Zuigermotoren 3: de Stirlingmotor

Constructie

Het – qua constructie – simpelste denkbare ontwerp voor een Stirlingmotor bestaat uit een cilinder, die afgesloten wordt door een zuiger, die heen en weer kan bewegen. In de cilinder bevindt zich een bepaalde hoeveelheid gas, die in principe altijd gelijkt blijft, aangezien de zuiger de cilinder volledig afsluit. Wanneer de cilinder nu verwarmd wordt, zet het gas uit, waardoor de zuiger naar buiten gedrukt wordt. Wordt de cilinder weer afgekoeld, dan krimpt het gas samen waardoor de zuiger weer terugbeweegt. Wanneer dit afwisselend gebeurt, kan de zuiger een wiel aandrijven en zo voor een draaiende beweging zorgen.

Het probleem zit hem in het feit dat er tijdens de cyclus steeds weer gewisseld moet worden tussen verwarming en afkoeling. Het gas moet de ene helft van de cyclus in contact komen met een warmtebron (bijvoorbeeld een vlam, of een voorraad warm water, of zelfs maar de warmte van een hand...) en de andere helft met warmteafvoer (zoals een paar koelvinnen of koud water). Hiervoor moet er een en ander toegevoegd worden aan het basisontwerp met de ene cilinder. Hieronder bespreken we de twee meestgebruikte oplossingen voor dit probleem.

Oplossing 1: de verplaatser

In onderstaand filmpje is duidelijk te zien wat deze oplossing inhoudt: in de cilinder bevindt zich een zogenaamde ‘verplaatser’, die door het wiel aangedreven wordt, maar dan een kwart cyclus voorlopend op de zuiger. Deze verplaatser is simpelweg een groot blok, waar het gas nog net langs kan bewegen. Als deze verplaatser naar de ene kant van de cilinder beweegt, wordt het gas vanzelf langs de wanden naar de andere kant gedrukt. De ene kant van de cilinder moet nu de ‘warme kant’ zijn, en de andere de ‘koude kant’. Hier tussenin is het wel zo zinvol om de cilinder van een isolerend materiaal te maken, zodat de warmte wel doorgegeven kan worden aan het gas, maar niet aan de koude kant.

Oplossing 2: een tweede cilinder

In het geval van een 2-cilinder-Stirlingmotor wordt er geen gebruik gemaakt van één cilinder met een warme en koude kant, maar van twee verschillende cilinders, waarvan de ene warm en de andere koud is. Dat voorkomt het probleem van de isolatie. De twee cilinders zijn met elkaar verbonden, zodat het gas heen en weer kan bewegen. De twee cilinders zijn loodrecht op elkaar verplaatst, zodat nu de ene zuiger een kwart cyclus voorloopt op de andere. Dit is te zien in onderstaand filmpje.

(Ideale) Stirlingcyclus

De werkingscyclus van een Stirlingmotor staat bekend onder de naam Stirlingcyclus. Deze cyclus bestaat uit vier stappen en ziet er in de meest ideale vorm als volgt uit (zie figuur 1 voor het bijbehorende druk-volume-diagram):

• 1. Isochore warmtetoevoer: terwijl het volume van het gas constant blijft, wordt er warmte toegevoerd. Hier vindt dus een overgang plaats tussen twee isothermen.
• 2. Isotherme expansie: terwijl de temperatuur op een constante waarde blijft, neemt het volume toe. In het druk-volume-diagram is dit een beweging naar rechts langs de isotherm.
• 3. Isochore warmteafvoer: vervolgens wordt het gas weer afgekoeld, waardoor er opnieuw een overgang tussen de twee isothermen plaatsvindt.
• 4. Isotherme compressie: de temperatuur blijft weer op een constante waarde, terwijl het volume daalt. Zo is de cyclus gesloten.

In de praktijk is het natuurlijk nooit mogelijk om een 100% ideale Stirlingcyclus te halen, al is het maar door het mechanische ontwerp: wanneer de motor draait, en de zuiger dus heen en weer beweegt, blijft het volume nooit voor langere tijd constant. Dit leidt er toe dat de 'hoeken' in het (p,V)-diagram 'afgerond' worden, zodat de daadwerkelijke cyclus er meer ovaal uitziet. Dit is te zien in figuur 2: deze toont een computersimulatie van een bewegende (eencilinder-)Stirlingmotor, terwijl de positie in het (p,V)-diagram mee verandert. Deze positie is eveneens het resultaat van de computersimulatie.

Stirlingmotor in de praktijk

Terwijl het idee van de Stirlingmotor al twee eeuwen oud is, is de Stirlingmotor nooit een echt succes geworden. De Stirlingmotor werd aanvankelijk gezien als een verbetering op de op dat moment veelal gebruikte stoommachines: de Stirlingmotor was veel zuiniger en stiller dan stoommachines, en vooral ook een stuk veiliger. Dat laatste komt omdat de stoomdruk in een stoommachine veel hoger is dan de benodigde gasdruk in een Stirlingmotor, en de kans op ontploffingen dus aanzienlijk kleiner is. Het grote probleem van de Stirlingmotor is dat er, voornamelijk door deze lage druk, ook niet echt veel kracht mee uitgeoefend kan worden. En een motor die wel zuinig is, maar ook te zwak, is natuurlijk niet bruikbaar. Bovendien werden stoommachines in de loop van de tijd steeds veiliger, wat voornamelijk te danken valt aan de uitvinding van staal, waar duidelijk stevigere stoomketels van gemaakt konden worden.

Het Nederlandse bedrijf Philips heeft zelfs in de jaren '70 van de twintigste eeuw een prototype gebouwd voor en bus die door een Stirlingmotor werd aangedreven... zonder veel succes. De motor was niet sterk genoeg en bleek ook niet geschikt voor verschillende snelheden. Het ontwerp werd verbeterd, en later zelfs door de NASA gebruikt, maar verbrandingsmotoren zoals de viertaktmotor werden ook zuiniger en krachtiger en winnen het dus nog steeds van de Stirlingmotor.

Stirlingkoeler

Als motor mag het principe dan niet erg succesvol zijn, maar de hele ontwikkeling heeft wel degelijk iets opgeleverd. Het principe van de Stirlingmotor kan namelijk ook andersom gebruikt worden. In plaats van een beweging te halen uit een temperatuurverschil, kan er een temperatuurverschil gecreëerd worden uit een beweging: wanneer het wiel van een Stirlingmotor in beweging gebracht wordt, en de zuigers gaan bewegen, wordt het volume van het gas om en om vergroot en verkleind. Bij die volumevergroting koelt het gas vanzelf af, en bij samenpersen warmt het gas op (zie ook dit artikel over de ideale gaswet), zodat de ene kant van de cilinder afgekoeld wordt en de andere kant opgewarmd. Dit is een zeer goed bruikbare techniek om lage temperaturen te bereiken.