Transcript
  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    1/125

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    2/125

    - 2 -

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    3/125

    - 3 -

    Prefa

    Introducere n maini Stirling - iat o carte a crei apariie va strni cusiguran interesul oricrui inginer.

    Observnd titlul crii te ntrebi firesc: Ce sunt mainile Stirling?, Cumfuncioneaz mainile Stirling?, Unde se folosesc sau unde pot fi ele folosite?.

    La aceste ntrebri i la multe altele rspund autorii crii, cadre didacticela Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai.

    Puin cunoscute n ara noastr, mainile termice cu piston numite astzi

    maini Stirling sunt rezultatul unei evoluii spectaculoase, de aproape dousecole, de la primul motor construit n 1818 de sco ianul Robert Stirling (1790 -1878) pe baza brevetului obinut de el n 1816, pn la micromotoarele cu surs decldur cu izotopi radioactivi construite de NASA pentru antrenarea unorgeneratoare electrice folosite n spaiul cosmic. n tot secolul al XIX - lea motoareleStirling au concurat cu succes mainile cu abur, pe la 1900 fiind n exploatareindustrial n Marea Britanie i n SUA peste 10000 de astfel de maini termice. Lanceputul secolului al XX - lea locul motoarelor Stirling a fost luat de motoarele cuardere interni de motoarele electrice, atunci mult mai eficiente.

    La sfritul anilor 30 ai secolului trecut firma Philips din Olanda a construitprimele motoare Stirling moderne, destinate antrenrii unor generatoare electrice.Utiliznd materialele i tehnologiile de prelucrare ale secolului al XX - lea,specialitii de la Philips i de la alte firme, ntre care General Motors, Ford, United

    Stirling A.B. (din Suedia), au construit motoare Stirling cu performaneasemntoare celor ale motoarelor cu ardere intern. Motoarele Stirling au avutdestinaii dintre cele mai diferite, de la motorizarea automobilelori autobuzelor, anavelor de suprafai a submarinelor, pn la antrenarea mainii - inim artificialsau a unor generatoare electrice staionare.

    Dac un motor Stirling este antrenat din exterior n acelai sens de rotaie,atunci el transmite cldur preluat de la fosta surs cald (n care ns nu se maiproduce cldur) ctre fosta surs rece - mediul nconjurtor, transformn-du-se ntr-o main frigorific, aa cum a artat John Herschel n anul 1834. Mainifrigorifice Stirling au fost ntlnite ncepnd din ultimele decenii ale secoluluial XIX - lea. Totui, rspndirea lor larg a avut loc abia n a doua jumtate asecolului trecut, cnd firma Philips a pus n vnzare mainile criogenice pentrulichefierea aerului i pentru fabricarea azotului lichid. Astfel de maini s-au fabricat

    i n Romnia.Posibilitile de utilizare a mainilor Stirling sunt departe de a fi epuizate,dar pentru valorificarea lor sunt necesare att noi cercetri pentru perfecionarealor, ct i rspndirea informaiilor despre aceste maini, pentru ca ele s fiecunoscute de potenialii utilizatori.

    n acest sens cartea de fa - una din primele cu acest subiect aprute nlimba romn (probabil a doua, dup volumul Maini Stirling publicat n 2001 deprofesorul Gheorghe Gh. Popescu de la Universitatea Politehnica din Bucureti) -i propune s-l introduc pe cititor n lumea fascinant a mainilor Stirling.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    4/125

    - 4 -

    n primele capitole ale crii sunt prezentate clari concis perioada veche

    i perioada modern ale istoriei mainilor Stirling i principalele domenii n careaceste maini au fost utilizate.n continuare sunt analizate performanele ciclului termodinamic Stirling cu

    regenerarea cldurii, evideniindu-se importana procesului de regenerare acldurii. Se arat c valoarea maxim a randamentului termic al ciclului motor ivaloarea maxim a eficienei frigorifice a ciclului inversat sunt egale cu celecorespunztoare ciclului Carnot.

    n ultimele dou capitole, care ocup jumtate din spaiul acestei cri, seexplic funcionarea mainilor Stirling motoare i frigorifice i se prezint schemeleprincipalelor construcii actuale ale acestora.

    Trebuie menionat c n carte sunt prezentate i unele rezultate alecercetrilor proprii efectuate de autori n domeniul motoarelor Stirling.

    Cartea este ilustrat cu numeroase scheme de maini Stirling, mestru

    desenate i, de aceea, uor de analizat i de neles, ceea ce subliniaz caracterulingineresc al lucrrii.Cartea de fa este realmente o reuit introducere n mainile Stirling.

    Prin lecturarea ei cititorul va rmne cu o imagine dac nu complet, sigur corecta mainilor Stirling i, cine tie, poate va deveni chiar un adept al acestor maini.

    Iai, septembrie 2003 Profesor universitar doctor inginer Victor Zubcu

    eful Catedrei de Maini Termice

    Facultatea de MecanicUniversitatea Tehnic Gheorghe Asachi

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    5/125

    - 5 -

    CUPRINS

    Prefa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Cuprins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    1. Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.1. Introducere. Definiii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91.2. Clasificri ale mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

    2. O scurt istorie a mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.1. Perioada veche a istoriei mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162.2. Perioada modern a istoriei motoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    2.2.1. Renaterea interesului pentru motoarele Stirling. Cercetrile i realizrile firmei Philips . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

    2.2.2. Contribuiile altor firme i organizaii la dezvoltareamotoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

    2.2.3. Maini Stirling cu pistoane libere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242.2.4. Momente remarcabile din istoria modern a mainilor Stirling . . 252.2.5. Contribuii romneti la studiul mainilor Stirling . . . . . . . . . . . . . 27

    3. Utilizri posibile ale mainilor Stirling. Perspective . . . . . . . . . . . . . . 30

    3.1. Motoare Stirling pentru autovehicule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303.2. Motoare Stirling pentru submarine i pentru nave de suprafa . . . . 323.3. Motoare Stirling pentru utilizri cosmice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343.4. Motoare Stirling pentru maina inim artificial . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.5. Motoare Stirling pentru instalaii termoenergetice staionare . . . . . . . 353.6. Motoare Stirling demonstrative i motoare Stirling didactice . . . . . . . 373.7. Perspectivele motoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

    4. Analiza ciclului termodinamic Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.1. Ciclul termodinamic generalizat cu recuperare de cldur

    al motoarelor termice cu gaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434.2. Analiza termodinamic a ciclului generalizat al motoarelor

    termice cu gaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

    4.3. Ciclul Stirling direct - caz particular al ciclului generalizat almotoarelor termice cu gaze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484.4. Influena raportului volumetric de comprimare, a raportului de

    cretere a temperaturii i a randamentului recuperrii asupraperformanelor ciclului termodinamic Stirling direct cu recuperarede cldur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

    4.5. Comparaie ntre ciclul Stirlingdirect i alte cicluri termodinamicemotoare simple cu transformri izotermice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    4.6. Analiza ciclului Stirling inversat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    6/125

    - 6 -

    5. Scheme actuale de motoare Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    5.1. Realizarea ciclului termodinamic Stirling pe un motor . . . . . . . . . . . . 595.1.1. Realizarea ciclului termodinamic Stirling ntr-un motorcu un cilindru i dou pistoane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

    5.1.2. Realizarea practic a ciclului Stirling pe un motorcu un cilindru i dou pistoane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    5.1.3. Realizarea practic a ciclului termodinamic Stirling ntr-un motorcu dou pistoane plasate n cilindri separai . . . . . . . . . . . . . . . . 63

    5.2. Schemele de baz ale motoarelor Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655.3. Scheme actuale ale motoarelor Stirling cinematice . . . . . . . . . . . . . . 67

    5.3.1. Motoare Stirling de tip alfa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.3.1.1. Mecanisme pentru motoare Stirling de tip alfa cu pistoane

    cu simpl aciune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675.3.1.1.1. Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

    5.3.1.1.2. Motoare Stirling de tip alfa cu cilindri verticali i cu mecanisme biel - manivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685.3.1.1.3. Motorul Stirling de tip alfa cu mecanism manivel - jug

    - biel (mecanismul Ross - Yoke clasic) . . . . . . . . . . . . . 695.3.1.1.4. Motoare Stirling de tip alfa cu cilindri verticali i cu

    mecanism motor balansier (Ross Rocker - V). . . . . . . . 705.3.1.1.5. Motoare Stirling de tip alfa cu pistoane cu simpl

    aciune i cu cilindrii n V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705.3.1.1.6. Motoare Stirling de tip alfa cu pistoane cu simpl

    aciune i cu cilindrii n opoziie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715.3.1.1.7. Motoare Stirling de tip alfa cu pistoane cu simpl

    aciune i cu cilindri verticali aezai n opoziie . . . . . . . . 725.3.1.2. Mecanisme pentru motoare Stirling de tip alfa

    cu pistoane cu dubl aciune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.3.1.2.1. Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735.3.1.2.2. Motoare Stirling de tip alfa cu pistoane cu dubl

    aciune i cu cilindri aezai n linie . . . . . . . . . . . . . . . . . 745.3.1.2.3. Motor Stirling cu pistoane cu dubl aciune cu

    patru cilindri aezai n V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.3.1.2.4. Motoare Stirling cu pistoane cu dubl aciune

    i cu mecanism motor cu plac nclinat . . . . . . . . . . . . . 765.3.1.2.5. Motoare Stirling cu pistoane cu dubl aciune

    i cu cilindrii aezai n stea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.3.1.2.6. Motoare Stirling cu pistoane cu dubl aciune

    cu mecanism motor de tip Balandin . . . . . . . . . . . . . . . . . 795.3.2. Motoare Stirling de tip beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

    5.3.2.1. Motorul Stirling monocilindric cu mecanism romboidal . . . . . 815.3.2.2. Motoare Stirling policilindrice cu mecanismeromboidale simetrice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

    5.3.2.3. Motoare Stirling de tip beta cu mecanismmanivel - biel - balansier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    5.3.2.4. Motoare Stirling de tip beta cu mecanism motorcompus din trei mecanisme biel - manivel . . . . . . . . . . . . . 87

    5.3.2.5. Motorul Stirling cu cilindree variabil sub sarcin . . . . . . . . . 87

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    7/125

    - 7 -

    5.3.3. Motoare Stirling de tip gama . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    5.3.3.1. Introducere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.3.3.2. Motoare Stirling de tip gama - back to back cumecanism biel - manivel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

    5.3.3.3. Motoare Stirling de tip gama cu mecanismcu roi dinate eliptice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

    5.3.3.4. Motoare Stirling de tip gama cu mecanism motorcu cam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

    5.3.3.5. Motoare Stirling de tip gama cu dou pistoanempingtoare plasate n opoziie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

    5.4. Scheme actuale ale motoarelor Stirling dinamice . . . . . . . . . . . . . . . 945.4.1. Motorul Stirling cu pistoane libere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.4.2. Motorul Stirling cu pistoane lichide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    5.4.2.1. Modelul fizic al funcionrii motorului Fluidyne . . . . . . . . . . . . 97

    5.4.2.2. Autopornirea motorului Fluidyne Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . 995.4.2.3. Scheme de pompe Fluidyne Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1005.5. Motoare Stirling speciale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

    5.5.1. Motoare Stirling cu pistoane cu micare de rotaie . . . . . . . . . . . 1025.5.2. Motorul Stirling cu agent de lucru n faz lichid . . . . . . . . . . . . . 1045.5.3. Motorul Stirling cu ciclu cu vaporizare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1055.5.4. Motorul Stirling cu diafragm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

    6. Scheme actuale de maini frigorifice Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.1. Realizarea ciclului termodinamic Stirling inversat pe o main

    frigorific de tip beta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1086.2. Maina criogenic Philips - Stirling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.3. Maina frigorific Stirling cu pistoane libere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

    6.4. Maini frigorifice Stirling duplex cu pistoane libere. . . . . . . . . . . . . . . 1136.5. Maina Vuilleumier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.5.1. Principiul de funcionare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.5.2. Modelul izotermic al mainii Vuilleumier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1166.5.3. Pompa de cldur Vuilleumier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

    Bibliografie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    8/125

    - 8 -

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    9/125

    - 9 -

    1. INTRODUCERE

    1.1. Introducere. Definiii

    Denumirea de maini Stirling se refer la mainile termice cu pistoanecare funcioneaz dup ciclul termodinamic Stirling cu sau fr regenerareacldurii.

