Termodinamik Çevrimler

Termodinamik çevrimler
Carnot çevrimi
· Rankine çevrimi
· Brayton / Joule çevrimi
· Sabit basınç çevrimi / Diesel çevrimi
· Ericsson çevrimi
· Miller çevrimi
· Kalina çevrimi
· Sabit hacim çevrimi / Otto çevrimi
· Stirling çevrimi
· Karma çevrim

Carnot çevrimi
Carnot çevrimi, Sadi Carnot tarafından 1820’lerde ortaya konmuş özel bir termodinamik çevrimdir ve Emile Clapeyron tarafından 1830 ve 1840’lı yıllarda geliştirilmiştir

Her termodinamik sistem özel bir durum içinde varolmuştur Sistem, farklı durumları sırası ile takip ediyor ve en sonunda önceki haline geri dönüyorsa termodinamik bir çevrim oluşur Bu çevrim boyunca işlem içinde, sistem çevresine iş yapabilir, bu yolla bir ısı makinesi olarak rol oynayabilir

Bir ısı makinesi enerjinin sıcak bölgeden, soğuk bölgeye aktarılmasını sağlar, bu işlem içinde enerjinin bir kısmı mekanik işe dönüşür Çevrim tersinirdir (yani tersine de gerçekleşebilir) Sistem bir dış kuvvet ile çalışabilir ve işlem içinde soğuk sistemden, sıcak sisteme ısı aktarılabilir, bu şekilde bir ısı makinesinden çok bir soğutucu olarak çalışır

Carnot çevrimi, termodinamik çevrimin özel bir tipidir Özeldir çünkü, verilen ısı enerjisinin işe çevrilme miktarı ya da tersi için (verilen işin soğutma amaçları için kullanımı) mümkün olan en verimli çevrimdir

Carnot çevrimi ısı makinesi olarak şu adımları takip eder :



Bir ısı makinesi olarak çalışan bir Carnot çevrimi, sıcaklık – entropi diyagramı üzerinde gösterilmiştir Çevrim TH ve TC sıcaklıkları arasında yer alır Dikey eksen sıcaklık, yatay eksen entropidir

TH sıcaklığındaki ’’sıcak’’ gazın tersinir izotermal genişlemesi (İzotermal ısı ilavesi):Bu adım esnasında, genişleyen (hacmi artan) gaz pistonun iş yapmasına neden olur Gaz genişlemesi, yüksek sıcaklıktan ısının emilmesi ile ilerler (A-B arası)
Gazın tersinir adyabatik genişlemesi:Bu adımda piston ve silindirin ısıl olarak yalıtılmış olduğu kabul edilir, bu nedenle ısı kaybı yoktur Gaz genişlemeye ve iş yapmaya devam eder Gaz genişleme nedeni ile TC sıcaklığına soğur (B-C arası)
TC sıcaklığındaki ’’soğuk’’ gazın tersinir izotermal sıkıştırılması (İzotermal ısı atılması):Bu anda çevresine iş vermiş durumdaki gaz, düşük sıcaklığa doğru ısı çıkışına neden olur (C-D arası)
Gazın tersinir adyabatik olarak sıkıştırılması:Yine piston ve silindir ısıl olarak yalıtılmış kabul edilir Bu adımda yapılan iş gaz üzerinde sıkıştırılmaya ve sıcaklığının TH sıcaklığına yükselmesine sebep olur Bu noktada gaz ilk basamaktaki başlangıç haline dönmüştür (D-A arası)

Carnot çevriminin mümkün olan en verimli çevrim olmasının sebebi, tamamen tersinir adımlardan oluşmasıdır Adımların hiçbirinde, aralarında sıcaklık farkı bulunan iki sistem arasında ısı alış-verişi gerçekleşmez Dolayısıyla, her adımdaki ve toplamdaki entropi değişimi sıfırdır

