STERLINGMOTOR. Praktisk Prototypframtagning JANUARI 19, ALEXANDER TIVED Q2

Transkript

1 STERLINGMOTOR Praktisk Prototypframtagning JANUARI 19, 2016 ALEXANDER TIVED Q2

2 Innehållsförteckning Sammanfattning... 2 Hur fungerar en stirlingmotor? (Delta/LTD konfiguration)... 2 Hur fungerar Alpha, Beta och Gamma konfigurerade stirlingmotorer?... 6 Alpha... 6 Beta... 8 Gamma... 8 Förbättringar... 9 Högre varvtal och högre effekt... 9 Materialval Bearbetningsteknik: Slutsats/Diskussion... 11

3 Sammanfattning I denna rapport beskrivs funktionen hos stirlingmotorer av olika slag. Den variant som byggdes under kursens gång är av Delta/LTD konfiguration. Olika typer av förbättringar t.ex. högre effekt och högre varvtal diskuteras också. Slutsatsen är att stirlingmotorer för närvarande inte är på samma nivå som en vanlig förbränningsmotor. För att utveckla samma effekt i en stirlingmotor som en vanlig bensineller dieselmotor måste de göras många gånger större. Dock bör den komma till stor användning i framtiden om den kan utvecklas på effektivitets- och produktionskostnadsfronten. Hur fungerar en stirlingmotor? (Delta/LTD konfiguration) Stirlingmotorn använder sig av en temperaturskillnad mellan två olika "poler" i en cylinder. Det finns olika varianter av stirlingmotorer som kommer i olika utföranden med olika egenskaper, men allt baseras på samma teknik. Grundförutsättningar för att stirlingmotorn ska fungera är att kammaren i princip är lufttät samt att kolv och ledstänger glider i respektive cylinder så att friktion nästan kan försummas. Kolven och displacern ska även jobba ur fas med 90. Jobbar cylinder och displacer i fas kommer displacer vara vid sitt lägsta läge när kolven är i sitt lägsta läge. Detta kommer leda till att motorn inte fungerar. Hela principen bygger på att kolven utsätts för varm luft när den är i sitt lägsta läge och kall luft när den är i sitt högsta läge. Samma sak gäller om de skulle jobba 180⁰ ur fas. Displacer skulle befinna sig i sitt högsta läge när cylindern är i sitt lägsta läge. Den stirlingmotor som har byggts är av modell Delta (se figur 1). Under hela konstruktionen, ungefär i mitten, placeras ett värmeljus. Efter en tid (ca 30 sekunder - 1 minut) har en tillräckligt stor temperaturdifferens skapats mellan den övre och undre aluminiumplattan för att motorn ska kunna fungera. Då inget form av tändstift eller annan form av initial kraft kan ges fjärrstyrt måste en lätt knuff ges till svänghjulet för att få motorn att gå.

4 Figur 1, första momentet med beteckningar i en cykel för Delta konfiguration. Till vänster ses bild av prototyp och till höger en illustration Den undre plattan har värmts upp vilket leder till att luften nära denna platta blir varm och expanderar för att slutligen stiga uppåt och skjuta kolven upp i hårdplastcylindern till sitt översta läge. Figur 2, bild av prototyp med beteckningar. Kraften förs över från höger till vänster sida. Kolven är kopplad till en axel som fästes i medbringare 1 på lagerhuset. Genom lagerhuset löper en axel fäst på kullager, detta görs för att minimera energiförluster i form av friktion. Denna axel är även fäst i medbringare 2 som är limmad på svänghjulet. Kraften från kolven som trycks upp i figur 1 överförs då med vad som förhoppningsvis är så lite förluster som möjligt till svänghjulet och medbringare 2.

5 Figur 3, tredje momentet med beteckningar i en cykel för Delta konfiguration. Till vänster ses bild av prototyp och till höger en illustration Kraftöverföringen som beskrevs i figur 2 gör att displacern som är fäst i en ledstång som i sin tur är fäst i medbringare 2 trycks ner och skapar en spalt med kallare luft precis under cylindern. "Majoriteten" av luften i kammaren är nu kall och har därför komprimerats. Figur 4, fjärde momentet med beteckningar i en cykel för Delta konfiguration. Till vänster ses bild av prototyp och till höger en illustration Atmosfärtrycket är högre än lufttrycket inuti kammaren. Naturen vill leva i jämvikt och kommer därför försöka utjämna denna tryckskillnad, jämför med flygplanskabin. Detta leder till att kolven trycks ner i lägsta läge.

