Stirlingmotor projekt Praktisk prototypframtagning

Transkript

1 Stirlingmotor projekt Praktisk prototypframtagning Utförs av: William Sjöström , Q2 Sammanfattning I detta projekt beskrivs hur en Stirlingmotor fungerar och var de används i dagsläget och vad dess roll kan vara i framtiden. För att demonstrera dess simpla och användbara uppbyggnad så tillverkas en enklare Stirlingmotor. Olika förbättringar testas och disskuteras. Uppsala

2 Innehållsförteckning Inledning... 2 Teori... 3 MATERIALVAL... 4 VAL AV GAS... 5 OLIKA TYPER... 5 Metod... 6 Resultat... 6 FÖRBÄTTRING... 7 Diskussion... 7 Referenser... 8 Inledning Stirlingmotorn uppfanns i början av 1800-talet av Robert Stirling, den var tänkt som ett säkrare alternativ till ångmotorn som kunde explodera vid misskötsel. Men på grund av hög tillverkningskostnad och vikt i förhållande till möjligt effektuttag har inte Stirlingmotorn slagit stort på marknaden. Dessutom krävs avancerade drivlinor för många ändamål eftersom att det är svårt att ändra en Stirlingsmotors varvtal. Den kan dock komma att bli poulärare i framtiden, då den kan drivas av enbart temperaturskillnader och således inte kräver något fossilt drivmedel. För vissa användningsområden innebär detta att Stirlingmotorer kan drivas av redan tillgängliga energikällor, ett exempel på detta är som i figur 1, för att kyla varma komponenter. Figur 1 [3], en Stirlingmotor som är desigad för att helt utan elförbrukning kyla en dators processor. Värmen från processorn driver Sterlingmotorn, som svänghjul används en fläkt som drar luft genom en radiator vilken i sin tur kyler processorn. Om man kan utveckla en stirlingmotor med minimal friktion så skulle det vara möjligt att driva den med enbart solen som värmekälla, eftersom att det är värmeskillnaden som får motorn att gå så skulle det bli ännu effektivare om man använder exempelvis snö för att kyla den kalla sidan av motorn. Det finns flera företag i Sverige som arbetar med att utveckla Stirlingmotorn. Bland annat Cleanergy som arbetar för att kunna serieproducera Stirlingmotorer för att driva elgeneratorer vid fabriker [2]. Och Saab kockums som tillverkar Stirlingmotorer för att använda i Svenska försvarets nya ubåtar [1], se 2

3 figur 2, där de har fördelen att de vibrerar väldigt lite och således är svåra att upptäcka i förhållande till de konkurrerande alternativen. Möjligheten finns dessutom att driva motorn på syrgas för att förhindra att den förbrukar besättningens luft, i så fall ger den kolsyrat vatten som enda avgas vilket släpps rakt ut i havet. Figur 2 [4]. Stirlingmotor för ubåtar av typ Saab kockums V4-275R MK3 [2]. Denna typ av motor används redan aktivt i ubåten HMS Uppland. Saab kockums har även tillverkat en Stirlingmotor, tänkt för bilar, med 60 hästkrafter och ungefär samma verkningsgrad som en vanlig dieselmotor [2]. För att demonstrera hur simpel en Stirlingmotor är och för att undersöka hur verkningsgraden kan förbättras så kommer vi i detta projekt tillverka en enklare Stirlingmotor och sedan fösöka få den så effektiv som möjligt. Teori Syftet med det här projektet är att bygga en enkel Stirlingmotor i liten skala som kan drivas av exempelvis ett värmeljus. Det finns olika typer av Stirlingmotorer, den som byggs i projektet är en kombination av typen beta och gamma, mer om de olika typerna senare. Detta innebär att den har en displacer och en kolv i varsin cylinder, vilka är direkt anslutna till varandra, se figur 3. Figur 3. Bild på den färdiga Stirlingmotorn med tillagda komponentnamn. 3

