Sıcak hava motorları olarak bilinen Stirling motorları, dıştan yanmalı motor tipi örneğidir. Gazı tekrar tekrar ısıtıp soğutarak faydalı güç üretir. Ayrıca kapalı çevrim olan Carnot çevrimi sayesinde ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.
Stirling Motorunun Tarihi
Sanayi Devrimi’nin başlangıcında buhar makineleri oldukça yaygın kullanılmaktaydı. Fakat buhar kazanları sık sık yüksek basıncın etkisiyle patlıyordu. Bu sorunu gözlemleyen İskoç rahip Reverent Robert Stirling, buhar makinelerine daha güvenilir alternatif üzerine çalıştı. 1816 yılında Stirling motorlarını icat etti. Bu motorlar sıcaklık farkını harekete dönüştürmekteydi.
Stirling Motorlarının Ana Parçaları
Bu motorların pek çok farklı tasarımı bulunmaktadır. Bundan dolayı bu motorların en basit yapısını referans alarak sizlere ana parçalarını anlatacağım.
Isı Kaynağı
Isı kaynağı, motorun tüm enerjisini aldığı kaynaktır. Bu motorlar gerçek yakıt ile yanmaya ihtiyaç duymaz. Sadece ısı kaynağı ve soğutucu arasındaki sıcaklık farkına gereksinim duymaktadır. Hatta minik Stirling motorunu bir fincan kahve ısısı veya bir buz parçası ile çalıştırabilirsiniz.
Gaz
Bu motorlar ısıtılıp-soğutulurken gaz olarak kalan ve kolay bulunabilen maddelere ihtiyaç duyar. Örnek olarak hava, hidrojen ve helyum rahatlıkla kullanılabilmektedir. Stirling motorda kullanılan gazın amacı; ısı enerjisini ısı kaynağından soğutucuya taşımak ve pistonlara güç vermektir.
Soğutucu
Sıcak gazın ısı kaynağına geri gönderilmeden önce soğutulduğu yerdir. Tipik olarak, atık ısıyı atmosfere atan bir tür radyatördür. Radyatör, çok sayıda konulmuş kanatçık şeklindedir.
Pistonlar
Piston sayısı motorun çeşidine bağlı olarak değişmektedir. Genelde özdeş iki piston ve silindir vardır. Bu pistonlar, ısıtılarak genişleyen ve soğuyarak sıkıştırılan gaz mekaniklerine sahiptir. Buhar makinelerinden farklı olarak pistonlar yuvasına gevşek şekilde konumlandırılır. Çünkü Stirling motorlarında sıcak hava ile soğuk hava dönüşümleri hızlı olmak zorundadır. Pistonlar gevşek bırakılarak hava transferinin hızlı gerçekleşmesi istenmektedir.
Isı Eşanjörü (Rejeneratör)
Isı eşanjörü, ısı kaynağı ile soğutucu arasındaki kapalı bölmede bulunmaktadır. Sıcak gaz ısı eşanjöründen geçerken ısının bir kısmını tutar. Piston geri hareket ederken bu ısıyı tekrardan gaza aktarır. Bu sistem, motorun verimliliğini ciddi şekilde arttırmaktadır. Hatta bazı motorlarda birden çok ısı eşanjörü de bulunabilmektedir.
Stirling Motorlarının Çalışma Prensibi
Yalıtılmış alan içerisinde bulunan gaz ısıtıldığında basınç yükselir. Bu sayede ısıtılmış gaz, yer değiştirme pistonunu hareket ettirir. Gaz soğutulduğunda basınç düşer ve piston stroku gazı sıkıştırmak için işin ufak kısmını çalışma pistonuna aktarır. Böylece ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur. Çalışma gazı piston silindirleri içinde yalıtılmıştır. Bundan dolayı bu motorlarda egzoz gaz çıkışı yoktur. Ayrıca diğer motor tiplerinden farklı olarak valflere ihtiyaç duyulmaz.
Basitleştirilmiş Displacer Tip Stirling motorunu ele alalım;
1. Soğutma ve Sıkıştırma
Gazın çoğu mavi karelerle gösterilmiştir alandadır. Gaz soğutulup büzüştüğünde, her iki piston merkeze doğru hareket eder.
2. Gaz Transferi
Soğutulmuş gaz , silindirin sol tarafına gitme eğilimi gösterir. Böylece yer değiştirici piston, sağ tarafa hareket etme eğilimi gösterir.
3. Isınma ve Genleşme
Artık gazın çoğu silindirin sol tarafındadır. Burada gazlar ısıtılır. Böylece gazın basıncı artar ve genişler. Gaz genişledikçe, yer değiştirici piston, ölü strok noktasına kadar hareket eder. Ayrıca bu aşamada motor ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştürür.
