Blijkbaar staat in uw browser javascript uitgeschakeld of uw browser beschikt niet over de nieuwste Flash player.
U kunt deze player downloaden op het volgende adres.
De werking van de Vrije Zuiger Stirlingmotor
De Vrije Zuiger Stirlingmotor (Engels: Free Piston Stirling Engine - FPSE) is een recente vinding, die het aloude Stirling principe combineert met een moderne lineaire generator, zoals weergegeven in figuur 1. Het resultaat is een machine die elektriciteit maakt uit (verbrandings-)warmte.
De machine is een externe verbrandingsmotor en onderscheidt zich daarmee van diesel- en benzinemotoren waarbij de verbranding in de motor zelf plaatsvindt. Het grote voordeel van externe verbranding is de buitengewoon goede controle over het verbrandingsproces, waardoor schadelijke emissies tot een minimum beperkt blijven. In micro-WK systemen wordt voor de externe verbranding een speciaal voor de Stirlingmotor ontworpen gasbrander toegepast.
.jpg)
Figuur 1.
Zoals weergegeven in figuur 1 bestaat de Vrije Zuiger Stirlingmotor uit de eigenlijke Stirlingmotor en een Lineaire Generator. De Stirlingmotor kent twee bewegende onderdelen: de zuiger en de verdringer. Het opgewekte vermogen komt vrij op de zuiger, die vervolgens het anker van de Lineaire Generator aandrijft. Via het anker wordt de mechanische energie tenslotte omgezet in elektriciteit.
Alle bewegende delen maken in een Vrije Zuiger Stirlingmotor een cyclische lineaire (d.w.z. heen- en weer gaande) beweging in axiale richting. Axiaal slappe, maar radiaal zeer stijve veren zorgen ervoor, dat bewegende delen zoals de zuiger en de verdringer de omliggende stationaire delen niet raken. Hierdoor is er geen slijtage en is de Vrije Zuiger Stirlingmotor praktisch gezien onderhoudsvrij.
De Stirlingmotor zelf bestaat uit een warme en een koude zone. De warme zone, in rood, wordt verwarmd door een gasbrander. De koude zone, in blauw, wordt gekoeld met water. Het werkgas (Helium) wordt door de verdringer tussen de warme en koude zone heen en weer geschoven, waarbij het gas op de grens van beide zones een regenerator passeert. De regenerator functioneert als een warmtebuffer, die het koude gas opwarmt als het naar de hete zone stroomt en afkoelt als het weer terug naar de koude zone gaat. De thermodynamica van de Stirlingcyclus wordt in Figuur 2 weergegeven en besproken.
.jpg)
Figuur 2. De theoretische Stirling cyclus in een motor (met een zuiger en verdringer) als die niet continu maar in vier stappen verloopt. Het ei-vormige lichaam binnenin het theoretische indicatordiagram laat het indicatordiagram zien van een echte Stirlingmotor als die wel verloopt met een continue sinusbeweging.
| 1»2 | De zuiger gaat naar boven en het gas wordt gecomprimeerd. De warmte die bij de compressie vrijkomt, wordt afgevoerd naar het koelwater. De compressie kost weinig energie, doordat het gas relatief koud en het drukniveau relatief laag is. |
| 2»3 | De verdringer verplaatst het meeste gas van de koude naar de warme ruimte. Het gas passeert de regenerator en wordt daar opgewarmd. De druk neemt hierdoor verder toe. |
| 3»4 | De zuiger gaat naar beneden en het gas expandeert. Tijdens de expansie neemt het gas nog verbrandingswarmte op, waardoor de daling van de druk wordt vertraagd. De expansie levert veel energie op, doordat het gas relatief heet en het drukniveau relatief hoog is. |
| 4»1 | De verdringer verplaatst het meeste gas van de warme naar de koude ruimte. Het gas passeert de regenerator en wordt daar afgekoeld. De druk neemt hierdoor verder af en de cyclus wordt gesloten. |
Behalve de thermodynamica van de Stirlingcyclus is ook de dynamica van de bewegende delen van belang. De verdringer en de zuiger-anker combinatie vormen samen met de mechanische veren en de gasveer (uit de druk van het werkgas) twee gekoppelde massaveersystemen. Deze massaveersystemen worden door precieze bepaling van de bewegende massa's en de veerkracht zo afgestemd, dat de Stirlingmachine beweegt met een frequentie die past bij de elektrische netfrequentie van 50 Hz.
Hieronder een mooi voorbeeld van een bewegende Vrije Zuiger Stirlingmotor.