Rankine çevrimi



Rankine çevrimi şeması

Rankine çevrimi, termodinamik bir çevrimdir Diğer termodinamik çevrimler gibi, Rankine çevriminin maksimum verimi de, Carnot çevriminin maksimum verimli hesaplanması ile elde edilir Rankine çevrimi adını William John Macquorn Rankine’den alır

Rankine çevrimi buhar kullanılan enerji santralleri için ideal çevrimdir Bu çevrimde yapılan suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve tekrar kondenserde doymuş sıvı haline getirilmesi Carnot çevriminde uygulamada karşılaşılan pek çok zorluğu da ortadan kaldırır

Rankine çevriminin adımları dört aşama ile gösterilir, her adımda çalışma akışkanının hal değişimleri ifade edilir

Burada çevrimin ideal şartlarda olduğu varsayılır Ama gerçek şartlarda çevrimin pompa ile sıkıştırma ve türbinde genişleme aşamaları izentropik değildir Bu aşamalarda izentropide artış meydana gelir Bundan dolayı gerçekte pompa için gereken güç ihtiyacı artar ve türbinden elde edilen iş azalır



Rankine çevrimi T-S diyagramı

4-1 Önce çalışma akışkanı, düşük basıçtan, yüksek basınca pompalanır (İdeal şartlarda izentropik olarak ) Pompalama için güç girişine ihtiyaç vardır (Örneğin mekanik veya elektirik gücü)

1-2 Yüksek basınçlı sıvı bir ısıtıcıya girer, bir dış ısı kaynağı ile sabit basınçta kızdırılmış buhar halini alana dek ısıtılırGenelde ısı kaynağı olarak , kömür, doğal gaz veya nükleer güç kullanılır

2-3 Kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve güç çıkışı oluştururİdeal şartlarda, bu genişleme izentropiktir Bu olay buharın basınç ve sıcaklık kaybetmesine sebep olur

3-4 Buhar daha sonra kondensere girer, doymuş sıvı halini alana kadar soğutulur Bu sıvı daha sonra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder

Brayton / Joule çevrimi

Brayton çevrimi, genel olarak gaz türbinlerinde kullanılan, periyodik bir prosesdir Günümüzde geçerli olan gaz akışkanlı güç çevrimleri içinde önemli bir yer tutar Diğer içten yanmalı güç çevrimleri gibi açık bir sistem olmasına rağmen; termodinamik analiz için egzoz gazlarının ikinci bir ısı değiştirgecinden geçtikten sonra içeri alınıp tekrar kullanıldığı farzedilir ve kapalı bir sistem gibi analize uygun hale gelir İsmini, mucidi olan George Brayton’dan almıştır Aynı zamanda Joule çevrimi olarak da bilinir

Gelişimi

Brayton çevrimi ilk olarak, Amerikalı makine mühendisi George Brayton'un 1872 yılında patentini aldığı iki zamanlı kerosen yakan pistonlu motorunda kullanılmak üzere ortaya çıktı

Çalışma Modeli :

Bir Brayton tip makine şu üç elemanı içerir:

Gaz kompresörü
Karışım odacığı
Genleştirici

19 yüzyıldaki orijinal Brayton makinesinde çevre havası, kompresör pistonuna girer, burada basınçlandırılır (Teorik olarak izentropik bir işlemdir) Sıkıştırılmış hava daha sonra karışım odacığı boyunca ilerler, yakıt ilave olur (Bu da sabit basıçta olan bir prosesdir) Isıtılmış, basınçlandırılmış hava ve yakıt karışımı daha sonra genişleme silindiri içinde alev alır ve enerjisini verir, piston/silindir boyunca genişler (Teorik olarak yine izentropik bir prosestir) Piston/silindir ile elde edilen işin bir bölümü kompresöre güç sağlamak için bir mil düzeneği aracılığı ile kullanılır



Brayton çevrimi günümüzde en çok gaz türbinli makinelerde kullanılır Burada da yine üç eleman vardır:

Gaz kompresörü
Brülör (Yakıcı) veya yanma odası
Genleşme türbini

Burada da çevre havası kompresöre girer ve basınçlandırılır (Teorik olarak izentropik prosestir) Basıçlı hava yanma odasına girer, yakıtın yanması ile hava ısıtılır (Sabit basınçta gerçekleşen proses) Hava açık olan yanma odası boyunca akış yapar (Girer ve çıkar) Basınçlı ve ısıtılmış hava, enerji vererek, türbin veya türbinler boyunca genişler ve iş elde edilir(İzentropik proses) Türbinden elde edilen işin bir kısmı ile kompresöre güç verilir

Ne sıkıştırma, ne de genişleme gerçekte izentropik olamaz, kompresör ve genleştirici boyunca kayıplar, verim kaybını kaçınılmaz kılar Genelde, sıkıştırma oranındaki artış, bir Brayton sisteminin tüm çıkış gücünü arttırmak için en çok kullanılan yoldur

Sabit basınç çevrimi / Diesel çevrimi



Tek silindirli sabit dizel motoru, 1906 yapımı

Diesel Motoru, içten yanmalı bir motor tipidir Türkiye'de Dizel motor olarakta anılmaktadır Daha özel bir tanımla, diesel motor oksijen içeren bir gazın (genellikle bu atmosferik havadır) sıkıştırılarak yüksek basınç ve sıcaklığa ulaşması ve silindir içine püskürtülen yakıtın bu sayede alev alması ve patlaması prensibi ile çalışan bir motordur Bu yüzden benzinli motorlardan farklı olarak ateşleme için bujiye ve yakıt oksijen karışımını oluşturmak için karbüratöre ihtiyaç yoktur

1892'de Alman Mühendis Rudolf Diesel tarafından bulunmuş ve daha sonra 23 Şubat 1893'te patenti alınmış bu süreç diesel çevrimi olarak bilinir Motorun mucidi, geniş kömür yataklarına sahip olan Almanya'nın petrole bağımlılığını azaltmak için kömürle çalışan bir motor yapmayı hedeflemiştir Ancak kömür tozunun yanmasından dolayı ortaya çıkan kül büyük sorunlar doğurmuş, daha sonraları ise motorda farklı yakıtların kullanılması tasarlanmıştır Nitekim Rudolf Diesel, motorun sunumunu 1900’deki Dünya Fuarı'nda, yakıt olarak yer fıstığı yağı (Biodizel) kullanarak yapmıştır

Çalışma prensipleri

Gaz sıkıştırıldığında, sıcaklığı yükselir, diesel motorunda, yakıtın bu özelliğinden dolayı yakıt,kendiliğinden ateşlenir Hava, dizel motorunun silindiri içine çekilir ve bir piston tarafından, kıvılcım ateşlemeli (benzinli) motorlardakinden çok daha yüksek (25 katı bulabilir) bir oranda sıkıştırılır Hava sıcaklığı 500-700 °C'a ulaşır Piston hareketinin en tepe noktasında, dizel yakıt yüksek basınçla atomizer memeden geçerek yanma odasının içine püskürtülür, burada sıcak ve yüksek basınçlı hava ile karışır Bu karışım hızla tutuşur ve yanar Hızlı sıcaklık artışı ile yanma odası içindeki gaz genleşir, artan basınç, pistonu aşağı doğru hareket ettirir Biyel (piston) kolu vasıtasıyla oluşan bu itme krank miline iletilip,krank milinden de dönme momenti elde edilir

Motorun süpürmesinde, egzoz gazını silindirin dışına atma ve taze hava çekme işlemi, kapakçıklar (valf) veya giriş ve çıkış kanalları aracılığıyla yapılır Diesel motorun kapasitesinin tam olarak kullanılabimesi için içeriye alınan havayı sıkıştırabilecek turboşarjer kullanılması gerekir; turboşarjer ile havanın sıkıştırılmasından sonra bir artsoğutucu/arasoğutucu ile içeri alınan havanın soğutulması ayrıca verimi arttırılır