    Ciclul termodinamic Stirling este ciclul compus din dou transformriizotermice (desfurate, evident, la temperaturile minim Tm i maxim TM ntrecare funcioneaz maina) legate ntre ele prin dou transformri izocorice (care auloc la volumele maxim i minim ocupate de agentul de lucru n cilindru), ca pe

    fig. 1.1, unde indicele m se refer la motor iar indicele f la maina frigorific.

    1

    6

    5

    2

    3

    4

    -L

    +L

    V

    p

    Vm VM

    1

    65

    2

    34

    S

    T

    Tm m = TM f

    Tm f

    TM m

    Fig. 1.1. Ciclul Stirling direct i inversat

    Mainile Stirling utilizeaz ca agent de lucru un gaz (aer, heliu, hidrogen)care evolueaz ntr-un sistem nchis. Exist o singur excepie, motorul Malone, ncare ciclul Stirling este realizat de un agent de lucru n stare lichid [51].

    Mainile Stirling pot funciona att dup ciclul termodinamic direct ct idup ciclul termodinamic inversat.

    Mainile Stirling care funcioneaz dup ciclul termodinamic direct - numitemotoare Stirling - reprezint o soluie actual i n acelai timp de perspectivpentru transformarea cldurii n lucru mecanic.

    Motoarele Stirling prezint o serie de avantaje, ntre care se amintescposibilitatea de a utiliza orice surs de cldur, randamentul termic ridicat,poluarea redusi funcionarea silenioas. Datorit avantajelor specifice, pentrumulte domenii de utilizare (producerea energiei electrice pe satelii sau pe navecosmice destinate zborului spre planete ndeprtate, motorizarea unor submarine,cogenerarea energiei electrice i termice etc.) motoarele Stirling reprezint soluiide real succes. Alturi de motoarele Stirling construite dup scheme clasice pot fimenionate i soluii cu totul deosebite de realizare a ciclului Stirling: motorul cu

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    10/125

    - 10 -

    agent de lucru n faz lichid precum i motorul Stirling cu pistoane lichide.

    Mainile care funcioneaz dup ciclul Stirling inversat sunt mainifrigorifice Stirling. Sunt cunoscute mai multe construcii de maini criogeniceStirling i de asemenea construcii de pompe de cldur Stirling.

    n comparaie cu mainile frigorifice clasice, care funcioneaz dup ciclultermodinamic cu vapori Rankine inversat i care folosesc ageni de lucru din clasacompuilor chimici carbofluoroclorurai (CFC sau freoni - a cror prezen natmosfera Pmntului are grave efecte poluante), mainile frigorifice Stirlingutilizeaz ageni de lucru convenional curai (aer, hidrogen, heliu), ceea ce leconfer caracterul de maini nepoluante.

    Prima main Stirling a fost un motor i a fost brevetat n anul 1816.Motorul folosea ca agent de lucru aerul i era dotat i cu un recuperator de cldur(dei acest recuperator era subdimensionat fa de recuperatoarele motoareloractuale). Scoianul Robert Stirling (1790 -1878), inventatorul acestui motor, l-a

    construit i, n anul 1818, l-a pus n funciune. Motorul ardea crbune, furniza 2 caiputere i era folosit pentru pomparea apei dintr-o carier de piatr. n secolul al XIX-lea motoarele Stirling au cunoscut o dezvoltare

    remarcabil, astfel c n preajma anului 1900 n Marea Britanie i n SUA se aflaun exploatare peste 10.000 de astfel de motoare. La nceputul secolului al XX-leamotoarele cu ardere interni motoarele electrice, mai performante dect vechilemotoare Stirling, le-au nlocuit practic din toate utilizrile industriale. n modasemntor au fost nlocuite i motoarele cu piston cu abur, foarte rspndite i elen acea vreme.

    Renaterea interesului pentru motoarele Stirling se plaseaz n deceniul alpatrulea al secolului trecut, cnd inginerii de la firma Philips au nceput proiectareaunui mic motor termic policarburant silenios destinat pentru antrenarea unorgeneratoare electrice care s ncarce bateriile de acumulatoare ale staiilor radio

    de emisie - recepie din zonele izolate. Utiliznd materiale i tehnologii moderne,inginerii firmei Philips au adus motorul inventat de Robert Stirling la performanetehnice absolut remarcabile. De exemplu, randamentul efectiv al unui astfel demotor depea 40%.

    Dup anul 1950 multe firme prestigioase - cum ar fi MAN-MWM, GeneralMotors, Ford, United Stirling A.B. din Suedia dar i altele - au cumprat licenapentru motoarele Stirling Philips. Ulterior au dezvoltat programe de cercetare ndomeniul motoarelor Stirling i alte firme i organizaii, ntre care iese n evidenNASA. Au fost realizate numeroase construcii de motoare Stirling, avnd cadestinaie:

    - motorizarea unor iahturi i submarine;- motorizarea torpilelor;- motorizarea unor automobile sau autobuze;

    - antrenarea unor generatoare de energie electric;- antrenarea inimii artificiale (soluie tehnic experimentat pe vaci, motorulfiind rcit de snge);

    - cogenerarea energiei electrice i termice;- motogeneratoare electrice pentru utilizri cosmice;- antrenarea unor maini frigorifice Stirling pentru producerea frigului

    ecologic, fr folosirea freonilor (sub forma mainii duplex).La sfritul secolului al XX-lea interesul pentru folosirea motoarelor Stirling

    - mai puin poluante dect motoarele cu ardere intern - pentru motorizarea

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    11/125

    - 11 -

    vehiculelor terestre a sczut, ca urmare direct a progreselor realizate de

    motoarele cu ardere intern n urma introducerii electronicii i calculatoarelori adepolurii catalitice a gazelor de ardere evacuate din motor.Celelalte utilizri ale motoarelor Stirling rmn n actualitate. O utilizare

    este posibil chiari pentru apartamentele de bloc i anume nlocuirea centralelortermice pentru nclzire cu grupuri cogenerative cu motoare Stirling (care suntsilenioase). Astfel s-ar obine folosirea superioar a cldurii obinute prin ardereagazului metan. Energia electric produs (eventual) n exces ar putea fi vndut nsistemul energetic naional sau ar putea fi stocati utilizat ulterior.

    i n Romnia s-au fcut cercetri pentru realizarea unui motor Stirling.Aceste cercetri s-au desfurat ntre anii 1985 i 1989 la Institutul Naional deMotoare Termice din Bucureti. La program au participat i specialiti de la ICPIAFCluj Napoca i de la ICEMENERG Bucureti.

    Dintre motoarele Stirling moderne cel mai cunoscut este motorul cu dou

    pistoane ntr-un singur cilindru realizat de inginerii firmei Philips din Olandaconform schemei din fig. 1.2 [9], [28], [29], [36], [39], [48], [51].O unitate funcional de motor Stirling Philips (care corespunde din punct

    de vedere termodinamic unui monocilindru de motor cu ardere intern) are ncompunerea sa un cilindru 9, trei schimbtoare de clduri un mecanism motor.n cilindru se afl un piston mpingtor 4 i un piston de lucru 8. Schimbtorul decldur nclzitor 2 este format dintr-un fascicul de evi metalice subiri carepornesc din camera de destindere 3, trec prin camera de ardere 1 i ajung nregeneratorul 5. Regeneratorul este amplasat n jurul cilindrului i are n interior omas de acumulare a cldurii, de cele mai multe ori format din straturi de plasmetalic. Schimbtorul de cldur rcitor 6 este compus dintr-un fascicul de evircite la exterior cu ap i face legtura dintre regenerator i camera decomprimare 7. Mecanismul motor transform micarea de translaie a pistoanelor

    n micare de rotaie i asigur defazarea necesar ntre micrile pistoanelor.Mecanismul motor al motorului Stirling Philips este compus din patru mecanismebiel - manivel, dezaxate puternic (n comparaie cu dezaxrile uzuale de lamotoarele cu ardere intern). Mecanismele sunt plasate simetric fa de axacilindrului. Mecanismul are patru biele, de unde i denumirea de mecanismromboidal. Pistonul mpingtor 4 este echipat cu o tij 12 care trece prin pistonulde lucru i prin tija acestuia i se termin cu un jug la capetele cruia suntarticulate bielele inferioare. La fel, pistonul de lucru 8 este echipat cu o tij 10 carese termini ea cu un jug la care sunt articulate celelalte dou biele (superioare).Pentru sincronizarea micrii de rotaie a arborilor cotii 14 s-a introdus angrenajulde sincronizare 15. Mecanismul motor este nchis ntr-un carter. Lucrul mecanicprodus poate fi transmis utilizatorului prin oricare dintre arbori.

    Dup aprinderea focului n camera de ardere i dup punerea n micare a

    mecanismului motor (cu ajutorul unui demaror) motorul Stirling ncepe sfuncioneze, teoretic realiznd la fiecare rotaie complet cte un ciclutermodinamic Stirling (fig. 1.1). Funcionarea este prezentat n detaliu nsubcapitolul 5.1.

    Pentru ca maina s funcioneze este necesar ca cele dou pistoane s sedeplaseze astfel nct s asigure prezena gazului n camera de destindere cndpresiunea din cilindru este ridicati prezena gazului n camera de comprimarecnd presiunea este sczut. Astfel se asigur destinderea agentului cnd acestaare temperatur ridicati comprimarea lui la temperatur sczut. Pistonul motor

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    12/125

    - 12 -

    are rolul de a modifica volumul total ocupat de agent n cilindru iar pistonul

    mpingtor are rolul de a muta gazul din camera de comprimare n camera dedestindere i invers, punndu-l n contact alternativ cu cele dou surse de cldur.