6 Mellan kammarens väggar och displacern finns ett litet mellanrum (ca 3 mm). Detta finns för att luften nätt och jämnt ska kunna passera. Detta mellanrum måste dock vara så pass litet att ingen luft "i onödan" passerar under cykeln. En annan viktig komponent i stirlingmotorn är svänghjulet. Ett svänghjul är till för att bevara rörelseenergi. Energin som lagras i svänghjulet kan estimeras med följande ekvation E k = 1 2 Iω2 (1) Där I är tröghetsmomentet och, för en ring/hjul, beräknas genom I = 1 2 mr2 (2) Tröghetsmomentet är det vridmoment som krävs för en önskad vinkelacceleration kring rotationsaxeln. Det beror på kroppens massdistribution och hur rotationsaxeln har valts, vid högre moment krävs högre vridmoment för att ändra kroppens rotation. Om kroppen massa är jämnt distribuerad (eller kan antas sådan) finns färdiga tabeller för att hitta tröghetsmomentet för några vanliga geometriska former. ω är vinkelhastigheten, som för ett cirkulärt objekt i rörelse ges av ω = v r (3) Där v är den tangentiella hastighet för någon punkt på cirkeln på avstånd r mätt från hjulets mitt. Rörelseenergin lagrad i svänghjulet är alltså beroende av hjulets storlek, hjulets vikt samt den tangentiala hastigheten varje punkt på hjulet har. Teoretiskt bör alltså svänghjulet kunna göras väldigt stort med väldigt stor massa (enl. Ekv (1)) för att lagra stora mängder rörelseenergi. Problemet som uppstår då är att hitta en lösning som kan hålla hjulet på plats vid hög rotationshastighet och lagring av denna höga energi samt att om objektet svänghjulet fästes i ska vara i rörelse kan tyngden av hjulet göra att vinsten i lagrad energi inte är tillräckligt lönsam för att få ut maximal effekt. Det gäller således att hitta en så bra balans som möjligt mellan storlek och tyngd vid dimensionering av svänghjulet.

7 Hur fungerar Alpha-, Beta- och Gammakonfigurerade stirlingmotorer? Samtliga stirlingmotorer bygger på samma grundidé, kolv som trycks ut/upp samt trycks ner/in p.g.a. Varm- och kall luft som skapar tryckskillnader men kan byggas olika för olika ändamål. Alpha En alphakonfigurerad stirlingmotor använder sig av två kammare. Den ena kammaren hålls kall jämfört med den andra kammaren som hålls varm. Egentligen krävs bara att en temperaturdifferens finns mellan kamrarna, alltså behöver man bara kyla eller värma en av dom. I Alpha motorn sitter två axlar på samma punkt på ett svänghjul men kamrarna sitter vinkelrätt från varandra, alltså kommer cylindrarna jobba 90 ur fas (se andra stycket under Hur fungerar en sterlingmotor? (Delta/LTD konfiguration) ). Luftutbytet av kall och varm luft sker genom ett rör i botten av cylindrarna (se figur 5). (Nedanstående sekvens beskriver funktionen under drift (steady state). För att starta upp har man genom handkraft tillfört en viss energi till svänghjulet) Kolven i den varma cylindern är upptryckt till sitt högsta läge. Detta har uppstått när luften i den varma cylindern har expanderat och tryckt ut kolven. Detta medför även att en viss mängd energi har överförts och lagrats i svänghjulet. Figur 5, beteckningar och första momentet i cykeln för Alphakonfigurerad stirlingmotor Energin i svänghjulet drar den kolven i den kalla cylindern förbi dödläget mot sitt översta läge. Kolven i den varma cylindern kommer p.g.a. att de båda kolvarna sitter fästa i samma punkt på svänghjulet att komprimera luften i den varma cylindern. Varm luft kommer tvingas in i den kalla cylindern via rörförbindelsen mellan cylindrarna. Figur 6, andra momentet i cykeln för Alphakonfigurerad stirlingmotor

8 Den varma kolven befinner sig i sitt lägsta läge och har pressat all luft från den varma cylindern genom luftöverföringsröret. Luften som kommer in i den kalla cylindern och kyls vilket leder till att lufttrycket minskar. Trycket här kommer vara lägre än atmosfärstrycket och därför kommer kolven i den kalla cylindern sugas nedåt (se figur 4). Figur 7, tredje momentet i cykeln för Alphakonfigurerad stirlingmotor Den kalla kolven befinner sig i sitt lägsta läge och har tvingat all luft som befann sig i den kalla cylindern att passera genom röret till den varma cylindern. Tack vare svänghjulsmomentet har kolven i den varma cylindern börjat röra sig utåt. När luften kommer in i den varma cylindern värms den upp, expanderar och därför tvingar den uppvärmda luften kolven att pressas utåt igen. Figur 8, fjärde och sista momentet i cykeln för Alphakonfigurerad stirlingmotor

