimini olumsuz yönde etkilemiştir. İçerisinde bulunduğumuz yüzyılın son yarısında yaşanan büyük enerji krizleri ile birlikte bu motorlar üzerindeki çalışmalar büyük önem kazanmıştır. Stirling motorunun, diğer içten yanmalı motorların aksine kullandığı enerjinin türe bağlı olmaması bu motorları gelecek için daha ümit verici hale getirmiştir.
Odun, kömür, petrol ürünleri, doğal gaz, bitkisel atıklar, güneş enerjisi, nükleer enerji, jeotermal enerji ve adını sayamadığımız bir çok enerji kaynağı Stirling motorlarında kullanılabilmektedir. Ayrıca açık ve kapalı devre olarak çalışabilme özelliğine sahip olan Stirling motorlarında değişik çalışma maddeleri kullanılabilmektedir. Özellikle hidrojen ve helyum gibi ısı iletkenlik katsayıları yüksek gazlar kapalı sistemde kullanılmak suretiyle termik verimleri % 40'a kadar yükseltebilmektedir.
Aynı zamanda kapalı devre olarak kullanıldığında doldurma basıncı yüksek tutularak motor momentinin ve özgül gücünün yüksek olması sağlanabilmektedir.
Malzeme bilimindeki gelişmeler Stirling motorunun gelişimini olumlu yönde etkilemiştir. Yüksek sıcaklığa dayanıklı hafif metaller kullanılarak parçaların ısı iletimi artırılarak aynı zamanda atalet kuvvetleri azaltılmaktadır.
Bu gün Stirling motorlarının en önemli problemi sızdırmazlık ve ölü hacimler olarak gösterilmektedir. Stirling motorlarında ısıtıcı, soğutucu, birleştirme portları ve rejeneratör boşluğu ölü hacim olarak tarif edilmektedir, bu hacimlerin büyük olması motor veriminin ve gücünün düşmesine neden olmaktadır.
Robert Stirling'den bu güne birçok Stirling motoru yapılmıştır. Bunlar; serbest pistonlu, krank biyel mekanizmalılar, Rhombic drive mekanizmalı, eğik plaka mekanizmalı ve sıvı pistonlu motorlardır.
Günümüzde, İsrail'de güneş enerjisi ile çöl şartlarında çalıştırılan çok sayıdaki Stirling motorları ile başarılı bir tarımsal sulama yapılmaktadır. Araştırmalar, 2000'li yıllara gelinmeden, malzeme ve üretim tekniklerindeki önemli aşamaların yardımı ile Stirling motorlarının günlük yaşamın bir parçası haline geleceğini göstermektedir. Bu alanda çalışan birçok araştırmacı tersinebilir hava çevrimlerinde meydana çıkması mümkün olan ve bilinen hiçbir diğer işlemlerce ulaşılması mümkün olmayan, motorun çalışmasında yaratılıştan var olan yüksek termodinamik verimini anlamaya başlamışlardır. Geçmiş çalışmaların gözden geçirilerek bu alanda daha ileri makineler yapılması ile tanımlanmış prensiplerin uygulanması için zemin hazırlayacak güç üretimi, elektrik jeneratörü, güneş enerjisi dönüştürücüsü, soğutma makinesi, klima cihazı olabileceği gibi sıvılaştırıcı yada düşük sıcaklıklarda fiziksel araştırma aleti olarak ta kullanılabilecektir.
STİRLİNG MOTORLARININ TARİHSEL GELİŞİMİ
İlk Stirling motorunu İskoç bir rahip olan Reverent Robert Stirling dışarıdan ısı vermeli bir motor olarak tasarlamış ve ilk sıcak hava motorunu yapmıştır.
Kardeşi James Stirling uzun yıllar bu motoru geliştirmiştir. Bu motorda güç pistonu ve yer değiştirme pistonu (displacer) düzenlemesi kullanıldı. Stirling' in geliştirme çalışmaları sırasında yaptığı bu motorlarda ne valf nede pistonların kontrol edildiği portlar mevcuttu. Stirling' in en önemli buluşu, çalışma gazının ısısını bir bölgeden diğer bölgeye geçişi sırasında depolayan rejenaratördü.