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    11

    12

    13

    14

    15

    Fig. 1.2. Schema constructiv a motorului Stirling Philips:1 - camer de ardere; 2 - nclzitor; 3 - camer de destindere; 4 - pistonmpingtor; 5 - regenerator; 6 - rcitor; 7 - camer de comprimare; 8 - piston delucru; 9 - cilindru; 10 - tija pistonului de lucru; 11 - camer de amortizare; 12 - tija

    pistonului mpingtor; 13 - biel; 14 - arbore cotit; 15 - angrenaj de sincronizare

    Regeneratorul are rolul de a reine o parte din cldura pe care agentul ocedeaz n timpul deplasrii sale din camera de destindere n camera decomprimare (transformare teoretic izocoric) i de a reintroduce n ciclu aceastcldur atunci cnd agentul parcurge drumul invers (ntr-o transformare teoreticizocoric). Prezena regeneratorului mrete mult randamentul termic al mainii.

    Funcionarea mainii Stirling ca main frigorific a fost pus n eviden nanul 1834 de ctre John Herschel. Acesta a artat c un motor Stirling care esteantrenat din exterior realizeaz transferul de cldur de la camera de destinderectre camera de comprimare, de unde cldura este transmis ctre agentul de

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    13/125

    - 13 -

    rcire. Bineneles, trebuie ca spaiul camerei de destindere s nu fie nclzit (n

    cazul motoarelor Stirling spaiul camerei de destindere este nclzit). Primelemaini frigorifice Stirling au nceput s fie folosite dup anul 1870 [36], [51], [53].Dintre mainile frigorifice care funcioneaz dup ciclul Stirling inversat cele maicunoscute sunt mainile criogenice pentru lichefierea aerului i pentru fabricareaazotului lichid, maini produse ncepnd cu anul 1955 de firma olandez Philips.Astfel de maini criogeneratoare au fost importate i n ara noastr. ncepnd dinanul 1975 maini criogenice Stirling au fost realizate la ICPIAF din Cluj Napoca,sub numele comercial C - 77 [36].

    Mai nou, au fost experimentate maini frigorifice Stirling destinate sechipeze frigidere de uz casnic. Deoarece aceste maini folosesc ca ageni delucru gaze inerte, ele sunt alternativa nepoluant a mainilor frigorifice clasice cucomprimare mecanic a vaporilor de agent de lucru (freoni, amoniac etc.). Estevorba de maini Stirling duplex, compuse dintr-un motor Stirling cu pistoane libere

    i dintr-o main frigorific Stirling cu pistoane libere. Cele dou maini folosesc ncomun acelai piston de lucru i sunt amplasate ntr-o carcas comun [8].

    1.2. Clasificri ale mainilor Stirling

    Ca urmare a unei dezvoltri pe parcursul a aproape dou secole, astziexist o mare diversitate de maini Stirling, ceea ce face foarte dificil oricencercare de cuprindere ntr-o clasificare unitar, dup un numr mic de criterii, atuturor variantelor constructive. Analiza informaiilor existente n literatura despecialitate disponibil permite distingerea mai multor criterii de clasificare uzuale,dintre care pot fi reinute urmtoarele, apreciate ca mai generale:

    - sensul de parcurgere a ciclului termodinamic Stirling;- modul de interaciune energetic dintre pistoane i mediul din exteriorul

    mainii Stirling;- tipul pistoanelor;- schema constructiv echivalent;- tipul mecanismului motor;- numrul de cilindri;- sursa de energie;- destinaia.Alturi de criteriile generale (sensul de parcurgere a ciclului termodinamic

    i schema constructiv echivalent) sunt foarte importante criteriile ce permitevidenierea particularitilor schemelor constructive.

    Dup sensul de parcurgere a ciclului termodinamic Stirling se deosebesc:- motoare Stirling, cnd ciclul este parcurs n sens direct (n sens

    antitrigonometric);

    - maini frigorifice Stirling, cnd ciclul este parcurs n sens invers (n senstrigonometric); aici intr pompele de cldur, mainile frigorifice i mainilecriogenice Stirling.

    Dup modul de interaciune energetic dintre pistoane i exteriorul mainiiStirling se deosebesc:

    - maini cinematice, la care pistoanele interacioneaz energetic cuexteriorul prin intermediul unui mecanism motor;

    - maini dinamice, numite i cu pistoane libere, care nu au mecanismmotor, interaciunea cu exteriorul fcndu-se electromagnetic, termic sau mecanic;

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    14/125

    - 14 -

    - maini combinate, la care pistonul motor este cuplat la un mecanism iar

    pistonul mpingtor este piston liber.Dup modul n care interacioneaz pistoanele cu agentul de lucrumainile Stirling se clasific n:

    - maini cu pistoane cu simpl aciune;- maini cu pistoane cu dubl aciune;- maini cu piston motor cu simpl aciune i piston mpingtor cu dubl

    aciune.Clasificarea dup modul de interaciune dintre pistoane i agentul de lucru

    se refer att la pistoanele motoare ct i la pistoanele mpingtoare care intr nconstrucia unui monocilindru funcional Stirling (unitate funcional echivalent cumonocilindrul de la motoarele cu ardere intern).

    Mainile Stirling cinematice cu pistoane motoare cu simpl aciune seconstruiesc dup una din urmtoarele scheme:

    - schema alfa, fig. 5.8 - a, la care pistonul motor i pistonul mpingtorsunt pistoane cu simpl aciune (de regul pistoanele sunt i plasate n cilindriseparai);

    - schema beta, fig. 5.8 - b, la care pistonul motori cel mpingtor suntamplasate coaxial n acelai cilindru, pistonul mpingtor fiind cu dubl aciune;

    - schema gama", fig. 5.8 - c, la care pistoanele sunt plasate n cilindriseparai i pistonul mpingtor este cu dubl aciune.

    Dup numrul de cilindri se disting:- maini Stirling monocilindrice;- maini Stirling policilindrice.

    Aceast ultim clasificare este util n special dac se studiaz comportareadinamic a mainii.

    Este deosebit de greu de cuprins toate mainile Stirling n cadrul unei

    clasificri realizate pe baza unor criterii coerente i conforme logicii formale, astfelc n practic se ntlnesc clasificri specifice motoarelor Stirling i clasificrispecifice mainilor frigorifice Stirling.

    Motoarele Stirling se pot clasifica dup felul sursei de cldur utilizate:- gaze obinute prin arderea combustibililor n camere de ardere cu:

    - hidrocarburi gazoase;- hidrocarburi lichide;- crbune;- deeuri agricole i forestiere;

    - ageni termici recuperai din diverse procese tehnologice;- energie solar;- surse cu izotopi radioactivi.Dup destinaie, motoarele Stirling se mpart n motoare pentru:

    - antrenarea unor generatoare electrice;- antrenarea unor compresoare sau pompe;- antrenarea unor maini frigorifice;- propulsarea unor vehicule terestre;- propulsarea unor nave de suprafa sau a unor submarine;- cogenerarea energiei electrice i termice.Aceste dou clasificri ale motoarelor Stirling sunt excesiv de formale i nu

    se bazeaz pe deosebiri eseniale, de principiu, ci doar pe deosebiri de amnunt.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    15/125

    - 15 -

    Cu toate c sunt des ntlnite n literatura de specialitate, astfel de clasificri ar

    trebui evitate.Pentru mainile Stirling frigorifice este utili o clasificare dup un criteriuspecific, i anume valoarea temperaturii utile produse:

    + 40 ... + 60 - pompe de cldur; - 40 ... + 10 - maini frigorifice (pentru frigidere casnice etc.); - 180 ... - 70 - maini criogenice.Analiznd clasificrile prezentate mai sus se observ c o deosebit

    importan este acordat acelor criterii de clasificare ce consider particularitileconstructive ale mainilor Stirling. n primul rnd este cazul schemelor constructive.Ca urmare, este justificat pe deplin preocuparea pentru analiza schemelorconstructive ale mainilor Stirling, cu att mai mult cu ct multe din aceste schemeaduc cu ele importante particulariti de ordin funcional, care se oglindesc ndiagramele indicate i n curbele de variaie ciclic a momentului motor produs.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    16/125

    - 16 -

    2. O SCURT ISTORIE A MAINILOR STIRLING

    2.1. Perioada veche a istoriei mainilor Stirling

    Istoria mainilor termice ncepe cu apariia mainilor cu abur. n secolul I e.n. Heron din Alexandria (numit i cel Btrn) a construit

    eolipilul (olipile n francez sau aeolipile n englez), un dispozitiv carereprezint prima ncercare cunoscut de utilizare a forei de reaciune produs deun jet de abur.

    Primele maini termice au fost inventate la peste 1500 de ani duprealizarea lui Heron din Alexandria, la sfritul secolului al XVII-lea, dar despre

    aplicaii practice i perfecionrile acestor maini se poate vorbi abia n secolul alXVIII-lea [6], [46]. n primele decenii ale secolului al XVII-lea apar proiecte teoretice care

    propun utilizarea energiei aburului, ntre care cele ale fizicianului italianGiambattista della Porta (1539 - 1615) din anul 1601, cele ale inginerului iarhitectului francez Salomon de Caux (~1576 - 1626) din cartea sa Les raisonsdes forces mouvantes, avec diverses machines tant utiles que plaisantes(Cauzele forelor mictoare, cu diverse maini pe ct de utile pe att de plcute)publicat n 1615 i cele ale lui Giovanni Branca, din cartea sa Le macchinediverse del signor Giovanni Branca, cittadino romano ingegniere, architetto dellaCasa di Loreto - Roma, MDCXXIX (din 1629 deci). Din aceeai perioad dateazncercrile (de prin 1640) efectuate de englezul Edward Sommerset Worcester(1601 - 1667) de realizare a unei maini cu abur [56]. Urmeaz lucrrile inginerului

    i inventatorului francez Denis Papin (1647 - 1714), care a inventat cazanulgenerator de abur i a realizat, ntre 1687 i 1707, primele modele de mainimotoare cu abur. n 1690 fizicianul francez Guillaume Amontons (1663 - 1705) aconstruit o main cu abur cu cilindru i cu piston care a fost folosit pentruantrenarea unei pompe de ap. Realizrile lui Papin i Amontons au fost depitede inginerul mecanic englez Thomas Savery (1650 - 1715) care, n 1690, aconstruit o main atmosferic ce combina efectul presiunii aburului cu cel alpresiunii atmosferice. La rndul ei maina lui Savery a fost depit n 1711 demaina cu piston realizat de englezul Thomas Newcomen (1663 - 1729). Mainalui Newcomen a avut o rspndire considerabil la nceputul secolului al XVIII-lea.Mainile motoare cu abur cu piston au cunoscut numeroase perfecionri, ncepnd cu cele aduse de inginerul i inventatorul James Watt (1730 - 1819),englez conform [6] sau scoian conform [56], [58], care a proiectat i realizat n anul

    1775 prima main cu abur cu piston cu simplu efect i care avea condensatorulseparat de corpul mainii propriu zise. James Watt a construit i primul motor cuabur cu piston rotativ (n 1779), iar n 1782 a construit maina cu abur cu piston cudublu efect, creia n 1785 i-a nlocuit supapele cu un distribuitor-sertar i i-aadugat un volant pentru uniformizarea cuplului. Ulterior, mainii lui Watt i s-auadus tot felul de perfecionri, ntre care regulatorul de turaie centrifug. Astfelperfecionate, mainile cu abur au fost utilizate pe scar larg att la sfritulsecolului al XVIII-lea ct i n tot secolul al XIX-lea, ca principal generator deenergie mecanic pe seama cldurii produse prin arderea lemnului i crbunilor.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    17/125

    - 17 -

    Eforturile experimentale i teoretice depuse de fizicienii i inginerii

    secolului al XVII-lea i al XVIII-lea au pregtit descoperirea n secolul al XIX-lea alegilor termodinamicii, ceea ce a permis nelegerea adevratelor principii alefuncionrii mainilor termice. Astfel, inginerul francez Nicolas Lonard Sadi Carnot(1796 - 1832) - fiul lui Lazare Carnot (1753 - 1823, matematician i general alarmatei franceze, frunta al revoluiei din 1789) - a publicat n 1824 celebra sacarte Rflexions sur la puissance motrice du feu et les machines propres developer cette puissance. n_aceast carte Sadi Carnot a generalizat concluziileexperimentelor practice ale predecesorilor, artnd c aa cum un motor hidraulicfuncioneaz la trecerea apei de la un nivel mai ridicat la un nivel mai cobort, totaa un motor termic funcioneaz atunci cnd energia termic sub form decldur trece de la o temperatur mai ridicat la o temperatur mai joas. Prinaceasta Sadi Carnot a dat o formulare principiului al doilea al termodinamicii,formulare care arat - n limbajul de astzi - c o main nu poate produce

    continuu lucru mecanic dect dac exist cel puin dou surse de cldur cutemperaturi diferite i dac o parte din cldura preluat de agentul de lucru de lasursa cald este transmis la sursa rece.