9 Beta Betakonfigurerad sterlingmotor liknar deltakonfigurationen väldigt mycket. Skillnaden mellan en Beta- och en Deltakonfigurerad stirlingmotor är att displacer och kolv jobbar i samma cylinder, till skillnad från Deltakonfigurationen där displacern och kolvjobbar i separata cylindrar. En cykel för en Betakonfigurerad stirlingmotor kan därför beskrivas på samma sätt som för en Deltakonfigurerad (se Hur fungerar en stirlingmotor? (Deltakonfiguration) ). Figur 9, skiss med beteckningar över en Betakonfigurerad stirlingmotor Gamma En gammakonfigurerad stirlingmotor kan ses som en beta motor fast med två separata cylindrar. Ena cylindern innehållande displacern- hålls varm i ena änden och kall i den andra. När majoriteten av luft i denna cylinder är varm, alltså läget som ses i figur 10, kommer varm luft strömma genom rörförbindelsen och trycka kolven nedåt. När displacern befinner sig högst upp, alltså i den röda delen av cylindern, kommer kall luft genom rörförbindelsen in i cylindern och suger tillbaka kolven. Energiöverföringen till svänghjulet kan beskrivas som för Delta- och Alphakonfigurationerna. Figur 10, skiss med beteckningar över en Gammakonfigurerad sterlingmotor

10 Förbättringar Högre varvtal och högre effekt Gaser ger upphov till ett tryck. Detta beror på att i en gas rör sig molekylerna fritt i förhållande till varandra och när de krockar med en behållares väggar uppstår ett tryck. En temperaturökning innebär en ökning av molekylernas hastighet när detta sker ökar avståndet mellan molekylerna och energin som uppstår när molekylerna krockar blir till värme och således ett ökat tryck. Sjunker temperaturen däremot kommer det att leda till ett lägre tryck. Cylindrarna fungerar som tryckkammare som varierar mellan högre och lägre tryck. Enligt teorin skulle en sterlingmotor kunna nå oändligt höga varvtal om man kunde hålla en cylinder/en sida av en cylinder oändligt kall och den andra oändligt varm. Men det finns förstås praktiska begränsningar. Högre varvtal kan uppnås om större tryckskillnader uppstår, d.v.s en större temperaturskillnad. Den prototyp som framtagits som grund till denna rapport lyckades uppnå ca 100 rpm (rounds per minute = varv per minut). Ena sidan av cylindern (Delta konfiguration) hettades upp med ett värmeljus som genererar ca 100 W. Med två värmeljus och en kylklamp, på motsatta sidor om cylindern, kunde prototypen uppnå ca 200 rpm. Alltså ökar varvtalet omvänt proportionellt för att sedan plana ut med tillförd effekt. För att uppnå högre effekt på prototypen skulle en regenerator kunna ha fästs vid cylinderns varma ände. En regenerators uppgift är att försöka samla upp all oanvänd värme för att sedan skicka tillbaka den spillda värmen in i cylindern. Motorn får en högre effekt då en större temperaturskillnad mellan ändarna uppnås med samma tillförda effekt som en likadan motor utan regenerator. Detta leder också till att motorns verkningsgrad ökar. Verkningsgrad är kvoten mellan den effekt motorn generarar och den tillförda effekten. Ett annat sätt att försöka öka effekten är att göra cylindrar och kolvar ännu större. Slagvolym är den volym som ryms i en cylinder mellan kolvens övre och undre vändläge. Med större slagvolym kommer mer luft kunna finnas i cylindrarna vilket medför att kolven/kolvarna kommer skjutas ut eller dras ned med en större kraft. Dock måste högre effekt tillföras om slagvolymen görs större. Om kolvar görs större behövs större kraft för att flytta dessa och de kommer således överföra en större energi till svänghjulet vilket leder till en större effektutveckling. Dock måste den tillförda effekten ökas om slagvolym och/eller kolvstorlekar ökas.