Robert Stirling 1850'lere kadar iki ve üç silindirli yer değiştirme pistonlu tipte motorlarda yaptı. Ancak bu motorlar Stirling' in yaptığı tek silindirli motorlar kadar iyi performans gösteremedi.
Ericsson 1853 yılında açık çevrimli ısı alışverişi yapan bir motoru tanıttı. Bu motorlarda akış kontrolü valf ile yapılmış ve Ericsson motoru olarak tanımlanmıştır.
Lehman, 1860'lı yıllar da, Almanya'da yaptığı tek silindirli, yer değiştirme pistonlu motorda rejeneratör kullanmamasına rağmen son derece iyi sonuçlar elde etti.
Philips, Stirling motorlarının değişik serileriyle bu alana girdi. Bu alandaki tek önemli yenilik 1876'da Philadelphia'da Rider tarafından tanıtıldı. Rider bu çalışmasında rejenaratör ile kompresyon ve genişleme bölümlerini birbiriyle dıştan boru ile birleştirdi.
Birinci Dünya savaşına kadar bu motorlarda temel yakıt olarak kömür kullanılıyordu ve verim % 7 mertebesinde olmasına rağmen yeterli sayılıyordu.
Stirling motorunun değişik bir düzenlemesi de Philips araştırma laboratuarında 1930 yılı ortalarında çalıştırılmıştır. Bu motorlar düzenli elektrik enerjisi bulunmayan bölgelerde, radyolar için elektrik jeneratörü olarak kullanılmışlardır. Almanya'da Stirling motoru üzerinde çalışmalar ikinci dünya savaşı süresince devam etmiş ve savaştan kısa süre sonra bir motor geliştirilmiştir. Brillant araştırma ve mühendislik jeneratör olarak küçük bir sıcak hava motoru yapılmıştır. 1938'de Profesör Holst Stirling motorlarının gerçek ve teorik verimliliği arasında büyük farklılıklar tespit etti. Bundan sonra Almanya'nın Hollanda'yı işgali sırasında araştırmalar H. Rinia'nın kontrolü altında gizli yürütüldü. Farklı yakıtlar denendi, çalışma maddesi olarak değişik şarj basınçlarında hava kullanıldı. 1958 yılında yapılan bir anlaşma ile General motor firması Philips lisansı ile çalışmalar yapmıştır. General motor 1958'de, Rhombic-dirive mekanizmalı motorların geliştirilmesi için bir program yaptı. Araştırmalarında daha çok prime mover olarak adlandırılan ilk hareket sırasındaki ısıtma sürecini kısaltan eleman üzerinde durdular. Taşıtlarda, torpido sürücülerde, deniz altıların hareketinde ve uzaycılık için kullanılan motorlarda prime mover kullanmak gerekmekte idi.
1960' lı yıllarda William Beale tarafından serbest pistonlu Stirling motoru teorisi ortaya atıldı ve 1970'li yıllarda gösteri amaçlı küçük bir serbest pistonlu stirling motoru yapıldı. 1971 yılında General motor Philips firması ile olan anlaşmasını iptal etti ve Ford firması ile anlaşarak 1977 yılında otomobiller için bir stirling motoru yaptı.
1977 yılında U.S. enerji bölümünde dıştan yanmalı 370 kW'tan 1480 kW gücüne kadar çeşitli Stirling motorları yapıldı. Bu motorlarda alternatif yakıt kullanma imkanı sağlandı.
1987'de Trukhov ve arkadaşları, Özbekistan Fizikoteknik Enstitüsü'nde, Güneş enerjisi ünitelerinde kullanılmak amacıyla, 500 W'lık çift silindirli bir Stirling motoru geliştirdiği ve denemelerden başarılı sonuçların alındığı bildirilmektedir. Geliştirilen prototipin ısıtıcı sıcaklığı 873 K, soğutucu sıcaklığı 293 K, faz açısı 90° ve motor devri 1000-1200d/d'dır.