Çok soğuk havalarda, dizel yakıt koyulaşır, viskozitesi artar, balmumu kristalleri oluşur veya jel haline dönüşür Yakıt enjektörü, yakıtı silindirin içine etkili bir şekilde itemez ve bu yüzden soğuk havalarda motorun çalıştırılmasını zorlaştırabilir Dizel teknolojisinde bu zorluğu yenmek için çeşitli önlemler geliştirilmiştir Sıkça kullanılan bir uygulama, yakıt hattı ve yakıt filtresini elektrikle ısıtmaktır Bazı motorlarda silindir içinde bulunan kızdırma bujileri denen küçük elektrikli ısıtıcılar, çalıştırmak için silindirleri önceden ısıtırlar Az sayıda motorda kullanılan başka bir teknolojide ise, manifold içindeki rezistans telli ısıtıcılar, motor çalışma sıcaklığına gelinceye dek giriş havasını ısıtır Soğuk havalarda, motor uzun süreli (1 saatten daha fazla) kapatıldığında kullanılan ve şehir cereyanı ile çalışan motor blok ısıtıcıları, aşınma ve çalıştırma zamanını azaltmak için sıklıkla kullanılır

Eski dizel motor sisteminin en önemli parçası hız kontrol ünitesidir; bu ünite yakıtın gelme hızını kontrol ederek motorun hızını sınırlar Benzin motorlarından farklı olarak dizel motorlarında hava emme sübabı yoktur(burada kastedilen benzinli motorlardaki karbüratörün içindeki kapış diyaframı ve hava emiş kelebeğidir), bu yüzden hız kontrol ünitesi olmazsa motor fazla hızlanır Eski tip hız kontrol üniteleri motordan bir vites sistemi ile yönlendirilir ve böylece sadece motor hızıyla doğru ilişkili olarak yakıt sağlanırdı

Modern elektronik kontrollü dizel motorları benzin motorlarındakine benzer bir kontrol mekanizmasını (ECM) Elektronik Kontrol Modülü veya Elektronik Kontrol Ünitesi (ECU) yoluyla uygularlar Motor "bilgisayarı" ECM/ECU içinde motorun çalışmasıyla ilgili algoritmalar ve kalibrasyon tabloları kaydedilmiştir ECM/ECU bir sensörden motor hızına dair sinyal alınca gereken bilgi işlemlerini yapar, elektronik ve hidrolik valfler aracılığıyla yakıt miktarını ve yanma zamanlamasını kontrol ederek motor hızını sabit tutar

Yakıtın pistonların içine enjeksiyonunun başlama zamanının kontrolu, emisyonların azaltılması ve motor veriminin (yakıt ekonomisi) artırılması için en önemli unsurdur Silindir içine yakıt enjeksiyonu başlama zamanlaması, günümüz modern motorlarında elektronik olarak kontrol edilmektedir Zamanlama, genellikle üst ölü noktanın (TDC/Top Dead Center) önündeki pistonun krank ünitesi açısı ile ölçülür Örneğin, piston üst ölü noktadan 10 derece önde olduğu zaman eğer ECM/ECU yakıt enjeksiyonuna başlarsa, enjeksiyon başlama veya zamanlama 10 derece öndedir denir Optimal zamanlama, motorun hızı ve yükü kadar tasarımına da bağlıdır

Enjeksiyon tipleri

Dizel motorlarda yakıt enjeksiyonu, endirekt ve direkt olarak iki tiptir Endirekt enjeksiyonda yakıt, dizel motorda yanma odası dışında, ön oda olarak adlandırılan yere verilir Yanma başladığında yanma odasının içine yayılır Bu tipte motordaki aşırı gürültü ve titreşim düşürülür, fakat ısı kaybı artar ve motor verimi düşük olur Direkt enjeksiyon ise modern dizel motorlarda kullanılır Burada motordaki yanma odasına yakıt doğrudan püskürtülür

