artikel

Hoe werkt de Stirlingmotor? (2006-5)

Techniek Premium

Hoe werkt de Stirlingmotor? (2006-5)

Waar is de schone, geruisloze (en door Philips verbeterde) hetelucht Stirlingmotor gebleven? In deze high tech tijd moet het toch mogelijk zijn een dergelijk ontwerp verder te perfectioneren? Er zijn vandaag de dag zoveel alternatieven om de auto schoon te krijgen, maar over deze motor heb ik nooit meer iets gehoord. Kunt u nog eens vertellen hoe deze motor werkt en welke mogelijkheden deze wellicht biedt?

Volgens de deskundigen heeft Robert Stirling het principe van de motor in 1816 gepatenteerd. Het idee is niet van hem, maar van Sir George Caley. Van 1938 tot 1979 hield Philips zich er intensief mee bezig. De werkwijze van de Stirlingmotor kan aan de hand van de tekeningen als volgt worden verklaard:

Er zijn twee zuigers, een werkzuiger (1) en een compressorzuiger (2). De cilinder heeft een heet gedeelte aan de bovenkant (4) en een koud gedeelte aan de onderkant (3). Deze twee delen zijn uitwendig met elkaar verbonden via een leiding met een warmtewisselaar (6). Boven de warmtewisselaar wordt er warmte toegevoerd (7). Onder de warmtewisselaar wordt er warmte afgevoerd (5). Een gas wordt via de uitwendige leiding door de compressorzuiger heen en weer gepompt.

Zoals altijd beginnen we met de zuigers in de uiterste standen: in stand 1 staat de werkzuiger in het ODP, de compressorzuiger in het BDP. Het gas (ook wel werkmedium genoemd) zit vrijwel helemaal tussen de twee zuigers, in het grootste volume en is zo laag mogelijk gekoeld.

Vervolgens gaat eerst de werkzuiger omhoog met als gevolg dat het gas wordt samengeperst. Dan beweegt de compressorzuiger omlaag en duwt het gas via de koeler en de warmtewisselaar naar de hete ruimte boven de compressorzuiger. Daar wordt het gas verhit, het zet uit en drukt de compressorzuiger nog verder omlaag terwijl de werkzuiger mee omlaag beweegt. Daarna beweegt de compressorzuiger weer omhoog, het gas wordt via de warmtewisselaar en de koeler afgekoeld en de situatie is weer zoals we begonnen.

Er zijn verschillende mechanismen gebruikt om de zuigerbewegingen op de juiste wijze te laten plaatsvinden en er zijn enkel- en dubbelwerkende uitvoeringen gebouwd. De druk van het werkmedium bedraagt 50 tot 200 bar, hoe hoger hoe compacter de motor. Aan het gas worden hoge eisen gesteld, waaraan met waterstof of helium het best wordt voldaan. De Stirlingmotor heeft een continue verbranding met als gevolg dat er vele soorten brandstof kunnen worden toegepast. Ze verbranden tot CO2 en H2O, net als bij een petroleumkachel of een spiritusbrander. De motor loopt geruisloos, ongeveer zoals een stoommachine.

Tegenover deze voordelen staan zwaarwegende nadelen. Het starten en het regelen van een Stirlingmotor gaat lastig. Het werkmedium kan moeilijk op druk worden gehouden, het gas lekt weg en/of diffundeert door het metaal heen. Ook is er een grote warmtewisselaar nodig met een fikse koeler.

Al met al is de toepassing als tractiemotor problematisch. Als stationair draaiende krachtbron heeft de Stirlingmotor kansen omdat de schadelijke emissies en de geluidsproductie zeer laag zijn en het brandstofverbruik dat van een dieselmotor kan benaderen.

Nog enkele cijfertjes. Het specifiek gewicht van de Stirlingmotor ligt tussen de 2 en 10 kg/kW. Het rendement bedraagt bij deellast circa 30% en maximaal 40%.

Reageer op dit artikel