STİRLİNG MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİBİ
Bir kutunun üzerine lastik bir balon takalım. Kutu ısıtıldığında içerisindeki hava genişleyerek balonun şişmesine neden olacaktır. Tersi durumda ise yani kutu soğutulduğunda ise balon büzüşecektir
Motorun esas kısmını iki bölümden meydana gelmiş boşluk oluşturur. Yer değiştirme pistonunun üst kısmında kalan birinci bölge (sıcak bölge), sürekli olarak ısıtılan sıcak gazlar için genişleme boşluğunu; iş yapan piston ile yer değiştirme pistonu arasındaki ikinci bölge de (soğuk bölge), sıkıştırma boşluğunu oluşturur.
İş yapan piston A.Ö.N.'da iken çalışma maddesinin büyük bir kısmı alt bölmededir. ( I. Durum )
İş yapan piston yukarıya doğru hareket ettiğinde sıkıştırma işlemi başlar.(II. Durum)
Yer değiştirme pistonu aşağıya doğru hareket edince, gazlar soğuk bölgeden sıcak bölgeye doğru itilirler. ( III. Durum )
Son olarak sisteme sürülen ısıya bağlı olarak ısıtıcıda ısınan gazlar genişleyerek iş ve yer değiştirme pistonunu beraberce aşağıya doğru iterler. ( IV. Durum )
Stirling çevrimine göre çalışan bir ısı makinesinde sistemin çalışması, ve çevrimin ölü noktalarında piston düzenlemesi ve zaman yer değiştirme diyagramı aşağıda şekilde verilmiştir.
1-2 işlemi : İzotermik sıkıştırma, tC sıcaklığındaki çalışma maddesinden dışarıya ısı transferi,
2-3 işlemi : Sabit hacimde sisteme ısı sürülmesi, rejeneratörden çalışma maddesine ısı transferi,
3-4 işlemi : izotermik genişleme, TH sıcaklığındaki harici kaynaktan çalışma maddesine ısı transferi,
4-1 işlemi : Sabit hacimde genişleme, çalışma maddesinden rejeneratöre ısı transferi.
Şematik olarak çalışması gösterilen sistemde aralarında rejeneratör bulunan iki karşı piston vardır. Burada rejeneratör ısıyı depolayan bir elemandır. Rejeneratör, ısı depolama kapasitesi yüksek olan metal tellerden yada ince metal levhalardan yapılır.
Pistonlardan her biri rejeneratörün iki tarafında bulunan silindirlerin içerisinde çalışırlar. Pistonlardan birisi içerisinde TH sıcaklığında çalışma maddesi bulunan genişleme bölgesinde, diğeri ise içerisinde TC sıcaklığında çalışma maddesi bulunan ve sıkıştırma bölgesi olarak tanımlanan silindir içerisinde çalışır.
Çevrimin başlangıcında sıkıştırma bölgesindeki piston en dıştaki ölü noktada bulunur, genişleme bölgesindeki piston ise en içteki ölü noktada bulunur ve rejeneratörün kendi tarafındaki yüzeyini kapatır. Bütün çalışma maddesi sıkıştırma odasındadır ve soğuktur. Bu hacim maksimum sıkıştırma hacmidir, basınç ve sıcaklık bu esnada minimum değerdedir.
1-2 arasındaki izotermik sıkıştırma işlemidir. Bu işlem sırasında en dışta ölü noktada bulunan sıkıştırma pistonu içe doğru hareket eder ve genişleme pistonu sabittir. Çalışma maddesi kompresyon hacminde sıkıştırılır ve basınç artar. Sıcaklık sabit tutulur, çünkü ısı (QC) kompresyon hacmini oluşturan silindir tarafından dışarı atılır.
2-3 transfer işlemi sırasında her iki piston da eşzamanlı hareket eder. İş pistonu rejeneratöre doğru hareketine devam ederken genişleme pistonu rejeneratörden uzaklaşır. Bu işlem sırasında çalışma maddesi rejeneratörden geçerek sıkıştırma hacminden genişleme hacmine dolmaya başlar. Çalışma maddesi rejeneratörden geçerken, rejeneratörden çalışma maddesine ısı transfer edilir. Isı transferi ile çalışma maddesinin sıcaklığı TC sıcaklığından TH sıcaklığına yükselir. Çalışma maddesi rejeneratörden geçerken sıcaklık kademeli olarak artar ve basınç artışı sağlanır.