Emisyon Kontrolü

Dizel motorlarının en büyük sorunlarından biri, yanma veriminin düşük olmasıdır Bir başka deyişle; yanma odasına giren yakıt homojenize bir şekilde yanmaz Bunun sonucunda ortama çok fazla sera etkisi yapacak gazlar verilir Bunun kontrolü son yıllarda Dizel motoru üreticilerinin en büyük sorunlarından birisi haline gelmiştir Avrupa Birliğinin almış olduğu karara göre Kasım 2008'de Euro V standartları Avrupa'da devreye girmiştir

Emisyon değerlerini düşürmek için ise araştırmalar hala devam etmekte NADI konsepti diye tabir edilen bir uygulama ile emisyon değerleri düşürülürken performans artışı da kayda değer bir şekilde artmaktadır Bu uygulama ile enjeksiyon açıları düşürülerek küresel ısınmaya etkisi olacak gazların oluşumu bir nebze olsun azaltılmaktadır

Türkiye'deki üretim

Türkiye'nin ilk %100 Türk Malı Dizel Motorunu, 1967 senesinde Yüksek Mühendis Abdülkadir Özgür seri olarak üretmiştir İlk olarak 1 silindirli Su Soğutmalı Direkt Enjeksiyonlu olarak üretilen bu motorlar, Motosan AŞ firması adı altında ( ) sulama motopompları, elektrik jeneratörleri, dizel deniz motorları, bahçe traktörleri, uygulamalarında 42 yılı aşkın süredir Avrupa, Asya ve Afrika kıtalarında hizmet vermektedir Motosan firması 1,2 ve 3 silindirli dizel su soğutmalı OHC ( Over Head Camshaft - Üstten Kam Milli ), Turbo Şarjlı ( Aşırı Doldurmalı ) Euro III emisyonlu Silindir Başına 4 Subaplı 120 HP gücüne kadar motorlar üretmektedir
Ayrıca Yabancı Lisans Anlaşmaları ile Oyak Renault dCi adı ile, Tofaş Fiat multijet adı ile, Karsan-Peugeot, Otokar, BMC (Türkiye), Otosan Ford, Mercedes-Benz Türk, Hyundai Assan, Temsa Mitsubishi, Anadolu Isuzu, Toyota Türkiye olmak üzere Türkiye'de Dizel motorları yabancıların kontrolünde üretmektedirler

Ericsson çevrimi

Ericsson çevrimi, ismini John Ericsson’dan almış termodinamik bir çevrimdir Gerçekte 2 çevrim bulmuş ve ısı makineleri üzerinde uygulamalarını göstermiştir İlk çevrim Brayton çevrimi olarak bildiğimiz çevrimle hemen hemen aynıdır İkinci çevrim Carnot çevrimine eşit verim ortaya koyar Her ikisi de sık sık dıştan yanma kabiliyetleri açısından Stirling motoru ile karşılaştırılır ve ikinci çevrim aynı verimliliktedir

İlk çevrimine 1833 yılında patent almıştır Bu Joule’den 18 yıl, Brayton’dan 43 yıl öncedir Joule, bu çevrime fazla bir katkıda bulunmamış, asıl katkı Brayton tarafından yapılmıştır Brayton, ilk Ericsson çevriminin açık formuna içten yanma eklemiş ve kesin bir gelişme kaydetmiştir Brayton piston ve silindirler ile gelişmeyi tamamlamıştır Kompresör ve genişletici türbin kullanılan Brayton çevrimi şu anda gaz türbinleri için ideal çevrim olarak bilinir Gaz türbin çevrimi, gaz türbinleri ve turbojet motorlarında kullanılır Ericsson’un ikinci çevrimi 1853’te bulunmuş ve 2000 ton’luk bir gemide kullanılmıştır İkinci çevrim Brayton’dan iki üstünlüğe sahiptir İzotermal sıkıştırma ve genişleme, adyabatikden daha fazla net iş üretir ve ısının geri kazanım ile ısı girdisini azaltmıştır

Çevrim prosesleri arasındaki karşılaştırma şu şekildedir

Çevrim/Proses Sıkıştırma Isı İlavesi Genişleme Isı Atılması
Ericsson (İlk, 1833) adyabatik izobarik adyabatik izobarik
Ericsson (İkinci, 1853) izotermal izobarik izotermal izobarik
Brayton (Türbin) adyabatik izobarik adyabatik izobarik

