Stirling Motoru Nedir ? Nasıl Çalışır?

Stirling motoru, motora harici olarak uygulanan sıcaklık farkı ile çalışan bir ısı makinesidir. Sıcak ve soğuk arasındaki ısıl farkı koruyarak motor çalışabilir ve mekanik güç üretir. Kapalı bir çevrimde çalıştığı için içten yanmalı motordan (ICE) farklıdır; Yani, çalışma gazı stirling motoru içerisinden çıkamaz (sızdırmazdır). Bu durum, yanma için gerekli çalışma gazının (hava) motora bulunduğu ortamdan alarak, yakıtla yakıp ve egzoz olarak yine bulunduğu ortama atan bir ICE motorun çalışmasının tam tersidir. Böyle bir motorda valflere ve zamanlama mekanizmalarına gereksinim duyulur. Ancak, Stirling motoru böyle bileşenlere ihtiyaç duyulmaz.

Ayrıca, Stirling motoru çalışması kullanılan yakıtın türüne bağlı olarak sınırlandırılamaz. Bu durumda, kirletici olmayan güneş enerjisi veya karbon nötr biyokütlenin (odun, kabuklar, etanol, vb.) yanması da dahil olmak üzere pek çok farklı ısı kaynağı kullanılmasına olanak tanımaktadır. Karbon nötr, yanma esnasında ortama yaymış oldukları karbondioksitten emisyonundan daha fazla karbondioksit (büyümeleri esnasında yapmış oldukları fotosentezden dolayı) emdikleri anlamına gelmektedir. Bu durum, yakıldığında atmosfere net olarak karbondioksit katan fosil yakıtlardan daha farklıdır.

Stirling Motoru Tarihi

Stirling motoru, yıllardır çok dikkat çeken bir buluş olmuştur. Yüksek verim potansiyeline sahip  olması ve farklı yakıt türleri ile çalışabilmesinden dolayı özellikle otomotiv endüstrisinde, alternatif kaynaklara ciddi bir rakip haline gelmiştir. Stirling motoru, otomobillerde kullanılan içten yanmalı motorların (ICE) yerini alabilme potansiyeli 1970 ve 1980’lerin sonlarında keşfedildi.

1986’da NASA tarafından MOD 1 ve MOD 2 araba motoruna ait özet bir teknik rapor yayımlandı. Bu motor Stirling motoru teknolojisini kullanmıştır. Çalışma gazı olarak da basınçlı hidrojen kullanılmıştır. Stirling motoru teknolojisi, NASA ve MTI’ın (Mechanical Technology Incorporated) arasında yapılan işbirliği sayesinde geliştirilmiş ve üretilmiştir. Özellikle, Stirling motoru MOD 2 %38,5’lik bir termal verime (kıvılcım ateşlemeli bir içten yanmalı motordan önemli ölçüde daha yüksek verim) ve aynı ölçülere sahip bir içten yanmalı motor (83,5 hp) ile aynı güce sahip olabilir. Yakıtın motor içerisinde değil dıştan yakılması nedeniyle, ICE’de kullanılan yakıtların aksine daha temiz emisyonlu yakıtlar yakılabilir. Ayrıca, Stirling motoru çalışması esnasında daha az gürültü çıkarır. Bu nedenle, egzoz borusunda bir susturucu veya katalitik konvertör kullanılmasına ihtiyaç duyulmaz.

          NASA’nın Stirling motoru MOD 2

Stirling Motoru ve İçten Yanmalı Motor

Stirling motoru, yüksek basınç (15 mPA’ya kadar)  gereksinimden dolayı büyük hacimli bileşenlere ve sızdırmazlık sağlamak için özel contalara gereksinim duyuyordu. Buna rağmen, ölçek ekonomisine bağlı üretim maliyetinin bir içten yanmalı motor ile rekabet edebileceği tahmin edildi. Ancak, otomotiv endüstrisinde büyük bir yatırımcı çekme konusunda başarılı olamamıştır. Çünkü temel olarak henüz yolun başındaydı ve cevap verme yeteneği konusunda bir içten yanmalı motor ile rekabet edemedi.

Stirling motoru, gereksinim duyulan güç değişimlerine bir içten yanmalı motor kadar hızlı cevap veremez ve tam güce ulaşmadan önce ısınmaları daha uzun zaman alır. Bu ikilemi çözmek için ise basıncı düzenleyen detaylı kontrol sistemleri kullanılarak büyük gelişim kaydedilebilirdi. Ancak, GM gibi büyük otomotiv üreticileri, verimlilik artışları ve zararlı gaz emisyonlarında azalma olmasına rağmen, otomotiv piyasasının “bunu tolere edemeyeceği” gibi fikirler beyan etmişti. Dahası, o yıllarda petrol bol miktarda bulunmaktaydı ve hiç kimse “ekonomik açıdan riskli” bir motora yüklü miktarda yatırım yapmak istemedi.

Şimdi buradayız, günümüzde, artık ihtiyaçlarımızı karşılamak için körü körüne fosil yakıtlara bağlı kalmayan bir enerji geleceği ile yüz yüzeyiz. Alternatif enerji kaynakları kadar doğal kaynakları korumada önemli hale geliyor. Stirling motorunun biyokütle ve güneş enerjisi de dahil herhangi bir ısı kaynağının kullanılmasının yeterli olabileceği düşünüldüğünde, bizi fosil yakıtlardan uzak tutabilecek bir alternatif haline geliyor. Böylece, bu tür bir motora olan ilginin kaybolmayacağı aksine ilginin artacağı görülmektedir.