    Dup cum s-a artat mai sus, la sfritul secolului al XVII-lea i n secolulal XVIII-lea mainile cu abur cu piston au fost utilizate pe scar foarte larg. Existans un inconvenient important. Generatoarele de abur sub presiune carealimentau motoarele cu abur erau construite din materiale de proast calitate,concordnd cu nivelul de dezvoltare a metalurgiei (procedeul Bessemer deobinere a oelului din font a fost pus la punct abia n 1856, iar procedeulSiemens-Martin de obinere a oelului din fier vechi abia n 1864). Ca urmare asolicitrilor mecanice i termice importante, exploziile cazanelor de abur erau unfapt curent, fiind nsoite de pierderi de bunuri i de viei omeneti. n aceste condiiia aprut ideea construirii unor motoare termice a cror funcionare s nu fie legat

    de cazanele de abur. Ideea era de a folosi ca agent de lucru aerul cald sau un altamestec de gaze necombustibile, care s nu prezinte riscurile aburului acumulat ncazanele de abur [9], [36], [48], [51], [53]. Motoarele termice cu aer cald i cupistoane au aprut n primele decenii ale secolului al XIX-lea i unele dintre ele(motoarele Stirling) s-au dezvoltat i rspndit repede, concurnd cu succes timpde aproape o sut de ani motoarele cu abur.

    Istoria a reinut ca inventatori ai primelor motoare cu aer cald, alturi deStirling, pe Cayley i pe Ericsson.

    n anul 1807 englezul George Cayley (1773 - 1857), rmas n istoriatehnicii mai ales prin cercetrile sale asupra aparatelor de zbor mai grele ca aeruli prin construirea unui planor funcional, ca inventator al tractorului cu enile i cafondator, n 1839, al Instituiei politehnice londoneze de pe strada Regent(Regent Street Polytechnic Institution of London) [56], a construit primul motor cu

    aer cald cu expansiune, care funciona dup un ciclu deschis. Motorul lui Cayleyera cu ardere intern (dar n afara cilindrului) i folosea ca agent de lucru aer,comprimat prin nclzire i amestecat cu gaze de ardere.

    n 1826 inginerul suedez John Ericsson (1802 - 1889) a ob inut primul subrevet pentru o main cu aer cald cu combustie externi cu funcionare n cicludeschis, main construit n 1833. De acest tip sunt i cele patru motoare dedimensiuni foarte mari (diametrul pistonului de lucru de 4,2 m i cursa de 1,2 m)construite de Ericsson n 1853 i instalate pe o nav cu zbaturi i pnze. Ericssona rmas cunoscut n istoria tehnicii n special prin construirea primului cuirasat din

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    18/125

    - 18 -

    lume acionat numai cu motoare cu abur, nava U.S.S. Monitor.

    Dei aveau un consum de combustibil mai redus ca al mainilor cu abur,motoarele lui Ericsson nu s-au rspndit. La fel, nici motorul lui Cayley nu s-arspndit, dei un model mbuntit a fost produs de Roper Caloric Company nS.U.A. i de Caloric Engine Company n Anglia.

    n apariia i dezvoltarea motoarelor termice cu aer cald cu pistoane anul1816 reprezint un moment istoric. n acest an clericul scoian Robert Stirling (1790- 1878) a cerut i a obinut de la Cancelaria din Edimburgh brevetul nr. 4081 pentruun motor cu aer cald cu ardere extern, motor care funciona dup un ciclutermodinamic nchis cu regenerarea cldurii (numit astzi ciclu Stirling) [9], [36],[39], [48], [51], [53]. Primul motor, conform brevetului 4081, a fost construit deRobert Stirling ntre anii 1818 1822. Dei originalul brevetului sa pierdut, datoritinteresului istoric deosebit pe care l prezint acest prim motor Stirling, construciaacestuia este prezentat n aproape toate crile despre aceste motoare [36], [39],

    [51], [53]. Primul motor cu aer cald al lui Robert Stirling a fost realizat dup schemaconstructiv artat pe fig. 2.1. Motorul avea un cilindru vertical 3 nchis cu ochiulas fr supape i dou pistoane coaxiale: pistonul superior 4, numit pistoncald sau piston mpingtor (n englez displacer piston sau displacer) i pistonulinferior, numit piston rece sau piston de lucru (n englez power piston sau,simplu, piston). Motorul a fost prevzut cu un schimbtor de cldur regenerativ 5realizat din srm de cupru nfurat n jurul pistonului cald. Chiulasa i cele doupistoane delimiteaz n cilindru dou camere funcionale cu volum variabil: camera2 dintre pistonul cald i chiulas, numiti camer cald sau spaiu de destindere,i camera 6 dintre cele dou pistoane, numit i camer rece sau spaiu decomprimare. Gazele rezultate din arderea crbunelui n focarul 1 nclzeauchiulasa i partea superioar a cilindrului 3. n zona camerei reci cilindrul era rcitcu un curent de aer sau, poate, cu un curent de ap. Pistonul cald 4 mpingea

    alternativ aerul din camera rece n camera cald i din camera cald napoi ncamera rece. Ca urmare, agentul de lucru era pus n contact n mod alternativ cndcu sursa cald, cnd cu sursa rece i i modifica temperatura i presiunea,realiznd ciclul termodinamic motor. Micarea corelat a pistoanelor itransformarea ei din micare de translaie n micare de rotaie a arborelui (princare lucrul mecanic produs se transmite la maina utilizatoare) se realiza printr-uncomplicat sistem de bare oscilante, mecanism care nu a fost prezentat n fig. 2.1.

    O analiz succint a primului motor cu aer cald construit de Robert Stirlingarat c inventatorul a intuit necesitatea i importana recuperrii unei pri dincldura coninut de aerul cald ce prsete camera cald, urmate de folosireacldurii recuperate pentru prenclzirea aerului ce trece din camera rece n cameracald. n acest scop Stirling a introdus un schimbtor de cldur cu mas deacumulare a cldurii - regeneratorul 5 (pe fig. 2.1) - pe care l-a plasat pe la mijlocul

    pistonului cald, dei, aa cum se vede pe desenele motorului [36], [39], [51], [53],regeneratorul este subdimensionat. O a doua observaie important se refer lafaptul istoric c la data brevetrii i construirii primului motor cu aer cald de ctreStirling legile termodinamicii abia ncepeau s fie descoperite i echivalena dintrecldur i lucrul mecanic ca forme ale schimbului de energie ntre corpuri eraunecunoscute (echivalentul mecanic al cldurii a fost determinat de fizicianul englezJames Prescott Joule (1818 - 1889) abia n anul 1843). Ca urmare, Robert Stirlinga considerat c rolul nclzirii const numai n compensarea pierderilor de cldur,n special prin radiaie, i din acest motiv suprafaa de nclzire - limitat la chiulas

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    19/125

    - 19 -

    i o mic parte din cilindru - era insuficient, subdimensionat. Cu toate acestea,

    primul motor cu aer cald construit de Robert Stirling este absolut remarcabil, elconinnd toate elementele principale ale motoarelor Stirling actuale. Primul sumotor avea circa 2 CP i a fost folosit la pomparea apei. Ulterior, Robert Stirling,mpreun cu fratele su James Stirling (1800 - 1876), a obinut dou brevetepentru mbuntiri aduse motorului cu aer cald (brevetul de invenie nr. 5456 dinanul 1827 i brevetul de invenie nr. 8652 din anul 1840) i a construit numeroasemodele de motoare cu aer cald, inclusiv un motor de 30 kW care a funcionat ntr-oturntorie din Dundee.

    2

    5

    4

    3

    1

    8

    7

    6

    Fig. 2.1. Schema constructiv a primului motor Stirling (1818):1 - focar; 2 - camer cald; 3 - cilindru; 4 - piston cald; 5 - schimbtor de cldur

    regenerativ; 6 - camer rece; 7 - piston rece; 8 - supori

    Plecnd de la motoarele construite de Stirling, n anul 1843 a fost fabricatun prim motor de uzin, care s-a dovedit un bun nceput. Mai apoi, pe tot parcursulsecolului al XIX-lea i la nceputul secolului al XX-lea, mai multe mii de motoare cu

    aer cald cu construcii din cele mai diverse au funcionat n Marea Britanie, StateleUnite ale Americii i n mai multe ri europene. Motoarele erau de puteri foartediferite, de la circa 100 W pn la cteva zeci de kilowai. Utilizarea pe scar larga motoarelor cu aer cald s-a datorat avantajelor pe care le aveau fa de motoarelecu abur cu piston. Astfel, motoarele Stirling se remarcau printr-o funcionare siguri silenioas, fiind totodat suficient de economice. n plus, motoarele cu aer calderau complet inofensive, n timp ce generatoarele ce alimentau motoarele cu aburcu piston, din cauza materialelor i metodelor de fabricaie imperfecte, continuaus explodeze chiari n primele decenii ale secolului al XX-lea.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    20/125

    - 20 -

    Trebuie observat c mainile cu aer cald despre care s-a vorbit mai sus

    funcionau dup ciclul Stirling direct (motor). O dat cu construirea primelormotoare Stirling, n anul 1834 un anume John Herschel (oare acelai cu binecunoscutul astronom, fizician i chimist John Frederick William Herschel (1792 -1871)? ) a aratat c o main Stirling antrenat din exterior realizeaz transfer decldur de la spaiul de destindere ctre spaiul de comprimare, unde cldura estetransmis agentului de rcire, cu condiia ca spaiul de destindere s nu fie nclzit.n acest fel maina funcioneaz dup ciclul Stirling inversat, transformndu-se ntr-o main frigorific Stirling [36], [51], [53]. Primele maini frigorifice Stirling aunceput s fie folosite dup anul 1870. Una din primele maini Stirling frigorifice afost maina Windhausen [44].

    n 1850 profesorul englez William John Macquorn Rankine (1820 - 1872) aexplicat pentru prima dat dinamica simpli elegant a motorului Stirling.

    n 1871 Gustav Schmidt, profesor la Institutul Politehnic German din

    Praga, a publicat n revista Zeitung VDI (anul 15, nr. 1) studiul Theorie derLehmann Schen Calorischen Maschine, n care prezint primul modeltermodinamic pentru calculul motoarelor Stirling. Modelul matematic are la bazipoteza c procesele din camerele funcionale ale motorului sunt izotermice.Metoda matematic a lui Schmidt a cunoscut o larg rspndire, varianteperfecionate fiind folosite i astzi.