3-4 işlemi genişleme işlemidir. Genişleme işlemi sırasında sıcak bölgede çalışan piston rejeneratörden dışa, ölü noktaya doğru hareket eder. Kompresyon pistonu içteki ölü noktada sabittir ve rejeneratöre bitişiktir. Genişleme işlemi devam ederken hacim arttığı için basınç düşer, sıcaklık sabit kalır çünkü ısı (Q E) sisteme bir harici kaynaktan aktarılır.
Çevrimde son işlem 4-1 işlemidir, bu işlem sırasında her iki pistonda eşzamanlı hareket eder. Çalışma maddesi sabit hacimde geriye, başlangıç pozisyonuna transfer edilir. Rejeneratörden geçen çalışma maddesi genişleme hacminden sıkıştırma hacmine dolar. Rejeneratörden geçiş sırasında ısı, çalışma maddesinden rejeneratöre transfer edilir. Çalışma maddesinin sıcaklığı azalarak TC sıcaklığında kompresyon hacmine dolar.
Bu işlem sırasında rejeneratöre verilen ısı bir sonraki çevrimin 2-3 işlemi sırasında rejeneratörden çalışma maddesine geri transfer edilir.
SOĞUTMA MAKİNASI OLARAK STİRLİNG ÇEVRİMİ
Birinci tip makinede, çevrime ısı yüksek sıcaklıktaki bir kaynaktan sağlanır. Isının bir kısmı işe dönüştürülür ve bir kısmı da soğuk kaynak sıcaklığında sistemden atılır. Soğutma çevrimi olarak Stirling makinelerinde tek fark genişleme işlemi sırasında harici kaynaktan sağlanan ısının sıcaklığı, sıkıştırma işlemi sırasında iş akışkanından atılan ısının sıcaklığından daha küçüktür. Yani sistem soğuk kaynaktan ısı alır ve daha yüksek sıcaklıktaki sıcak kaynağa ısı verir, bu demektir ki soğutma çevriminde makineye dışarıdan iş verilir. Şekilde birinci tip makine ve soğutma makinesi olarak Stirling çevriminin P-V ve T-S diyagramları görülmektedir.
Isı pompası olarak Stirling çevrimi soğutma çevriminin aynısıdır, genişleme hacminin sıcaklığı Tref ve ondan daha düşük olan kompresyon hacminin sıcaklığı da Tmin olarak tanımlanmıştır. Soğutma makinesi ve ısı pompası olarak çalıştırıldıklarında her ikisinde de Tmin ve Tref artırılır. Birinci tip makinede ve soğutma makinesinin her ikisinde de Tmin sıcaklığı atmosferik sıcaklıktır. Halbuki ısı pompasında sistemden ısı Tmin sıcaklığında atılır ve faydalı ısı olarak ısıtma amacıyla kullanılır.
Bu yüzden ısı pompası için, Tmin atmosferik sıcaklığın üzerindedir ve ısı Tref sıcaklığında çevrime atmosferik havadan yada yaklaşık atmosfer sıcaklığındaki soğutma suyundan sağlanır.
STİRLİNG MOTORLARININ AVANTAJLARI
Potansiyel olarak en yüksek verime sahip bir ısı motorudur. Sürekli çalışma şartlarında pratik termik verimleri % 40 hatta daha fazla değere ulaşır. Teorik termik verim ise Carnot çevriminin verimine denk olup sıkıştırma oranına bağlı değildir.
Her tür yakıtı kullanabilir. Hatta güneş enerjisi veya nükleer enerji ile de çalışabilir.
Ateşleme, enjeksiyon, yağlama sistemi gibi yardımcı sistemlere ihtiyaç duyulmamakta ve supap kullanılmadığı için bakıma olan ihtiyacı daha azdır.