Stirling Motoru Temel Çalışma Prensibi

Stirling motorunun  temel çalışma prensibi budur. Stirling motoru, hava, helyum veya hidrojen gibi bir gaz ile doldurulur (basınç altında). Buna, çalışma gazı denilir. Stirling motoru içerisindeki gaz ısıtılır. Isı ile birlikte Stirling motoru içerisindeki basınç artar ve sonuç olarak piston hareket eder. Ondan sonra gaz soğutulur ve basınç düşer. Tekrar ısıtılır ve çevrim böylece tekrarlanır. Gerçek bir Stirling motoru çalışırken bu döngü çok hızlı bir şekilde gerçekleşir, hatta bir içten yanmalı motor ile aynı hızda. Çalışma gazı, Stirling motoru içerisinde, sıcak ve soğuk bölümler arasında yüksek hızda ileri ve geri hareket eder, sürekli olarak ısı kazanır, kaybeder ve sonucunda ise güç üretir.

Stirling motoru içerisinde bulunan çalışma gazı bir ısıtıcı ile ısıtılıp ve tam tersi şekilde bir soğutucu ile soğutulur. Isıtıcı ve soğutucu genellik çalışma gazının geçmiş olduğu dar borulardan (geçitler) oluşan kompakt ısı değiştiricilerdir. Bu durumda, çalışma gazının ısı kazanması (ısınması) veya kaybetmesi (soğuması) söz konusudur. Isıtıcının dış yüzeyi, bir brülörden çıkan aleve veya yoğunlaştırılmış güneş enerjisi gibi yüksek bir ısı kaynağına maruz bırakılır. Soğutucunun dış yüzeyi ise ortam havasına veya su gibi bir soğuk ısı kaynağına maruz bırakılmaktadır.

Isıtıcı ve soğutucu arasında bir rejeneratör vardır.  Rejeneratör, ısıtıcıya girmesi gereken ısı miktarını ve soğutucudan atılması gereken ısı miktarını azaltarak Stirling motorunun verimini arttırır. Motorun çalışması için rejenaratör olması şart değildir. Ancak, yakıt maliyeti ve sistem maliyetinin düşürülmesi göz önünde bulundurulduğunda kullanmak mantıklı olacaktır.

Rejenaratörün çalışma şekli, çalışma gazının depolamış olduğu ısı enerjisinin bir kısmının, ısıtıcıdan soğutucuya doğru hareketi esnasında, soğutucudaki soğutma miktarını azaltmak için depolamasıdır. Ve tam tersi duruma doğru hareket etmeye başladığında çalışma gazı, rejeneratörde depolanan ısı enerjisinin bir kısmını geri kazanır ve ısıtıcının ısıtma ihtiyacının azalmasını sağlar. Basitçe özetleyecek olursak, rejeneratör çalışma gazını ısıtıcıya girmeden önce ısıtır ve soğutucuya girmeden önce soğutur.

Stirling Motoru Ana Tasarım Kriterleri

Genelde, bir Stirling motorunu tasarlarken yüksek verimlilik ve güç elde etmek için göz önüne alınması gereken birkaç ana faktör bulunmaktadır:

1. Ölü hacim seviyesini minimumda tutun. Ölü hacim motor gücünü düşürür. Ölü hacim, pistonun temas etmediği hacimdir. Bu hacim, ısıtıcı, soğutucu, rejeneratör ve diğer aklınıza gelebilecek boşluk oluşan tüm alanlardır. Bu hacim her zaman sabittir.
2. Çalışma gazının ısısını maksimum seviyeye çıkarmak için bir ısıtıcı tasarlayın, diğer bir deyişle gaz ısıtıcıdan çıktığında, sıcaklık, ısıtıcı duvarlarına mümkün oldukça yakın olmalıdır. Bu durum ise gazın içerisinden geçeceği tüplerin veya geçitlerin dar ve uzun olması ile sağlanabilir.
3. Çalışma gazının ısısını minimum seviyeye indirmek için bir soğutucu tasarlayın, diğer bir deyişle gaz soğutucudan çıktığında, sıcaklık, ısıtıcı duvarlarına mümkün oldukça yakın olmalıdır. Bu durum ise gazın içerisinden geçeceği tüplerin veya geçitlerin dar ve uzun olması ile sağlanabilir.
4. Çalışma gazı ile ısı geri kazanamını en üst seviyeye çıkarmak için bir rejeneratör tasarlayın. Bunu ise geniş yüzey alanına sahip ve yoğun bir matris malzeme ile sağlayabilirsiniz.
5. Pompalama sonucu oluşan kayıpları mininmum seviyede tutun. Pompalama kayıpları, çalışma gazının ısıtıcı, soğutucu ve rejeneratör üzerinden geçerken dar borular veya geçitler içerisinde neden olan sürtünme kayıplarıdır. Bu kayıpları en aza indirmek için ise ısıtıcı ve soğutucuda çok sayıda tüp veya geçit ve büyük hacime sahip bir rejeneratör kullanılmalıdır.

Şimdi, yukarıda söylemiş olduklarımıza bakacak olursak, 2, 3, 4 ve 5 numaralı maddeler birlikte sağlanabilir. Ancak bu maddelerin karşılanması 1 numaralı madde ile çelişkilidir yani ters orantılıdır diyebiliriz. Eğer, ölü hacmi mümkün oldukça minimum seviyede tutmak istiyorsak, pompa kayıplarını düşük tutarken, iyi bir ısıtıcı, soğutucu ve rejeneratör tasarlamakta zorluk çekilecektir.

En iyi çözüm ise en iyi Stirling motoru tasarımını yaparken bu 5 ana faktörün her birinde bir miktar taviz vermek olacaktır. Zorluk ise en iyi Stirling motoru tasarımında meydan çıkan optimum dengeyi yakalamaktır.

Kaynak: Real-World-Physics-Problems