    Spre sfritul secolului al XIX-lea i la nceputul secolului al XX-lea istoriamotoarelor termice consemneaz evenimente excepionale. Dup ce n anul 1860inginerul francez tienne Jean Joseph Lenoir (1822 - 1900) a construit primulmotor cu explozie n doi timpi cu combustibil gazos i cu aprindere electric, nanul 1876 inventatorul german Nikolas August Otto (1832 - 1881) a brevetat primulmotor cu ardere intern n patru timpi cu combustibil lichid (benzin), pe care l-aexpus n 1878, iar n anii 1892 - 1893 inventatorul german Rudolf Diesel (1858 -

    1913) a realizat primul motor cu ardere intern cu injecie progresiv decombustibil lichid sub presiune (motorin), motor care a funcionat ncepnd din1897 i a nceput s fie fabricat in 1902 [6]. n aceeai perioad istoric suntinventate i motoarele electrice: motorul electric de curent continuu a fost realizatn 1860 de fizicianul italian Antonio Pacinotti (1841 1912), iar motorul asincrontrifazat a fost inventat n 1890 de profesorul rus Mihail Osipovici Dolivo-Dobrovolski(1862 1919) [6].

    Avantajele evidente ale motoarelor cu ardere intern i ale motoarelorelectrice - folosite pentru antrenarea a tot felul de maini consumatoare de energiemecanic (pompe, ventilatoare, maini pentru prelucrat metale etc.) - au fcut ca la nceputul secolului al XX-lea acestea s nlocuiasc mai vechile i mai puineficientele motoare Stirling n aproape toate aplicaiile practice. Totui motoareleStirling de mic putere destinate antrenrii unor ventilatoare sau a unor pompe

    pentru apa potabil au continuat s fie fabricate n Marea Britanie pn spremijlocul secolului al XX-lea. Aceste motoare Stirling ardeau petrol lampant i eraudestinate zonelor tropicale izolate, fiind folosite de misionari, fermieri i autoritiadministrative.

    Perioada veche a istoriei motoarelor Stirling poate fi urmrit n coleciilede motoare cu aer cald existente n numeroase muzee tehnice din Statele Uniteale Americii (cum ar fi muzeul Ericsson din Philadelphia) i din diferite rieuropene.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    21/125

    - 21 -

    2.2. Perioada modern a istoriei motoarelor Stirling

    2.2.1. Renaterea interesului pentru motoarele Stirling.Cercetrile i realizrile firmei Philips

    Renaterea interesului pentru motoarele Stirling i nceputurile perioadeimoderne din istoria acestor maini se situeaz n anul 1938, cnd inginerii firmeiolandeze Philips din Eindhoven au demarat cercetri pentru crearea unuigenerator electric de mic putere care s poat alimenta aparatele de telegrafieprecum i aparatele radio de emisie i recepie (inclusiv cele militare) situate nzone izolate, lipsite de sisteme de producere i distribuie a energiei electrice [9],[51]. Se spune c firma Philips a ales pentru antrenarea generatoarelor electricemotorul Stirling dup ce unul din directori a vzut vechile motoare cu aer calddintr-un muzeu din Paris. La alegerea motorului Stirling ca surs de energie

    mecanic a contribuit faptul c sursa cald a acestuia poate fi alimentat nprincipiu cu orice combustibil, precum i proprietatea sa de a funciona deosebit desilenios. Cercettorii de la Philips au mizat i pe noile materiale i tehnologii defabricaie ce le stteau la dispoziie i care nu puteau s duc dect la motoare cuperformane net superioare motoarelor aflate atunci n muzee i, deci, la motoarecare s exploateze adecvat potenialul ciclului termodinamic Stirling i avantajeleacestuia. Realizrile cercettorilor firmei Philips au fost comunicate n anul 1960 deMeijer [30] i n 1971 i 1973 de van Beukering [9]. Meijer a obinut i un doctoratn urma studiului aprofundat al mecanismului romboidal pe care l-a inventat i carea fost folosit n construcia motorului Stirling-Philips (fig. 1.2).

    Cel mai cunoscut dintre primele motoare Stirling moderne (fig. 1.2) adezvoltat schema de baz a motorului din brevetul din 1816, introducnd deasuprachiulasei o camer de ardere cu combustibil lichid i scond regeneratorul din

    interiorul cilindrului i amplasndu-l n jurul cilindrului, n exterior. Totodat a fostadugat n cilindru, sub pistonul rece, o camer pneumatic de amortizare i afost inventat un mecanism motor romboidal simetric, mecanism care poate ficomplet echilibrat din punct de vedere al forelori momentelor de inerie, deci nuproduce nici un fel de vibraii mecanice de felul celor care apar la motoarele cuardere intern cu mecanism biel-manivel axat sau dezaxat [19], [49].

    Dup anul 1950 cercettorii de la Philips au abandonat programulgeneratorului electric cu motor Stirling, deoarece progresele electronicii(descoperirea tranzistorului) i perfecionarea acumulatoarelor electrice au furnizatsoluii mai performante, fcnd inutil acest proiect. Firma Philips, folosind expe-riena acumulat n studiul teoretic i experimental al motoarelor Stirling, a trecut laconstrucia de motoare cu puteri mult mai mari, destinate att utilizrilor staionarect i motorizrii unor vehicule de transport. n acelai timp, Philips a vndut

    licenele sale multor firme constructoare de autovehicule cu motoare cu ardereintern, firme interesate s nu piard contactul cu progresul tehnico-tiinific [16].Dintre realizrile firmei Philips n domeniul motoarelor Stirling se remarc

    motoarele policilindrice obinute pe baza motorului prezentat n fig. 1.2. S-auconstruit motoare cu doi cilindri n linie, cu patru cilindri n linie sau cu patru cilindriaezai doi cte doi n opoziie (fig. 5.22).

    O dat cu construirea primelor motoare Stirling, specialitii de la Philips auconstatat c acestea pot funciona ca maini criogenice, cu o eficien destul debun. Cercetrile n domeniul mainilor frigorifice au fost conduse de J.W. Khleri

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    22/125

    - 22 -

    C.O. Jonkers. n 1953 firma Philips prezint, n cadrul unei demonstraii la Paris, o

    main frigorific funcionnd pe baza ciclului Stirling inversat. n anul 1955 Philipslanseaz pe pia maini criogenice Stirling pentru lichefierea aerului i pentruobinerea azotului lichid [16].

    ntre 1960 i 1970 apar instalaii criogenice industriale Stirling cu putereade 25 kW, care realizau temperatura de 77 K, i instalaii criogenice cu dou trepte,care realizau temperatura de 12 K [16].

    2.2.2. Contribuiile altor firme i organizaii la dezvoltareamotoarelor Stirling

    Primii care au achiziionat (n 1958) licena pentru motoare Stirling-Philipsau fost cei de la firma american General Motors din Detroit, care au dezvoltatcercetri privind construcia de motoare Stirling pentru automobile i motociclete,pentru submarine i nave de suprafa, precum i pentru utilizri n cosmos.

    Primele rezultate obinute de General Motors n domeniul motoarelor Stirling aufost publicate n anul 1971 de Underwood [48].Au mai preluat licenele firmei Philips consoriul german MAN-MWM (n

    1967) i firma suedez United Stirling AB din Malm (n 1968). Aceste dou firmeau colaborat, realiznd motoare Stirling pentru autovehicule i pentru grupurienergetice destinate unor nave de suprafa sau unor submarine [33]. Din punct devedere constructiv aceste motoare erau cu mecanism romboidal sau cu mecanismmotor cu plac nclinat [29], [45], [53].

    Tabelul 2.1.Motoare Stirling din perioada moderne

    Firma AnulNumele

    motorului

    Numrul

    de cilindri

    Volumulunui

    cilindru

    Puterea Turaia Destinaia

    Felulmecanis-

    muluimotor10-6 m3 kW rot/min

    1967 2-235 2 235 85 3000 iahturi romboidal

    1968 4-235 4-opui 235 147 300 iahturi romboidal1968-1972

    4-235D.A.

    4-linie 235 74 3000autobuze

    DAF S3200romboidal

    1968 4-S-1210 4 265 1500 nave romboidal1968-1971

    4-65 D.A. 4 65 45 naveplac

    nclinat

    Philips(Olanda)

    19754-215D.A.

    4 215 127autoturismulFord Torino

    placnclinat

    1968 4-615 4 615 150 2400nave,

    autovehiculeromboidal

    1972 V4X 4 40 4500 automobilebiel-

    manivel1975 P40 4-linie 40 4000 autovehicule

    P150V8 8 150 2400 camioanebiel-

    manivel

    UnitedStirling

    (Suedia)

    1984 4-95 MKII 4 952552

    18004000

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    23/125

    - 23 -

    Tabelul 2.1. (continuare)

    Firma AnulNumele

    motoruluiNumrulde cilindri

    Volumulunui

    cilindruPuterea Turaia Destinaia

    Felulmecanis-

    muluimotor

    10-6 m3 kW rot/min

    1959 GPU-3 1 3 3600generatorelectric

    romboidal

    1960 425 nave romboidalGeneralMotors

    4 50 16,2 2400plac

    nclinat

    Ford 1972 4 150 5000 automobileplac

    nclinat

    1967 1 95 7,4 3000 laborator biel-manivelMAN-MWM

    1968 1-400 1 400 22 1500 laborator romboidal

    1978 Mod I 50 4000 automobilebiel -

    manivelMechanicalTechnologyInc. (SUA) 1986 Mod II 63 automobile

    biel -manivel

    Stirling PowerSystems(Suedia)

    1978 V160 160 1800

    cogenerarecasnic,

    generatorelectric

    biel -manivel

    SOLOKleinmotoren

    Gmbh.

    (Germania)

    1993SOLO161

    1 160 11 cogenerarebiel -

    manivel

    StirlingTechnologyInc. (SUA)

    1995 ST-5 1 3cogenerare

    (poli-carburant)

    pistoanelibere

    WhisperTech. Inc.

    (NouaZeeland)

    1995 WG-800 4 0,8 cogenerarewobble-

    yoke

    SIGMA -Elektrotek-nisk A.S.

    (Norvegia)

    PCP 133 3 1600 cogenerare

    n aceeai perioad au nceput cercetri n domeniul motoarelor Stirling i

    la firma McDonnell Douglas Astronautics Co. din localitatea Richland din statulamerican Washington [29].

