Stirlingmoottori

Stirlingmoottori on lämpövoimakone, jonka käyttöaineena on kaasu. Stirlingmoottori tuottaa mekaanista energiaa lämpötilaerojen avulla. Stirlingmoottorissa olevaa kaasua vuoroin jäähdytetään ja lämmitetään, mikä saa sen paineen vaihtelemaan. Tämä paineen vaihtelu muutetaan männän avulla voimaksi ja liikkeeksi. Moottorityypin keksi skotlantilainen pappi Robert Stirling vuonna 1816. Ja seuraavana vuonna 1817 käynnistyi ensimmäinen stirlingmoottori. Stirlingmoottori jäi kuitenkin höyrymoottorin varjoon ja vasta vuonna 1938 aloitti hollantilainen Philips jatkokehityksen. Kehittämistä jatkoi vuonna 1968 perustettu ruotsalainen Kb United Stirling Ab & Co, jonka suunnitelmana oli tuottaa stirlingmoottoreita sarjatuotantoon. 1970-luvulla rakennettiin muutamia stirlingmoottoreita mm. linja-autoon ja veneisiin. Stirlingmoottorin avulla hukkalämmöstä voidaan tuottaa sähköenergiaa.

Stirlingmoottori kytkettynä käyttämään vaihtovirtageneraattoria.

Toimintaperiaate

Stirlingmoottori saa voimansa lämpötilaerosta, toisin sanoen lämpöenergiasta. Yksinkertaistetusti moottorissa on lämmin ja kylmä ”pää”, joiden välillä moottorin sisällä olevaa kaasu (esimerkiksi ilma tai helium) liikkuu vuoron perään jäähtyen ja lämmeten. Lämmittäminen tehdään ulkopuolisen palamisen avulla. Kaasun lämpölaajenemisen ja moottorin tiiviyden johdosta syntyy paineen jaksoittainen vaihtelu. Painevaihtelu muutetaan mekaaniseksi työksi männän ja sylinterin avulla, mistä syntyvä liike samalla liikuttaa koneistoa, joka saa aikaan kaasun liikkumisen kylmän ja lämpimän pään välillä.

Tehokkaimmissa stirlingmoottoreissa koneen sisällä oleva kaasu on paineistettu. Tällöin yhden moottorin kierroksen aikana käsitellään enemmän kaasua, mikä nostaa koneen tehoa. Happea sisältävän ilman paineistamisessa on kuitenkin omat ongelmansa. Korkeissa lämpötiloissa ja paineissa ilman happi alkaa reagoida herkästi muun muassa männänrenkaiden läpi päässeen voiteluöljyn kanssa, mistä seuraa jopa räjähdysriski.

Regeneraattori

Stirlingmoottorin hyötysuhdetta voidaan merkittävästi parantaa käyttämällä regeneraattoria. Kun kaasu virtaa moottorissa kohti kylmää päätä regeneraattori imee lämpöä käyttöaineesta. Kaasun virratessa jälleen kuumaan päähän regeneraattori luovuttaa varastoimansa lämmön käyttöaineeseen.

Rakenne

Stirlingkoneet jaetaan yleisesti kolmeen eri tyyppiin, alfa-, beta- ja gamma-tyypin stirlingmoottoreihin. Alfa-tyypissä on useita eri lämpötiloissa olevia sylintereitä, joiden männät yhdistetään kaasun liikuttelemista varten. Beta- ja gammakoneessa on erillinen syrjäyttäjämäntä (engl. displacer piston) siirtämässä kaasua vuoron perään kylmään ja kuumaan päähän saman sylinterin sisällä.

Alfa-stirling

Alfa-tyypin stirlingmoottori

Alfa-stirlingissä on kaksi erillistä mäntää erillisissä sylintereissä, joista toinen on kuuma ja toinen kylmä. Kuuma sylinteri sijaitsee lämmönsiirtimen sisällä kuumassa ympäristössä, ja kylmä vastaavasti viileämmässä. Alfa-tyyppi on tehokas suhteessa kokoonsa, mutta siihen liittyy teknisiä ongelmia johtuen tavallisesti korkeasta ”kuuman” männän lämpötilasta ja sen tiivisteiden kestävyydestä.

Hyötysuhde

Moottorin hyötysuhdetta voidaan merkittävästi korottaa elementillä, joka sitoo osan kuuman kaasun lämmöstä itseensä sen siirtyessä kylmään päähän, ja luovuttaa sen takaisin kylmälle kaasulle sen siirtyessä jälleen kuumaan päähän toimien näin eräänlaisena esilämmittimenä ja -jäähdyttimenä.

Edut ja haitat

Beeta-tyypin stirlingmoottori

Edut

• Oikein rakennettuna hyvä hyötysuhde
• Voi ottaa käyttövoimansa mistä tahansa lämmönlähteestä
• Polttoainetta voidaan polttaa katkeamattomalla syötöllä, mikä vähentää useita tyypillisiä päästöjä (vrt. polttomoottori)
• Voidaan rakentaa hiljaisiksi
• Toiminta ei perustu palamisprosessiin, joten ei vaadi ilmaa (happi) toimiakseen. Voidaan täten rakentaa toimimaan esimerkiksi sukellusveneissä tai avaruudessa

Haitat

• Isokokoisia tuottamaansa tehoon nähden, varsinkin pienillä lämpötilaeroilla toimimaan suunnitellut moottorit
• Teho tyypillisesti vakio, säätely vaatii ylimääräisiä mekanismeja ja suunnittelua
• Ei käynnisty välittömästi, vaatii lämpenemisajan
• Vaatii polttomoottoria tiiviimmät männät toimiakseen hyvällä hyötysuhteella, mikä lisää hintaa.
• Parhaat työkaasut verrattain kalliita (esimerkiksi helium)
• Happea sisältävä ilma työkaasuna aiheuttaa paineistettuna räjähdysvaaran päästessään tekemisiin palavien materiaalien, esimerkiksi voiteluaineiden kanssa

Katso myös

• Carnot’n kierto

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Stirlingmoottori Wikimedia Commonsissa

• Stirling kierto (Arkistoitu – Internet Archive) (englanniksi)