Silindir içerisinde çalışma gazının temas ettiği hassas yüzeylerde yanmadan kaynaklanan kirlenmeler oluşmadığı için motor uzun ömürlüdür. Bu motorlarda yağlama yağının soğutma özelliğinden kaynaklanan ısı kayıpları olmaz. Yüksek şarj basıncında kapalı bir çevrimde çalıştığından, çalışma maddesi, atmosferden, toz ve diğer kirleticilerden yalıtılmıştır. Yanma sonunda ortaya çıkan ürünler hareketli herhangi bir parçaya temas etmemektedir. Bu nedenle aşıntı daha az olacağı için motor parçalarının ömrü daha uzundur.
Dıştan yanmanın oluşturduğu NOX, CO2, yanmamış HC ve parti küller daha azdır.
Her devirde bir çevrim tamamlandığından daha düzgün tork çıkışı elde edilmekte ve neticede motor az titreşimle çalışmaktadır. İçten yanmalı motorlarda olduğu gibi yüksek devirden kaynaklanan balanssızlığın ortaya çıkardığı titreşimler, Stirling motorlarında daha, azdır.
Dıştan yanmalı sistemin önemli avantajlarından birisi, içten yanmalı motorlarda görülen patlamalı yanmanın ortaya çıkardığı gürültülerin olmayışıdır. Amerikan ordusu tarafından 3 kW'lık tek silindirli bir Stirling motoru ile aynı güçteki bir içten yanmalı motorda, bütün işletme şartlan altında gürültü ölçümü yapılmış ve Stirling motorunun 21 dB daha sessiz olduğu tespit edilmiştir.
Supaplar, kam mili, hava fîltresi, yakıt pompaları, yağlama sistemi, ateşleme sistemi gibi yardımcı sistemlerin ve hareketli parça sayısının az olması üretimin daha ucuz olmasını sağlar. Stirling motorlarının montajı, bakım ve onarımı diğer motorlara nazaran ucuz, kolay ve çabuktur.
STİRLİNG MOTORLARININ DEZAVANTAJLARI
- Isıtıcı ve soğutucudaki termik ataletler nedeni ile hızlanma ve yavaşlamanın (güç kontrolünün) geç olması.
- Yüksek sıcaklığa maruz kalan ısı transferi yüzeylerinde korozyon tabakasının oluşması.
- Aynı güçteki içten yanmalı motorlara nazaran daha büyük kütle ve boyutlar.
- Çalışma ve krank boşlukları arasındaki sızdırmazlık problemleridir.
- Çalışma gazı özel olan motorlarda (Helyum ve Hidrojen) çalışma gazının zamanla boşalması
- Otomobilde kullanıldığında uygun soğutma problemi bulunmaktadır.
STİRLİNG MOTORUNUN BAŞARISIZLIĞININ TEMEL NEDENLERİ
- İzotermal olmayan sıkıştırma ve genleşme,
- Isıtma ve soğutmadaki sınırlama,
- Egzoz kayıpları,
- Ölü bölgenin fazlalığı,
- Aerodinamik akış kayıpları,
- Rejeneratörün istenildiği gibi çalışmaması,
- Sürtünme kayıpları
- Sızdırmazlık
STİRLİNG MOTORUNUN ÜRETİM GÜÇLÜKLERİ
- Teknik engeller ve maliyetle
- Malzeme, sızdırmazlık, ısıl durum vb. yüksek sıcaklığın getirdiği problemler
- Contalama işlemlerinin getirdiği teknolojik güçlükler
- Gaz sisteminin düşük volumetrik verimi ve sistemin karmaşıklığı, hız ve yükteki ani değişimlere yavaş cevap vermeye yol açmakta
- Motorun boyutları değiştirilmek istendiğinde fizibilite ve dayanıklılık konusundaki belirsizlikler
- Yakıt tasarrufu konvansiyonel Otto-çevrimli motor kadardır,
- Radyatörler yüksek kapasiteli ve geniş olmak zorundadır. Soğutma ısısı yüksek sıcaklıklarda ( » 38°C veya daha büyük) ise verimde düşüş meydana gelmekte
STİRLİNG MOTORLARININ OTOMOTİV UYGULAMALARI