    Dup 1970 guvernul SUA, prin Department of Energy (DOE), a finanatNASA pentru a efectua cercetri n domeniul instalaiilor energetice cu motoareStirling de putere mare (370 ... 1500 kW). Motoarele trebuiau s ard crbune saudeeuri agricole i menajere. NASA continui n prezent cercetri privind instalaiienergetice cu motoare Stirling cu pistoane libere i cu generatoare electrice liniare,instalaii destinate navelor cosmice.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    24/125

    - 24 -

    Cercetri n domeniul motoarelor Stirling au fost efectuate de numeroase

    alte firme i organizaii mai mari sau mai mici, unele dintre ele fiind citate nbibliografie.Cele mai cunoscute motoare Stirling fabricate dup 1950 sunt prezentate

    n tabelul 2.1 [11], [41], [53].

    2.2.3. Maini Stirling cu pistoane libereMotorul Stirling cu pistoane libere modern a fost inventat n deceniul al

    aselea al secolului trecut de William T. Beale, viitor profesor la Universitatea deStat din Ohio i fondator al firmei Sunpower Inc. din Athens (Ohio), firm care adus foarte departe dezvoltarea acestui motor [7], [36], [44], [51], [53]. ntr-un fel separe c este vorba de o redescoperire a acestor motoare, ntruct, dup [44], unastfel de motor a fost construit nc n anul 1870.

    Motorul Stirling cu pistoane libere nu are mecanism pentru transformarea

    micrii de translaie n micare de rotaie i nici pentru corelarea micriipistoanelor, funcionnd diferit fa de motorul Stirling cu mecanism motor de tipbiel-manivel. Motoarele Stirling cu pistoane libere pot fi construite etane, dinaceasta rezultnd numeroase avantaje constructive. De asemenea, motoarele cupistoane libere pot funciona n orice poziie i pornesc singure.

    1 2 7 8653 4 9 10 8

    +Q -Q

    Fig. 2.2. Schema constructiv a unui motor Stirling cu pistoane liberecare antreneaz un generator electric liniar: 1 - cilindru; 2 - camer de destindere;3 - piston mpingtor; 4 - regenerator; 5 - tija pistonului mpingtor; 6 - camer decomprimare; 7 - piston motor; 8 - camere de amortizare; 9 - magnet permanent;

    10 - bobina indusului generatorului electric

    Un motor Stirling cu pistoane libere (fig. 2.2) are trei pri constructiveprincipale: cilindrul 1, nchis etan la ambele extremiti, pistonul de lucru 7 (cumas mare) i pistonul mpingtor 3 (cu mas mic). Pistonul mpingtor esteprevzut cu tija 5 cu diametru relativ mare, care intr n corpul pistonului de lucru.

    Pistoanele delimiteaz n cilindru trei camere: camera de destindere(camera cald) 2, camera de comprimare (rece) 6 i camera de amortizare 8. Tija

    5 a pistonului mpingtor este construit ca un tub deschis la ambele capete, astfelc spaiul interior al cilindrului mpingtor comunic cu spaiul camerei deamortizare, fiind o parte component a acestei camere. Spaiul activ (de lucru) almotorului Beale este compus din camerele de comprimare 6 i de destindere 2.ntre cilindru i pistonul mpingtor se afl spaiul liber 4, de forma unui tub lung isubire, cu rol de regenerator de cldur. Prin acest spaiu se realizeazcomunicarea dintre camerele de comprimare i de destindere. Camera dedestindere 2 este prevzut cu un sistem de nclzire iar camera de comprimare 4

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    25/125

    - 25 -

    este prevzut cu un sistem de rcire (elemente nefigurate pe fig. 2.2).

    Ca i la mainile Stirling cu mecanism motor, i la mainile cu pistoanelibere pistonul mpingtor mut gazul din camera de destindere n camera decomprimare i invers iar pistonul motor modific volumul spaiului de lucru almotorului i transmite lucrul mecanic produs la utilizator. Micarea corelatnecesar a pistoanelor se realizeaz ca rezultat al aciunii cumulate a forelor depresiune a gazului i a forelor de inerie ale pistoanelor. Aceast particularitateface ca mainile Stirling cu pistoane libere s fie numite i maini Stirling dinamice.

    Profesorul Beale i-a pus n practic invenia n anul 1966, cnd firmaSunpower Inc. a construit primul motor cu pistoane libere. Ulterior firma Sunpowera dezvoltat numeroase variante constructive de motoare i a gsit cele maipotrivite utilizri ale acestui motor [7], [36], [51], [53].

    Ca oricare alt motor Stirling, i cel inventat de Beale este o mainreversibil, un motor cu pistoane libere putnd funciona i ca main frigorific.

    Pentru a funciona ca main frigorific pistonul motor trebuie antrenat din exterior,de exemplu cu un motor electric liniar (ca n fig. 6.5 din subcapitolul 6.4).Tot similar celorlalte motoare Stirling, i motorul inventat de Beale poate

    folosi cldur provenind de la orice surs, produs prin arderea oricrei substanecombustibile, pn la surse cu izotopi radioactivi sau energie solar. Din aceastcaracteristic deriv folosirea acestui motor n instalaiile electroenergeticestaionare, cnd motorul antreneaz un generator electric liniar. Astfel de motoareStirling, cu o putere electric de doar 3 kW, pot asigura necesarul de energieelectric (i de energie termic, prin cogenerare) al unei gospodrii izolate.

    Motoarele Stirling cu pistoane libere se folosesc n instalaiielectroenergetice destinate navelor care zboar n cosmos, situaie n care suntalimentate cu energie solar sau de o surs de cldur cu izotopi radioactivi [57].

    Un interes deosebit l prezint combinaiile dintre un motor Stirling cu

    pistoane libere i o main frigorific cu pistoane libere, n care energia mecanicprodus de motor servete la antrenarea mainii frigorifice. O astfel de instalaiefrigorific este ecologic deoarece nu folosete freoni sau ali ageni frigorifici toxicisau inflamabili i reprezint o soluie de perspectiv pentru rezolvarea problemelorecologice generate de agenii frigorifici actuali.

    Prin caracteristicile tehnice i variatele utilizri posibile, motoarele Stirlingcu pistoane libere au atras atenia unui numr mare de cercettori de la diferitefirme i universiti, care lucreaz pentru dezvoltarea nsuirilor lor.

    2.2.4. Momente remarcabile din istoria modern a mainilor Stirling1920 Mai multe modele de motoare Stirling sunt vndute de firma Sears Roebuck

    pentru pomparea apei n locuine.1931 J.F.J. Malone construiete un motor Stirling ce funciona cu agent de lucru n

    stare lichid [44], [51].1938 La firma Philips se construiete prima main cu aer cald - producea 16 W la

    1000 ro/min (tipul 1)1939 Apare maina Stirling-Philips tip 3, destinat antrenrii ventilatoarelor.1940 Apare maina Stirling-Philips tip 10, cu piston mpingtor - producea 500 W

    la 1500 rot/min. La presiune mare a agentului (5 bar) producea 1 CP. Dacagentul de lucru era hidrogen, se obineau 10 minute de funcionare nainteca aceasta s scape din cilindri.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    26/125

    - 26 -

    1941 Apare o alt main Stirling-Philips tip 10, de data aceasta frigorific,

    antrenat de un motor electric i obinnd eficace temperaturi de -40 C (darrcirea fiind posibil pn la -100 C).1942 Bombardamentele Forelor Aeriene Regale ale Marii Britanii distrug practic n

    ntregime centrul de cercetri al firmei Philips.1943 Apare maina Stirling-Philips tip 19, cu patru cilindri, cu pistoane cu dubl

    aciune, cu mecanism cu plac nclinat. Obinea 8 CP la 3000 rot/min i10 bar. La jumtate din sarcin, randamentul era de 15%.

    1945 Apare o alt main frigorific Stirling-Philips de tip 10, cu hidrogen,obinnd temperaturi de aproape -200 C.

    1946-1948 Firma Philips semneaz cu Marina Statelor Unite contracte pentrudezvoltarea de generatoare electrice cu motor Stirling.

    1950~ Rolf J. Meijir propune denumirea de motor Stirling pentru a descrie toatemotoarele funcionnd dup cicluri nchise regenerative cu gaz.

    1948-1952 Philips produce generatorul T102C cu o putere de 200 W, fabricn-du-se 150 de buci. A fost utilizat n Olanda n timpul calamitilor cauzatede inundaii n 1953.

    1953 R. J. Meijer inventeaz mecanismul cu biele plasate n romb.1955 Se pun la punct mainile criogenice Philips ce ating ntr-o treapt 77 K, iar n

    dou 12 K. Apare i primul motor echipat cu mecanism romboidal; motorulobinea 30 CP la 1500 rot/min, cu randamentul maxim de 30%.

    1959 Apare motorul Stirling-Philips de 10 CP, construit pentru Diviziunea Allison aGeneral Motors, destinat antrenrii unui generator electric pentru satelii.

    1958-1962 Este construit un motor Stirling-Philips n patru cilindri, producnd 360CP la 1500 rot/min.

    1960 Pentru prima dat este utilizat (la Philips) un program de calculator pentruoptimizarea proiectrii motoarelor Stirling.

    1966 Firma Philips experimenteaz diverse tipuri de surse calde: nclzitor cuizotopi radioiactivi, acumulatoare de cldur Li-F, Na-Li-H, ardereametalelor.

    1967 Este inventat motorul Stirling cu diafragm - numit i generator termomecanic- de ctre cercettorul E.H. Cooke-Yarborough, la Laboratoarele Harwell dinMarea Britanie [54].

    1969 C.D. West inventeaz motorul Stirling cu pistoane lichide.1960 - 1970 Se pun n vnzare noi tipuri de maini criogenice Stirling-Philips.1968-1972 Se dezvolt un motor Stirling-Philips cu 4 cilindri pentru autobuze.1970~ William Beale (de la Universitatea Ohio) inventeazi dezvolt motorul i

    maina frigorific Stirling cu pistoane libere.1970 Criza mondial a petrolului impulsioneaz cercetarea n domeniul mainilor

    Stirling.

    1975 Philips dezvolt primul motor Stirling pentru autoturisme - Ford Torino - cuputerea de 172 kW cu toate instalaiile anexe conectate.1976-1978 Apar generatoarele electrice Stirling-Philips cu pistoane libere.1979 Anul ultimului motor Stirling construit de Philips, pentru pompe de cldur

    pentru nclzirea i rcirea locuinelor (pentru climatizare).1980 C.J. Rallis breveteaz maina Stirling back to back.1981 La Universitatea Tehnic din Danemarca se construiete o main

    Vuilleumier funcionnd ca pomp de cldur.

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    27/125

    - 27 -

    1982 Ministerul Comerului i Industriei din Japonia lanseaz un program pe ase

    ani viznd economia de combustibil i reducerea polurii, n cadrul cruias-au construit i motoare Stirling cu randament ridicat utilizate pentrucondiionarea aerului, pentru echiparea navelor, pentru producereacurentului electric (utiliznd energie solar).

    1984 United Stirling din Suedia produce motorul n patru cilindri 4-95 MK II, cefurniza 25 kW la 1800 rot/min sau 52 kW la 4000 rot/min.

    1984 Ivo Kolin propune un motor Stirling cu plac oscilant i cu micarediscontinu a pistonului mpingtor.

    1987-1989 n Romnia se fac ncercri de a dezvolta un motor Stirling cu dublalimentare, solar i convenional (cu camer de ardere), scop n careInstitutul Naional de Motoare Termice ridic la Sulina o mic staiune decercetare.

