Stirlingmotor

Een stirlingmotor, een bijzonder geval van een heteluchtmotor, is een motor die gebaseerd is op de stirlingcyclus, een bijzonder geval van de carnotcyclus.

Doorsnede van een stirlingmotor met rhombic drive-bètaconfiguratie.
Paars - Ruimte hete cilinder
Donkergrijs - Ruimte koude cilinder (met in geel de in- en uitlaatpijpen voor het koelmiddel)
Donkergroen - Thermische isolatie die het warme en het koude deel van elkaar isoleert
Lichtgroen - Verplaatserzuiger
Donkerblauw - Vermogenszuiger
Lichtblauw - Vliegwiel
Niet getoond: uitwendige warmtebron en uitwendige warmtewisselaars. In dit ontwerp is de zuiger zonder regenerator.

Philips-stirlingmotor 1953

180 W, werkdruk 9,5 bar

Evenals bij andere heteluchtmotoren wordt gebruikgemaakt van het verschijnsel dat gassen uitzetten bij verhoging van de temperatuur en weer krimpen bij verlaging daarvan. In een stirlingmotor bevindt de lucht (of een ander gas) zich in een gesloten systeem met één hete en één koude cilinder (alfa-configuratie) of in één cilinder met een heet en een koud compartiment (bèta-configuratie). De lucht wordt met zuigers tussen deze cilinders verplaatst via een regenerator, een warmtewisselaar waarin beurtelings koud gas opwarmt en heet gas afkoelt. Stirlingmotoren hebben een hoog rendement en zijn geluidsarm.

Andere heteluchtmotoren zijn gebaseerd op de ericsoncyclus, het otto- en het dieselproces, en de rankine- en braytoncycli (voor turbines). Deze bestaan alle uit ten minste de volgende vier hoofdonderdelen:

• compressie
• warmtetoevoer
• expansie
• warmteafvoer

In de door de Schotse dominee Robert Stirling uitgevonden versie wordt lucht door een verplaatser (bijna) zonder arbeid heen en weer geschoven tussen een hete en een koude ruimte, waarbij de lucht in de hete ruimte onder het opnemen van warmte expandeert en arbeid verricht door een zuiger te bewegen, waarna de lucht door de verplaatser weer naar de koude ruimte wordt bewogen, daar afkoelt en krimpt.

Er zijn verschillende belangrijke verfijningen mogelijk:

• De hete lucht kan door een regenerator van poreus metaal worden geleid op weg van de warme naar de koude ruimte, die een deel van de warmte vasthoudt, zodat deze bij de terugpompslag van koud naar warm weer kan worden opgenomen, wat de motor zuiniger maakt. (Dit is de eigenlijke verbetering die door Stirling is bedacht en waardoor zijn naam aan het concept verbonden is geraakt).
• Verliezen door wrijving van de gasstroom kunnen worden verlaagd door zeer lichte gassen als helium en waterstof te gebruiken.
• De energiedichtheid kan worden opgevoerd door bij hogere druk te werken.

Het eerste patent dateert al van 1816.

Voordelen van de stirlingmotor zijn:

• Het theoretisch rendement ligt hoger dan bij inwendige-verbrandingsmotoren.
• Stirlingmotoren kunnen op allerlei soorten brandstoffen lopen, omdat de verhitting van buitenaf plaatsvindt en arbeid geleverd wordt door het verplaatsen van warmte naar een koudere omgeving; hierdoor kan het verbrandingsproces vrij gemakkelijk worden geoptimaliseerd zodat weinig milieuvervuiling wordt veroorzaakt.
• De verhitting kan met eender welke bron gebeuren, bijvoorbeeld ook met zonnespiegels of de verbranding van houtpellets.
• De motoren hebben weinig bewegende delen en zijn zeer bedrijfszeker.
• De motoren zijn stil in bedrijf.

Niettemin zijn stirlingmotoren nog niet algemeen in gebruik, hoewel grote bedrijven als NASA, Philips en General Motors er al miljoenen aan geld in hebben gestopt en met zeer innovatieve oplossingen zijn gekomen, voortbordurend op hetzelfde concept. De drie belangrijke zwakke punten zijn nog steeds:

• De benodigde warmtewisselaars zijn kostbaar en moeilijk goed te ontwerpen.
• Een stirlingmotor loopt het best bij een vast toerental en vermogen, en kan niet snel accelereren. Door buffervaten of het toepassen van speciale bewegingsmechanismen zoals de swash-plate of meerdere onderling verstelbare krukassen is de stirlingmotor te regelen, maar dat is gecompliceerd en dus kostbaar.
• Voor zeer grote vermogens (elektriciteitscentrales etc.) zijn er andere, minstens even efficiënte, alternatieven.

Tegenwoordig worden stirlingmotoren gebruikt in WKK-toepassingen (warmte-krachtkoppeling). Bij de Sunmachine bijvoorbeeld loopt de stirlingmotor op houtpellets die eerst vergast worden. De stirlingmotor drijft dan een generator aan die elektriciteit aan het net teruglevert. Het koelwater dat de koude kant van de stirlingmotor koelt, wordt dan gebruikt voor woningverwarming.[1]

Er zijn tegenwoordig thermo-akoestische stirlingmotoren die lineair trillend werken en wisselstroom opwekken die direct aan het net kan worden teruggeleverd. Ze zijn, indien ingebouwd in een cv-ketel, in staat om, naast de verwarming van een huis, 1,5 tot 10 kW te genereren, zodat er bijna een warmte-krachtcentrale in huis komt te staan. De gangbare term hiervoor is micro-warmte-krachtkoppeling. Als de technologie van de hybride auto ooit populair wordt, kan een stirlingmotor een goede keus zijn voor het verbrandingsmotorgedeelte daarvan.

Bèta-configuratie stirlingmotor in beweging