4 Stirlingmotorer drivs av temperatorskillnader och utnyttjar att gaser expanderar när de värms upp, respektive krymper när de kyls ned. Detta kan för en ideal gas beskrivas av ideala gaslagen: p V = n R T (1) Där p är gasens tryck [N/m 2 ], V är gasens volym [m 3 ], n är antal mol gas, R är gaskonstanten, T är temperaturen [K]. I en perfekt Stirlingmotor förekommer inga läckage av gasen inne i tryckkammaren, således är n och R konstanta. I en perfekt Stirlingmotor förekommer heller inte någon friktion i hjullager, cylinderväggar etcetera, så ingen värmeutveckling eller bromsande krafter förekommer. Från figur 3 och ekvation (1) så kan det konstateras att när displacern befinner sig i sitt övre vändläge så att temperaturen på gasen i tryckkammaren ökar så kommer även gasens tryck-volym (p*v) att öka. Detta leder i sin tur till ett tryck-volym-arbete som trycker upp kolven. Vi kan förenklat se det som att kolven trycks upp för att ge plats åt den ökade tryck-volymen. I och med att kolven trycks upp så förflyttas kolvstaken, vilken i sin tur roterar vevaxeln, displacerstaken sänker ned displacern ned i takt med att kolven trycks upp. Displacern är tillverkad av ett material som har mindre utvidgningskoefficient än luften, således kommer inte displacern att expandera mycket i förhållande till gasen när den utsätts för värmen. Istället tvingar den gasen att förföytta sig närmare den kalla sidan, enligt ekvation (1) så minskar då tryck-volymen och kolven dras ned igen av tryck-volymsarbetet. I och med att kolven dras ned så förflyttas kolvstaken igen, vevaxeln roteras och displacern höjs. Nu har motorn utfört en hel cykel så cykeln börjar om. En viktig komponent på motorn är svänghjulet som roterar med vevaxeln. Svänghjulet bevarar rörelseenergi, vilken driver motorn förbi kolvens vändlägen och gör att motorn får ett jämnare varvtal. Rörelseenergin som kan bevaras i svänghjulet är så kallad rotationsenergi: E = I w2 2 Där I är svänghjulets tröghetsmoment och w är svänghjulets rotationshastighet. (2) Tröghetsmomentet I, för en tunn, cirkulär, homogen skiva kan beskrivas av: I = MR2 2 Där M är skivans massa [kg], och R är skivans radie [m]. Man kan alltså genom att ändra svänghjulets massa och form åstadkomma olika motorkarraktärer, typiskt vill man ha så högt tröghetsmoment som motorn orkar driva. MATERIALVAL Förutom utformningen av motorn så är materialval viktiga för att avgöra motorns effektivitet. Materialvalet för svänghjulet på projektmotorn påverkar inte så mycket förutsatt att svänghjulets form designas efter materialets densitet, projetet användes termoplast. I vissa fall skulle det kunna vara en fördel att välja ett elastiskt material eftersom att svänghjulets tröghetsmoment då skulle öka desto högre varvtalet på motorn var. Om motorn byggs för höga varvtal så bör ett material som inte riskerar att plastiskt deformeras vid hög vinkelhastighet väljas. Motorns kalla och varma sida måste ha bra värmekunduktivitet eftersom att de är dessa som värmer och kyler gasen. Den kalla och varma sidan bör isoleras ifrån varandra, annars kommer den varma sidan att leda värme även till den kalla sidan, vilket försämrar motorns effektivitet. Metaller har fria elektroner och leder därför generellt värme bra, i projektet användes aluminium både som varm och som kall sida. Detta eftersom att aluminium är en relativt mjuk metall och är således lätt att beabeta med svarv. Det finns dock andra metaller som leder värme bättre, exempelvis silver enligt tabell 1. Den varma och den kalla sidan isolerades med ett termoplast-rör, vilket relativt frigoliten tål värme bra och dessutom har låg värmekonduktivitet. (3) 4