    1989-1992 Este construit un motor Stirling pentru alimentarea cu curent a navelor

    cosmice, alimentat cu energie solar (Space Power Demonstrator Engine -NASA).1992 Centrul de Cercetri Lewis (NASA), n urma unui acord cu Departamentul

    Energiei (SUA), dezvolt un proiect performant, viznd un motor Stirlingcapabil s furnizeze 25 kW i s funcioneze 60.000 de ore, pentru aplicaiiterestre, funcionnd cu energie solar - posibil de modificat i pentru aviaie.

    1993 NASA proiecteaz motoare Stirling cu energie solar sau nuclear pentruvehicule spaiale, cu puteri de 2 - 65 W. Tot n SUA se dezvolt programulASE (Automotive Stirling Engine), ce urmrete crearea unui autoturismdotat cu un motor Stirling adaptat pentru circulaia n orai pe autostrzi, cuemisii poluante sczute i cu performane comparabile cu cele ale unuimotor cu aprindere prin scnteie.

    1993- 1996 n Suedia sunt construite dou submarine cu motoare Stirling pentru

    dotarea Armatei Regale Suedeze (de clas A 19 Gottland - navele Upplandi Halland). Submarinele au un deplasament de 1500 t n imersiune imsoar 60 m lungime, cu seciunea transversal 5,2 x 5,6 m, atingnd 11noduri la suprafai 20 de noduri n api fiind apte de adncimi de peste450 m. Echiparea cu motoare Stirling face din aceste dou nave de luptcele mai silenioase submarine din lume: o moned ce se rostogolete pecarcasa motorului Stirling n funcionare poate fi auzit clar!

    1996-2000 La Universitatea Saitama din Japonia se construiesc, sub conducereaprofesorului K. Hirata, peste 100 de modele de motoare Stirling, majoritateafiind proiecte originale ale studenilor.

    2000 La MIT s-a depit numrul de 500 de motoare Stirling construite destudeni.

    Not: Majoritatea informaiilor despre mainile construite de firma Philips

    sunt preluate din [16].

    2.2.5. Contribuii romneti la studiul mainilor Stirlingnainte de a face o trecere n revist a cercetrilor efectuate n Romnia n

    domeniul mainior Stirling, trebuie artat c primele maini Stirling introduse n aranoastr au fost mainile criogenice de tip Stirling-Philips. Mainile au fost importatedin Olanda i din U.R.S.S. ntre anii 1965 - 1970 i au fost folosite pentrulichefierea aerului i separarea azotului lichid folosit n zootehnie pentruconservarea materialului biologic. Dup 1975 astfel de maini au fost fabricate la

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    28/125

    - 28 -

    Cluj-Napoca la Institutul de Cercetri i Proiectri pentru Industria Alimentar i

    Frigorific (I.C.P.I.A.F.) [36]. Funcionarea mainilor criogenice Stirling esteprezentat n monografia Procese n maini i instalaii frigorifice scris deprofesorul universitar doctor inginer Emil Jugureanu [27]. Un calcul al instala iilorfrigorifice Stirling (cu mecanism romboidal) este prezentat n volumul de problemei aplicaii pentru ingineri Instalaii frigorifice i criogenice, scris de profesoriiuniversitari Vsevolod Radcenco, Marieta Grigoriu, T. Duicu i Al. Dobrovicescu.

    n 1984 Institutul Naional de Motoare Termice din Bucureti (I.N.M.T.) ademarat primul program romnesc finanat din bugetul rii (dup informaiilenoastre, i ultimul pn n prezent) pentru construirea unor motoare Stirlingpolicarburante care s antreneze generatoare electrice staionare.

    Programul prevedea proiectarea, execuia i experimentarea unorprototipuri de motoare Stirling capabile s foloseasc combustibili convenionali ineconvenionali. La program au colaborat numeroase instituii i ntreprinderi, ntre

    care Universitatea Politehnica Bucureti (U.P.B.) prin Catedra de Termotehnic,Maini Termice i Frigorifice, I.C.P.I.A.F. Cluj - Napoca i ICEMENERG Bucureti.La programul de construire a motorului Stirling a participat i Filiala I.N.M.T. Iaicare, sub conducerea profesorului universitar doctor inginer Dan Ursescu, aproiectat, a construit - n colaborare C.F.S. (Combinatul de Fibre Sintetice)Svineti - i a experimentat injectoare de combustibil lichid pentru camera deardere. Programul, care a durat patru ani i a dus la construirea, pornirea iexperimentarea primului motor Stirling romnesc, a fost ntrerupt n 1989 i nu afost nc reluat.

    ncepnd cu anul 1977 studenilor de la Secia Maini Termice a Facultiide Mecanic a Institutului Politehnic Iai (azi Universitatea Tehnic GheorgheAsachi) li s-au predat, de ctre ef de lucrri doctor inginer Condrat AdrianHomutescu, elemente privind compunerea i funcionarea motoarelor Stirling-

    Philips i a mecanismului romboidal al acestora [19], [49]. n 1978 revista tiin i Tehnic a publicat un articol privind motorulStirling cu plac nclinat [45]. Tot n anul 1978, ntr-un volum despre energiasolar [32] apare i un motor Stirling, prezentat ca generator solar. Dup cte tim,acestea sunt primele referine romneti la motoarele Stirling.

    La Catedra de Termotehnic, Maini Termice i Frigotehnie de laUniversitatea Politehnica Bucureti i la Academia Naval Mircea cel Btrn dinConstana echipe de cadre didactice i studeni conduse de prof.dr.ing. VictorPimsner (1920 - 2000), prof.dr.ing. Vsevolod Radcenco (1935 - 2003), prof.dr.ing.Gheorghe Gh. Popescu i de prof.dr.ing. Traian Florea au publicat sau comunicatlucrri despre:

    - modele matematice i metode de calcul i de optimizare a ciclurilormainilor Stirling, inclusiv a ciclurilor cu ageni polifazici sau policomponeni [10],

    [34], [36],- metode de calcul pentru studiul ireversibilitii proceselor din mainileStirling [35], [36],

    - metode pentru determinarea performanelor mainilor Stirling cu ajutoruldiagramelor p-V i p-x, (x fiind gradul de pierderi) [14],

    - transferul de cldur n regeneratorul mainilor Stirling [13],- utilizarea motoarelor Stirling solare n spaiul cosmic [5].

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    29/125

    - 29 -

    La Universitatea Politehnica Bucureti au fost susinute i primele teze de

    doctorat n domeniul mainilor Stirling: Contribuii la studiul sistemelor endoregenerative i exoireversibilede tip Stirling pe baza termodinamicii n timp finit, autor Gheorghe Gh. Popescu,n 1993,

    Metod grafo-analitic pentru studiul ireversibilitii proceselorfuncionale ale motoarelor cu ardere extern Stirling, autor Traian Florea.

    La Universitatea Politehnic Gheorghe Asachi din Iai a fost susinut oalt tez de doctorat n domeniul motoarelor Stirling:

    Contribuii la studiul termodinamic al motorului Stirling cu cilindreevariabil, autor Condrat Adrian Homutescu, conductor tiinific profesoruniversitar doctor inginer Emil Jugureanu, n anul 2003.

    Cercetrile romneti n domeniul mainilor Stirling au condus i la apariiaprimelor cri n limba romn dedicate integral motoarelor Stirling:

    Florea T., Petrescu S., Florea E., Scheme de calcul pentru studiulireversibilitii proceselor funcionale ale motoarelor cu ardere extern Stirling,editura LEDA & MUNTENIA, Constana, 2000 i

    Popescu Gh. Gh., Maini Stirling, Editura BREN, Bucureti 2001,138 de pagini [36].

    La Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai, la Catedra deTermotehnic, o echip condus de profesorul universitar doctor inginer GheorgheDumitracu a efectuat studii referitoare la ireversibilitatea motoarelor Stirling i lalimitele operaionale ale acestor motoare [12], iar la Catedra de Maini Termiceeful de lucrri doctor inginer Condrat Adrian Homutescu i colaboratorii si austudiat mecanismele motoare i metodele de calcul ale motoarelor Stirling, aucondus proiecte de diplomi disertaii cu aceste subiecte, au obinut un brevet deinvenie [18] i au publicat cteva lucrri tiinifice [20], [21], [22], [23], [24], [25].

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    30/125

    - 30 -

    3. UTILIZRI POSIBILE ALE MAINILOR STIRLING. PERSPECTIVE

    3.1. Motoare Stirling pentru autovehicule

    De la bun nceput trebuie observat c interesul pentru motoare Stirlingdestinate autovehiculelor ca surs alternativ de energie mecanic a fostdeterminat n mare msur de conjunctura de pe piaa mondial a energiei. Astfel,criza energetic din deceniul al aptelea al secolului trecut a dat un foarte seriosimpuls cercetrilor n domeniul utilizrii energiilor neconvenionale (eolian, solar,geotermic, a valurilor) precum i cercetrilor n domeniul perfecionrii instalaiilor

    energetice clasice. n acest context, att n SUA ct i n Europa, cercetrileteoretice i experimentale pentru crearea de motoare Stirling pentru autovehiculeau avut o dezvoltare rapid, obinndu-se aproape imediat rezultate concrete.

    Motorul Stirling posed numeroase avantaje poteniale, care l recomandpentru autovehicule. Astfel, motorul Stirling are un nivel foarte sczut al zgomotelori al vibraiilor i o toxicitate redus a gazelor de ardere evacuate, chiar i frfolosirea sistemelor catalitice de depoluare, deoarece arderea se face n exteriorulcilindrului. Un alt avantaj important este acela c motorul Stirling poate funciona cuorice fel de combustibil - fiind ntr-adevr un motor policarburant - sau cu alte sursede cldur (n primul rnd cu acumulatoare de cldur). Totodat, motorul Stirlingare un randament ridicat, comparabil cu cel al motoarelor Diesel, sau mai bun.

    n afara celor artate mai sus, motorul Stirling are o curb caracteristiccuplu motor - turaie favorabil folosirii lui pe autovehicule (n special la turaii mici).

    Dintre neajunsurile motoarelor Stirling pentru autovehicule se menioneazgabaritul i masa, amndou mai mari dect cele ale motoarelor cu ardere interncomparabile ca putere, precum i rspunsul mai lent la schimbarea sarcinii ituraiei.

    n munca pentru introducerea motoarelor Stirling pe autovehicule au fostangrenate numeroase firme i centre de cercetri, ntre care Ford, Philips, UnitedStirling A.B., MAN-MWM, NASA etc.

    Cercetrile complexe efectuate de firmele Ford i Philips au dus larealizarea de motoare Stirling cu dubl aciune cu mecanism motor cu placnclinat, de puteri pn la 60 - 70 kW. Motorul (de tip 4-235 DA, Tabelul 2.1.) afuncionat pe autoturisme Ford Spirit, Ford Concorde [39], Ford Torino (model1973, [39]). mpreun cu United Stirling A.B., firma Ford a experimentat motoareStirling pe autoturisme Ford Taunus, n 1976 [39], [53].