4. Aktarma ve Soğutma
Sıcak gaz, sıcaklık farkından dolayı sağ tarafa geçme eğilimi gösterir. Bundan dolayı yer değiştirici piston sol tarafa doğru hareket eder. Döngü bu aşamaları sıcaklık farkı ortadan kalkana kadar defalarca kez tekrar eder.
Stirling Motorlarının Avantajları ve Dezavantajları
Avantajları
- Bu motorların en dikkat çeken özelliği, buharlı motorlara göre oldukça verimli olmasıdır.
- Isı kaynağı, sürekli yanma reaksiyonu içerisindedir. Bu sayede içten yanmalı motorlara göre yanmamış yakıt oranı çok düşüktür.
- Buharlı motorlar, patlama riski bulunan kazanlara sahiptir. Fakat bu motorlarda kazan bulunmadığı için patlama riski yoktur.
- Bu motorların ısı kaynağı dış kaynaklıdır. Bu sayede diğer motorlardan daha iyi yanma reaksiyon kontrolü sağlanmaktadır.
- Stirling motorlar, diğer motor tiplerine göre daha az bakım ve yağlanma gerektirir.
- Bu motorlar, açma ve kapama valf sistemlerine sahip değillerdir. Bu sayede diğer motorlara göre daha sessiz çalışırlar. Ayrıca diğer motor tiplerine göre daha basit yapıdır.
- Düşük çalışma basıncı sayesinde daha hafif ve dayanıklılık gerektirmeyen silindir yapıları kullanılabilmektedir.
- Diğer motor tiplerine göre çevreye daha az zarar verirler ve daha az titreşim üretirler.
Dezavantajları
- Isı eşanjörleri, motorun verimliliğini yükseltir. Fakat motor maliyetlerini oldukça arttırır.
- Isı eşanjörü ve volanın hızlanması epey zaman almaktadır. Başka bir deyişle, bu motorlar anında çalışmazlar.
- Ayrıca içten yanmalı motorların aksine dur-kalk işlemlerini iyi uygulayamazlar. Bundan dolayı bu motor tipi otomobillere entegre edilmesi çok zordur.
- İçten yanmalı motorların aksine güç/ağırlık oranı çok düşüktür. Bu yüzden sabit kullanıma daha uygundur.
- Isıyı atmak için büyük radyatörlere ihtiyaç duyarlar. Bundan dolayı bu motorlar bazı uygulamalar için uygun değildir.
Stirling Motorlarının Kullanım Alanları
Stirling motorları, günümüzde çok farklı sektörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Gelin hep birlikte bu uygulamalara göz gezdirelim:
- Sessizliğin ve havadan bağımsız tahrik sistemlerinin önemli olduğu denizaltılarda oldukça yaygın kullanılmaktadır. Örneğin İsveçli denizaltı üreticisi SAAB, Gotland ve Södermanland denizaltı sınıflarında bu motorlar kullanmaktadır.
- Hidrojen ve neon’u sıvılaştırmak için iki aşamalı stirling soğutucular yaygın şekilde kullanılmaktadır.
- Odun sobası kullanırken sobanın yakınları çok sıcak olur. Fakat odanın diğer bölümleri çok soğuktur. Stirling motorlu odun sobaları, bu tür sorunlara kökten çözüm olmaktadır.
- Çıkış miline bir elektrik motoru takılabilmektedir. Bu sayede kolaylıkla ısı pompasına dönüştürülebilir.
- Bu motorlar, konsantre güneş enerjisiyle çalışmakta oldukça etkilidir. Fakat bu tür uygulamalarda gerekli malzemeler ve motor maliyeti oldukça yüksektir. Güneş enerjili pillerle rekabet edemeyecek kadar pahalıdır. Bu alanda pek çok araştırma yapılmasına rağmen, günümüzde aktif olarak kullanılmamaktadır.
- Bir uydu, bazı zamanlar Dünya’nın Güneş etrafındaki yörüngesinden daha uzağa uçabilmektedir. Bundan dolayı güneş enerjisi uyduya güç üretmek için yeterli olmamaktadır. Bundan dolayı Sunpower şirketi, diğer uydu güç sistemlerinden 3 kat fazla enerji üretebilecek güneşten bağımsız Stirling motoru tasarladı. NASA için tasarlanan bu motor, bakım gerektirmeden dört yıl çalışacak şekilde dizayn edilmiştir.
Kaynakça
- wikipedia.org/wiki/Stirling_engine
- explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html
- https://www.stirlingengine.com/modern-uses/