11 Materialval Vilket material en speciell del ska vara gjort av är beroende av vad just den delen ska fylla för funktion. Som displacer vill man ha ett väldigt lätt material och om motorn är ämnad för höga varvtal krävs även att displacern ska vara värmetålig. Som displacer i konstruerad prototyp (deltakonfigurerad motor) användes cellplast som förvisso inte är värmetåligt men det är väldigt lätt. Vilket duger för en prototyp. En möjlig förbättring för displacern skulle kunna vara att använda sig av kolfiber. Kolfiber är lätt, tål hög värme och leder inte heller värme. Man vill hålla en så hög temperaturskillnad som möjligt mellan cylindrarnas poler och detta kan göras genom att välja kolfiber framför exempelvis metall. Metall tål precis som kolfiber hög värme men metall leder också värme vilket gör kolfiber till ett bättre val. Helst av allt vill man ha en så lätt motor som möjligt, detta strävar man efter i alla olika industrier men det är såklart väldigt svårt att uppnå. Både topp och bottenplatta av kammaren ska vara värmeledande för att få så mycket varm/kall luft och på så sätt få en högre expansion/kompression av luften som leder till högre varvtal. Alltså måste dessa plattor vara gjorda av någon sorts metall. Aluminium har hyfsat låg densitet och är väldigt lättbearbetad men samtidigt hyfsat billig, detta var ett alltså ett bra val för prototypen. Dock så var dessa plattor väldigt tunna, här skulle man alltså kunna tänka sig en annan metall som har ännu högre ledningsförmåga, t.ex. koppar. Svänghjulet är en annan del som skulle kunna förbättras ur materialsynpunkt. Det man får ha i åtanke när man bygger en sterlingmotor är att de har en ganska dålig verkningsgrad. Helst av allt skulle svänghjulet vara väldigt tungt och väldigt stort, problemet som uppstår då är att den tillförda kraften från kolven till svänghjulet inte är tillräckligt för att få svänghjulet att rotera och börja lagra rörelseenergi. Här skulle ett slitstarkt material väljas med tyngder uniformt utplacerade längs svänghjulets kant. Detta skulle leda till att vikterna skulle bidra till att varje punkt längst ut på svänghjulet skulle få en högre hastighet eftersom viktens tyngd dras mot jordens mitt enligt gravitationslagarna. Då skulle enligt ekv (1) svänghjulet kunna lagra mer rörelseenergi. Men detta är förstås en väldigt delikat balans eftersom det också skulle krävas mer energi för att dra vikterna förbi svänghjulets dödläge.

12 Bearbetningsteknik: Om förbränning av någon gas, värmeljus etc. sker för att värma ena plattan i cylindern skulle det, ur värmedistributionssynpunkt, vara lönsamt att göra denna platta något rundad. Är ena plattan rundad kommer lågan slicka runt rundningen och en större area av plattan utsätts direkt för lågan Alltså skulle plattan bli jämnt varmare och mindre värme skulle gå till spillo. Svårigheten blir att göra displacer och kammare i exakt samma rundning. Platta och kammare måste sluta tätt för att skapa tryckskillnader. Men lyckas man med detta bör man få en motor med högre verkningsgrad samt högre effekt jämfört med en platt bottenplatta som prototypen som byggdes under denna kurs. Slutsats/Diskussion Stirlingmotorn är miljövänlig då den endast kräver en temperaturskillnad mellan dess poler för att snurra, det krävs ingen artificiell värmekälla utan naturliga värmekällor kan användas. Den kan komma att bli ett bra substitut till den vanliga förbränningsmotorn om verkningsgraden kan ökas och produktionskostnaden minskas. Den prototyp som utvecklats i kursen har en verkningsgrad på ca %. Detta är väldigt lite och inte alls ekonomiskt men de senaste utvecklade sterlingmotorerna som driver generatorer i öknen i Kalifornien och Imperial Valley har nått verkningsgrader på upp emot 31 %. Jämför man dessa med dieselmotorer, ca 40 % verkningsgrad, och bensinmotorer, ca 30 % verkningsgrad, börjar sterlingmotorn etablera sig på motormarknaden. Problemet med sterlingmotorn är att den som sagt är väldigt dyr att framställa och för att få ut samma effekt ur en sterlingmotor som ur en vanlig förbränningsmotor måste den göras många gånger större. I framtiden bör sterlingmotorn kunna göras tillräckligt liten, med hög verkningsgrad samt tillräckligt hög effekt för att konkurera ut den vanliga förbränningsmotorn. Dock har sterlingmotorn ännu en stor konkurrent, elmotorn. Elmotorn har på senare tid introducerats i bilar och har en verkningsgrad på upp emot 90 % samt kan utveckla höga effekter under lång tid. Men med tanke på hur miljön tar skada av att gräva fram råvarorna som krävs för att göra batterier till elmotorer som sätts i bilar skulle sterlingmotorn, med lite arbete, vara ett väldigt bra alternativ.