    Independent de Ford, General Motors a construit un motor Stirling care afost montat pe un autoturism Opel Kadett, realizndu-se astfel autoturismulStir-Lec. n motorizarea autoturismului motorul Stirling funciona la turaieconstant i antrena un generator electric de curent alternativ trifazat. Curentulelectric era redresat i alimenta o baterie de acumulatoare electrice, dup caretrecea printr-un inversori alimenta un motor electric asincron pentru traciune [53].

    n deceniul al aptelea al secolului trecut firmele Philips i General Motorsau desfurat cercetri pentru exploatarea calitilor nepoluante ale motoarelorStirling pentru autoturisme, prin construirea de motoare cu acumulatoare de

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    31/125

    - 31 -

    cldur [9], [53]. S-au folosit acumulatoare de cldur de nalt temperatur, care

    nmagazineaz energia termic n oxizi de aluminiu (AL2O3) sau n fluorur de litiu(LiF). De la acumulatorul de cldur pn la nclzitorul motorului Stirling clduraera transportat cu ajutorul unor tuburi termice de nalt temperatur cu metaletopite (Na, K). Varianta motorului Stirling cu tuburi termice a fost experimentat peun automobil pentru serviciul de Salvare [51], care avea o autonomie de 75 km. Peautovehiculele cu motor Stirling cu acumulatoare de cldur exista posibilitatearecuperrii energiei cinetice a vehiculului. n timpul frnrii motorul funciona nregim de pomp de cldur, ncrcnd acumulatorul de cldur [52].

    Tuburile termice pot fi folosite i pentru transportul cldurii de la un foc delemne fcut ntr-o vatr de pietre pn la un mic motor Stirling care antreneaz ungenerator electric ntr-o regiune izolat, ceea ce amintete de primele proiecte alefirmei Philips [9].

    Motoarele Stirling echipate cu acumulatoare de cldur sunt potrivite i

    pentru motorizarea vehiculelor destinate transportului subteran, acumulatoarelefiind ncrcate cu cldur n punctele de staie pentru descrcarea minereurilor.Firma Philips a fabricat motorul Stirling 4-235 (Tabelul 2.1.) n mai multe

    variante constructive, cu cilindri verticali n linie sau cu cilindri orizontali n opoziie,variante pe care le-a experimentat pe diverse vehicule, ntre care i autobuzeleDAF S3200 [42].

    Importante realizri n folosirea motoarelor Stirling pe autocamioane i peautobuze au fost obinute n deceniul al optulea al secolului trecut de firma UnitedStirling A.B. [33], [42]. Prima realizare a fost motorul Stirling 4-615 n licenPhilips, avnd mecanism romboidal cu patru cilindri n linie i puterea de 140 kW laturaia maxim de 2400 rot/min [33]. Motorul s-a comportat bine n timpul probelor,dar avea o mas raportat la putere prea mare i era destul de complicat i scumpde fabricat. Un motor pentru autobuze mai performant realizat tot de United Stirling

    A.B. este motorul P150V8, cu mecanism motor biel - manivel i cu cilindriiaezai n V (motorul avea camerele caldi rece amplasate n cilindri diferii, V-ulreferindu-se la aezarea acestora). Cei patru cilindri ai pistoanelor mpingtoare inclzitoarele formau un bra al V-ului iar cilindrii pistoanelor motoare i rcitoarelecellalt bra, ntre brae fiind plasate regeneratoarele de cldur. Motorul dezvolta oputere de 150 kW la 2400 rot/min i putea lucra cu turaii ntre 500 i 2400 rot/min.

    ntre anii 1978 i 1986 firma Mechanical Technology Inc. a desfurat,mpreun cu NASA Research Center din Lewis Field (cu finanare de laDepartment of Energy (DOE) din SUA), un program pentru crearea unor motoareStirling pentru autovehicule. Programul urmrea realizarea unor motoare Stirlingpolicarburante, cu randament mai mare dect al motoarelor cu ardere intern icare trebuiau s ndeplineasc cerinele normelor americane din 1985 referitoare lapoluare fr s fie prevzute cu dispozitive pentru depoluarea gazelor de ardere.

    Au fost realizate i experimentate pe autovehicule dou variante de motoareStirling, numite Mod I i Mod II. Primul motor avea 53 kW i era o perfecionare amotorului P-40 fabricat de firma suedez United Stirling. Motorul Mod I era cucilindrii n linie i avea un mecanism motor cu doi arbori. Motorul Mod II, de 63 kW,coninea numeroase perfecionri, n special n ce privete modularea construciei.Motorul Mod II avea cilindrii n V i avea un singur arbore cotit [11], [41].

    Dup 1980 cercetrile pentru motorizarea vehiculelor cu motoare Stirlingau continuat i n Europa, n special n Suedia i n Germania, dar i n alte ri.O noutate au fost studiile pentru motorizarea vehiculelor grele cu combinaii de

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    32/125

    - 32 -

    motoare Stirling i motoare Diesel.

    Cercetrile efectuate pn n ultimul deceniu al secolului trecut pentrudezvoltarea de motoare Stirling pentru autovehicule, dei au dus la numeroaserezultate privind perfecionarea proiectrii i tehnologiei de fabricaie, nu aundreptit ateptrile. Adevrul este c n timp ce motorul Stirling i caut loculprintre motoarele pentru autovehicule, ncercnd s-i pun n valoare calitile(poluare redus, zgomot i vibraii reduse, policarburan), motoarele cu ardereintern cu aprindere prin scnteie sau prin comprimare s-au dezvoltat vertiginos,aplicnd noutile privind supraalimentarea cu turbosuflante, depoluarea catalitica gazelor de ardere i mai ales injecia de benzini de motorin controlat princalculatoare electronice. Aceste perfecionri ale motoarelor cu ardere intern aupus n umbr motoarele Stirling pentru autovehicule. Totui i dup anul 1990 s-audesfurat i sunt n derulare programe de cercetare n acest domeniu.

    3.2. Motoare Stirling pentru submarine i pentru nave de suprafaNivelul foarte redus al zgomotului i vibraiilor mecanice, ca i randamentul

    efectiv, care ajunge la 40%, recomand motoarele Stirling pentru utilizare lamotorizarea submarinelor. Spre deosebire de submarinele cu motoare Diesel, careproduc mult zgomot n timpul funcionrii, submarinele cu motoare Stirling suntmult mai greu de detectat cu ajutorul sonarului.

    Cercetrile pentru realizarea de instalaii energetice cu motoare Stirlingpentru submarine au nceput nainte de 1960, n acest sens dezvoltnd lucrrifundamentale firme ca General Motors, United Stirling A.B. sau Philips. Una dinproblemele cele mai importante ce trebuiau rezolvate era aceea a sursei decldur pentru motorul Stirling. Au fost studiate i experimentate mai multevariante: producerea cldurii prin arderea hidrocarburilor sau a hidrogenului, cu

    folosirea ca oxidant a oxigenului sau a peroxidului de hidrogen (H2O2); folosireaacumulatoarelor de cldur de nalt temperatur sau producerea cldurii prinoxidarea ntr-un curent de oxigen gazos a unor metale topite, a unor cloruri,fluoruri, sulfuri sau a unor oxizi metalici aflai ntr-o alt stare de oxidare dectstarea maxim.

    Firma United Stirling (n colaborare cu firma Kockums, de asemenea dinSuedia) a fost printre primele care a rezolvat toate problemele ce nsoesc ardereahidrocarburilor pe submarine. O prim soluie constructiv prevedea instalaiipentru condensarea vaporilor de ap din gazele de ardere, pentru pomparea apeirezultate peste bord, pentru comprimarea dioxidului de carbon pn acesta trece nstare lichid i pentru stocarea dioxidului de carbon lichid. O a doua soluieconstructiv a introdus o instalaie pentru dizolvarea gazelor de ardere n apipentru pomparea apei peste bord. Ambele soluii eliminau dra de bule de aer care

    semnaleaz celor de la suprafa prezena submarinului.Primul motor Stirling folosit pe submarine a fost motorul 4-615, ce avea oputere de 150 kW. Motorul ardea motorin i utiliza peroxidul de hidrogen caoxidant. Folosirea ca oxidant a peroxidului de hidrogen n locul oxigenului (deipentru ardere sunt necesare cantiti de dou ori mai mari de peroxid fa de cazuloxigenului) se explic prin aceea c n timp ce oxigenul lichid trebuie depozitat latemperaturi sczute, peroxidul de hidrogen poate fi depozitat la temperaturamediului, deci i n rezervoare scoase n exteriorul submarinului. Instalaiileenergetice pentru submarine ale firmei United Stirling mai conineau un generator

  • 8/6/2019 eBook Introduce Re in Masini Stirling - Homutescu - Introduction in Stirling Machines (in Romanian)

    33/125

    - 33 -

    electric (antrenat de motorul Stirling) i un electromotor care antrena elicea.

    Ultimele realizri (din 1993) ale firmei suedeze se refer la motorizareasubmarinelor din clasa A19. Submarinele din aceast clas (Gotland - aflat nexploatare, Uppland i Halland - n construcie) au o lungime de 60 de metri i omas de 1240 tone la suprafa, de 1500 tone imersate i ajung la o vitezmaxim de 11 noduri la suprafai 20 de noduri sub ap. Adncimea maxim descufundare probabil (informaia fiind secret militar) este de 400 - 450 m. Puternicnarmate cu torpile i mine, aceste submarine sunt dorite i de Australia (care acomandat cteva exemplare) i Taiwan. Din pcate nu sunt publice informaiidespre motorul Stirling utilizat. Se cunoate doar c motorul arde combustibili fosilisau alcooli. Pentru ardere se folosete oxigen stocat n rezervoare, care esteamestecat cu gaze de ardere recirculate pentru a se obine procentul de oxigennecesar arderii. Gazele de ardere care nu sunt recirculate sunt dizolvate n apievacuate peste bord.

    Cercetri pentru folosirea pe submarine a motoarelor Stirling cuacumulatoare de cldur au fost realizate de General Motors, principala problemcare se punea fiind realizarea unor acumulatoare de cldur de mare capacitate(pn la 1000 kWh).

    Trebuie observat deschiderea larg a preocuprilor firmei GeneralMotors, care a cercetat n paralel utilizarea motoarelor Stirling cu acumulatoare decldur att pentru submarine ct i pentru automobile. n 1967 General Motors aconstruit o instalaie energetic de acest tip de 22 kW [53].

    Este interesant de observat c firma General Motors a lucrat i la instalaiienergetice cu acumulatoare de cldur pentru submarine, instalaii n care clduranmagazinat era utilizat pentru realizarea unor cicluri Rankine.

    Folosirea cldurii obinute prin arderea (oxidarea) unor metale saucompui metalici este considerat o metod de perspectiv. Avantajul ei const n

    degajarea unei cantiti foarte mari de cldur n urma reaciei de oxidare isimultan n aceea c oxizii formai rmn n stare topiti ocup un spaiu foartemic (practic egal cu cel iniial), n timp ce prin arderea hidrocarburilor rezultvolume mari de gaze. O instalaie de acest tip, cu putere sub 1 kW, despre careexist informaii n literatura de specialitate [31], era compus dintr-un reactor ncare se producea oxidarea metalului i din motorul Stirling. Tuburile nclzitoruluierau plasate direct n reactori preluau cldur numai