Stirling motorunun otomotive uygulanması General Motors tarafından 1960 ortalarında gerçekleştirilmiştir. Bunu Siemens çift etkili Stirling motoru takip etmiştir. General motors Stirling motor çalışmalarına 1970 yılında son vermeden önce 4 silindirli bir otobüs motoru yapmıştır. 1968' de Philips firması otobüslerde kullanılmak üzere 4-235 tip Stirling motorunu geliştirmiş ve bu motorları DAF ve MAN otobüslerde kullanmıştır. Bu motor, 4 silindirli, silindir çapı 8,25 cm, kursu 5,00 cm, ortalama basıncı 21,6 MN/m2 , dakikada 3000 devir yapabilen 147 kW gücünde Rhombich sürücü mekanizmalı ve termal enerji depolamalı bir motordu. United Stirling Siemens çift etkili motoru geliştirerek Ford otomobilde, Ford Taunus Station'da ve dağıtım araçlarında kullanmıştır. 1973 yılında Philips ve Ford ortaklaşa yaptıkları Siemens çift etkili, 4-215 tip motor, 3 vitesli ve otomatik transmisyona sahipti. 125 kW gücündeki 4 silindirli bu motorları Ford Torino'lar da denemiştir. Bu motorun 60-73 kW arası güçlerdeki değişik konfigürasyonları Philips firması tarafından üretilmiştir.
STİRLİNG MOTORLARININ DİĞER KULLANIM ALANLARI
- Deniz tipi motorlar
- Denizaltı güç sistemleri
- Basınç makineleri
- Soğutma makineleri
- Isı pompası
- İklimlendirme makineleri
- Elektrik jeneratörleri
- Yardımcı güç motorları
- Nükleer güç istasyonları
- Suni kalp
- Fırın aksesuarları
- Hidrolik pompalar
- Askeri sistemler
- Uzay araçları
GERÇEK STİRLİNG MOTORLARINDA ÇALIŞMA KARAKTERİSTİKLERİ
GÜÇ ve MOTOR VERİMİ
Stirling motorlarında motor gücü ile termik verimin motor devri ile değişimi şekilde verilmiştir. Tek silindirli Philips Stirling motoruna ait bu grafikte farklı şarj basınçlarında motor gücü ile motor veriminin devir ile doğrusal bir değişim gösterdiği görülmektedir. Motorun çalışma maddesi hidrojen ve maksimum gücü 40 kW civarındadır. Motor verimi 1500 d/d civarında maksimum olmakta ve bu devirden sonra biraz düşüş gösterdiği, buna karşılık motor gücünün sürekli arttığı görülmektedir.
MOTOR TORKU ve DEVRİ
Stirling motorlarında motor torku motor devri ile çok az bir değişim göstermektedir. Motor torkunun devir ile çok az bir değişim göstermesi özellikle otomotiv uygulamaları için çok uygundur. Düşük hızlarda yüksek motor torku ivmelenme için arzu edilen bir özelliktir, bu özellik çok basit transmisyon sistemlerinin kullanılmasına müsaide eder. Şekilde Philips Stirling motoruna ait tork-devir ilişkisini gösteren bir grafik verilmiştir.
PERİYODİK TORK DEĞİŞİMİ
Stirling motoru düzgün tork değişiminin yanında uygun periyodik tork karakteristiğine sahiptir. Stirling motorunda tork, aynı güçteki içten yanmalı motora göre çok daha az değişim gösterir. 4 silindirli buji ile ateşlemeli motor ile 4 silindirli Philips Stirling motoruna ait tork değişimi şekilde gösterilmiştir.
Benzin motorunun gücü 106 bHP ve motor devri 3800 d/d , Philips Stirling motorunun gücü 105 bHP ve motor devri 1500 d/d iken alınan diyagramlar motorun bir devri için karşılaştırılmıştır. Diyagramda da görüldüğü gibi Philips Stirling motorunda tork değişimi %5 tir.
 |
Otomobil 
Yorumları göster/gizle
Yorum formunu göster/gizle