Stirlingmotor

Stirlingmotor: funktionsprincip och tillgängliga typer

Robert Stirling, en skotsk präst, ansökte 1816 om patent på en motor med extern förbränning som kunde konkurrera med dåtidens ångmaskin. Mer än två århundraden senare har principen inte förändrats: en extern värmekälla får en gas innesluten i en cylinder att expandera, vilket driver en kolv, varefter gasen kyls ned och dras ihop för att starta om cykeln. Det är en sluten termodynamisk motor – ingen inre förbränning, inga explosioner, inga ventiler. Gasen (luft, helium eller väte beroende på modell) cirkulerar i ett slutet kretslopp.

Det finns tre konfigurationer. Alfa-typen använder två kolvar i två separata cylindrar, förbundna via en värmeväxlare: den mest kraftfulla konfigurationen, som återfinns i seriösa industriella tillämpningar. Beta-typen placerar motorkolven och förskjutaren i samma cylinder, vilket minskar utrymmesbehovet. Gamma-typen separerar förskjutaren och kolven i olika cylindrar men med samma gasvolym: detta är den vanligaste geometrin i skrivbords- och utbildningsmodeller, eftersom den förenklar tillverkningen.

LTD-Stirlingmotor: fungerar med minimal temperaturskillnad

Modellerna LTD (Low Temperature Differential) utgör en egen underkategori. De startar med en temperaturskillnad på så lite som 4 till 6 °C mellan den varma och den kalla sidan. I praktiken räcker det att placera basen på en tekopp med 60 °C varmt te för att se svänghjulet snurra. Vissa platta solmotorer fungerar redan vid 35 °C på den varma sidan, mot en kall yta på 25 °C.

Denna känslighet för små temperaturskillnader har en baksida: dessa motorer ger lågt vridmoment. Rotationshastigheterna förblir låga, vanligtvis mellan 100 och 400 varv per minut beroende på den tillgängliga temperaturskillnaden. Man väljer dem inte för deras mekaniska effekt, utan för deras förmåga att utnyttja diffusa värmekällor – industriellt spillvärme, passiv solenergi, kroppsvärme i pedagogiska demonstrationer.

Att välja en Stirlingmotor: konkreta kriterier inför köpet

Det första kriteriet är den tillgängliga värmekällan. En stirlingmotor som drivs med alkohol eller tändstickor kräver mellan 200 och 400 °C på den varma sidan för att rotera korrekt och alstra ett märkbart vridmoment, vilket ofta räcker för att driva en liten dynamo eller ett urverk. En soldriven LTD-modell eller en modell som drivs av ”handvärme” fungerar bättre som pedagogisk demonstrationsmodell än som källa till användbar energi.

Det andra kriteriet är bearbetningskvaliteten. Modeller i bearbetad mässing med inlöpna kolvar behåller sin täthet över tid. De billigare versionerna i zamak eller obehandlat aluminium drabbas snabbt av läckage vid cylindern, vilket minskar verkningsgraden. Ett enkelt test: när motorn är kall och man långsamt vrider på vevhjulet för hand ska motståndet vara jämnt, utan trösklar eller överdrivet spel.

• Gamma-motorer med tändstift: perfekta för demonstrationer, startar inom 30 till 60 sekunder, varvtal mellan 800 och 2 000 varv per minut beroende på värmebelastningen.
• LTD-solmotorer: reflekterande kylplatta i aluminium + svart värmeplatta, fungerar i full sol eller med en ljummen värmekälla. Lågt varvtal men spektakulär start vid 40 °C.
• Flercylindriga alfa-motorer: mer komplexa konfigurationer, faktisk verkningsgrad mätbar med hjälp av en enkel broms, intressanta för gymnasie- eller högskoleprojekt inom tillämpad termodynamik.

Stirlingmotor för undervisningsändamål: användning inom fysik och termodynamik

Stirlingmotorn är fortfarande en av de få termomekaniska omvandlarna som man kan bygga, mäta och analysera utan tung instrumentering. På gymnasiet eller i yrkeshögskolan gör den det möjligt att konkret arbeta med Carnot-cykeln, beräkna det verkliga verkningsgraden jämfört med den teoretiska och direkt visualisera effekten av en regenerator på cykelns effektivitet.

De tillgängliga monteringssatserna varierar i komplexitet. Vissa kräver endast en skruvmejsel och en timmes monteringstid; andra kräver enklare bearbetning eller justering av förskjutarens höjd för att optimera fasförskjutningen till 90°. Just denna inställning av fasförskjutningen är det som skiljer en välmonterad motor från en modell som har svårt att starta: motorkolven måste nå sitt övre dödläge en kvarts varv efter förskjutaren, varken mer eller mindre.

Praktiska tillämpningar och användning av Stirlingmotorer i stor skala

Den svenska marinen har sedan 1996 använt Stirlingmotorer i sina ubåtar av Gotland-klassen för AIP-framdrivning (Air Independent Propulsion), där cykeln drivs med flytande syre som lagras ombord. Resultatet: en ljudnivå som är lägre än hos dieselmotorer och en dykningstid på 14 dagar utan att behöva stiga till ytan. Tillverkaren Kockums, som köptes upp av TKMS 2014, är fortfarande en av de få tillverkarna i världen som producerar kraftfulla Stirlingmotorer.

NASA har sedan 2000-talet utforskat termoelektriska Stirlinggeneratorer för rymduppdrag: projektet ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) siktade på en verkningsgrad på 38 % jämfört med 6–7 % för konventionella plutoniumdrivna RTG:er, innan det lades ned 2013 på grund av bristande finansiering. Dessa projekt illustrerar cykelns lämplighet för kontinuerliga och stabila värmekällor, vilket är precis motsatsen till förbränningsmotorer.

Underhåll och livslängd för en Stirlingmotor

Underhållet begränsar sig till två punkter. För det första smörjningen av kolvarna: en droppe lätt mineralolja (av den typ som används i symaskiner, viskositet 10–15 cSt) som appliceras på kolvens O-ring var 20:e till 30:e driftstimme. En för tjock olja ökar friktionen och sänker varvtalet; om ingen olja används slits packningen ut inom några timmar. För det andra, renheten på värmeytan: sotavlagringar från en tändstift ökar det termiska motståndet och minskar värmeöverföringen till gasen.

En korrekt underhållen modell av bearbetad mässing klarar flera hundra driftstimmar utan märkbar försämring. O-ringarna är fortfarande den viktigaste slitdelen; kontrollera att leverantören erbjuder reservdelar innan du köper.

Tillbehör som är kompatibla med en Stirlingmotor för skrivbordsbruk

En liten generator med permanentmagnet (av typen cykelgenerator, 5 till 12 V beroende på varvtal) kan monteras på svänghjulets axel med en gummikoppling för att dämpa vibrationer. Den producerade elen kan driva en LED, ladda en kondensator eller driva en multimeter för att mäta den faktiska effekten. För skolprojekt förvandlar detta tillägg en visuell demonstration till ett kvantifierat experiment.