5 För enkelhetens skull monterades dessa ihop med bultar innehållande mestadels järn, dessa leder tyvärr över värme bättre än termoplast-röret, men betydligt sämre än vad aluminiumet leder. Tabell 1. Några metallers konduktivitet. En metalls konductivitet är direkt relaterat till dess värmekunduktivitet. Displacern bör tillverkas av ett material som har låg utvidgningskoefficient och inte leder värme så bra. Det är även en bra om materialet är värmetåligt och väger lite. I detta projekt användes frigolit, vilket tyvärr inte är speciellt värmetåligt, men fungerar om motorn endast körs under kortare perioder. Det hade varit mer fördelaktigt att använda någon form av kompositmaterial, tex glas- eller kolfiberarmerad plast. Kolven måste både täta bra och ha låg friktion mot cylinderväggen. I projektet användes teflon (PTFE), vilket är en termoplast med fet yta som ger låg friktionskoefficient. Samma material användes för genomföringen av displacerstaken. För kolv- och displacerstaken användes stål eftersom att det är en billigt och hårt nog att göra hållbara gängor i. Även centrum på vevaxel tillverkades av stål medan själva vevarna tillverkades i aluminium. VAL AV GAS För att öka motorns effektivitet kan en gas som expanderar och kontraherar bättre väljas. Vätgas har bra sådana egenskaper, men är brandfarlig och diffunderar lätt igenom material. Därför används ofta helium istället, vilken har liknande egenskaper men är inert. Eftersom att projektmotorn inte är speciellt tät så används vanlig luft. OLIKA TYPER Alla Stirlingmototrer bygger på ovan beskriven grundprincip men det finns olika konstruktionsmetoder, man brukar kategorisera dessa som alpha, beta och gamma, enligt följande: Alpha: En alpha Stirlingmotor har två separata men ihoplänkade cylindrar, en varm och en kall. Denna typ av Stirlingmotor har hög verkningsgrad i förhållande till storlek och vikt, men ett problem är att den varma cylindern ofta är så varm att det är svårt att hitta en kolvtätning som håller i längden. 5

6 Beta: En beta Stirlingmotor har en enda cylinder med en varm och och kall ände. Cylindern innehåller både displacer och kolv. Till skillnad från alphavarianten så används här en displacer istället för den kalla kolven. Displacern förflyttar gasen mellan den varma och den kalla delen. När gasen är i den varma delen så expanderar den respektive i den kalla delen så krymper den. Gamma: En gamma Stirlingmotor är som en beta fast med kolven och displacern monterade i varsin ihoplänkad cylinder. Typiskt är kolvarna 90 grader ur fas från varandra. Metod Under tillverkningen så användes följande bearbetningar: Svarvning. Borrning / håltagning. Gängning. Nitning. Limning. Tätning. Montering. De flesta komponenterna svarvades till rätt storlek, vissa för att få jämn yta, andra för att få jämn balans. Resultat När motorn var monterad så var det dags att testköra motorn. Som värmekälla användes 2st värmeljus, vars effekt uppskattas till totalt 120W. För att få motorn att gå så måste över/undertrycket vara inom rätt intervall, detta justeras genom att ändra offset-vinkeln mellan kolvstaken och displacerstaken. Vid det första försöket så gick inte motorn, men detta löstes genom att täta alla skarvar med tätningsmedel och lim. Efter detta gick motorn igång, knappa 36 varv per minut uppmättes. I figur 4 är en bild på den startade motorn under ett av försöken. 6

7 Figur 4, en bild på projektmotorn i drift. FÖRBÄTTRING Resultatet var inte tillfreddställande, men efter många justeringar av vevaxeln så uppnåddes 81* varv per minut. Alla glidlager, kullager och genomföringar på motorn oljades in med lågviskositetsolja, detta orsakade dock att motorn inte gick alls, oljans viskositet skapade mer sug än vad den minskade friktionen. Motorn togs isär och lades i spritbad innan den blåstes av med högtrycksluft, efter detta uppnåddes 168* varv per minut i snitt. För skojs skull testades även motorn med sprit, is och salt på den kalla sidan för att öka temperaturdifferensen, detta gav: Med enbart sprit: 172* varv per minut. Med sprit, is och salt: 180* varv per minut. Det högsta uppmätta varvtalet för motorn utan fusk (dvs ingen is, sprit, salt) är 171 varv per minut. * = medelvärde från 3st mätningar. 7

8 Diskussion Trots enkelt utförande och billigt materialval så togs en fungerande motor fram. Med mer avancerad bearbetningsteknik så kommer Sterlingmotor i framtiden vara användbara, framförallt där det råder brist på drivmedel och elektrisitet. En sak som konstaterades är att olja inte alltid minskar de bromsande krafterna, i fallet med projektmotorn så ökade istället de bromsande kraftera på grund av oljans viskositet. För en motor i större skala bör dock oljan minska friktionen. Vidare förbättringar på projektmotorn skulle kunna vara ett elastiskt eller justerbart svänghjul, motorn har i dagsläget svårt att nå maximal rotationshastighet själv eftersom att den inte riktigt orkar driva runt svänghjulet vid lägre rotationshastigheter. Dessutom förekommer relativt stora gasläckage till/från tryckkammaren, framförallt vid genomföringen för displacerstaken. Referenser [1] [2] [3] [4]