Miller çevrimi
4 zamanlı içten yanmalı motorlarda kullanılan bir yanma prosesidir Miller çevriminin patenti 1940’lı yıllarda Amerikalı mühendis Ralph Miller tarafından alınmıştır Bu motor tipi ilk kez gemilerde ve güç üretim istasyonlarında kullanılmış fakat daha sonra Mazda firması tarafından otomotive adapte edilmiş, Subaru tarafından hibrid modellerde kullanılmıştır

Geleneksel 4 zamanlı Otto çevriminde, sıkıştırma (kompresyon) ve güç (yanma) stroklarında, yüksek güç ihtiyacı vardır Motordaki güç kaybının çoğu, kompresyon stroku esnasındaki sıkıştırma görevi için ihtiyaç duyulan enerji nedeniyle olur O yüzden sistem verimliliğini arttırabilmek için bu ihtiyacı indirgemek gerekir Miller çevriminde, giriş valfi, normalden daha uzun açık kalır Piston normalde kompresyon strokunda yukarı doğru hareket eder, bu işlem ile sıkıştırma başlar normalde valf kapanır Tipik olarak bu işlem için güç kaybı olacaktır, fakat Miller çevriminde piston kompresörden (supercharger veya blower olarak da bilinir) hava ile beslenmiş olarak sıkıştırma yapar Giriş valfi daha uzun süre açık kaldığından, sıkıştırma strokunun bir kısmında, sıkıştırma işi silindir duvarlarının basıncından çok kompresör basıncına karşı yapılır Bu etki verimi % 15 civarı arttırır

Genel olarak Miller çevrimi, düşük kompresyon oranı ile kompresyon strokunu kısaltır, kompresör ile sıkıştırılımış ve arasoğutucu (intercooler) ile soğutulumuş hava sayesinde yanmayı iyileştirirBu yöntem, bazı modern Atkinson çevrimli motorlarda da kullanılır, fakat kompresör yoktur Bu motorlar genelde hibrid motorlardır, verimi arttırmak için güç kaybını karşılama işi bir elektrik motoru ile yapılır

Kalina çevrimi

Kalina çevrimi, ısı enerjisini mekanik güce çevirmek için en az iki farklı komponentden oluşmuş çalışma akışkanından faydalanan bir termodinamik çevrimdir Bu komponentlerin arasındaki oran termodinamik geri dönüşümü ve termodinamik verimi arttırmak için sistemin farklı bölümlerinde değişiklik gösterebilir Kalina çevrim sistemleri ısı kaynağının tipine göre çok çeşitli şekillerde özel olarak uygulanabilir

Örnek olarak; Kalina çevriminin güç istasyonları ve enerji dönüşümü için yapılan uygulamasında; % 70 amonyak ve % 30 sudan oluşan bir çalışma akışkanı kullanılması ile geleneksel Rankine çevriminin üzerinde verim artışı sağlanabilmiştir

Sabit hacim çevrimleri (otto çevrimi)

Sabit hacim çevrimleri (otto çevrimi) , buji ile ateşlemeli motorlarda kullanılan , ateşlemenin piston üst ölü noktaya geldiği ve sıkıştırma sonu basıncının en üst seviyeye çıktığı anda bujilerden kıvılcım çaktırılarak yapılan bunun sonucunda da pistonu aşağıya iten maksimum basıncın elde edildiği çevrimlerdir Sabit basınç ya da dizel çevrimlerinden farkı ateşleme sabit bir hacimde yapılması ve buji kullanılmasıdır Sabit hacim derken , dizel çevrimlerinde olduğu gibi piston aşağıya doğru inerken sisteme ısı girişi yapılmamaktadır

Sabit Hacim Çevrimi Safhaları



Sabit hacim çevrimi endikatör çizimi

Sıkıştırma (1-2)

Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder Bu sırada emme ve egzoz valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi ar(BU SAFHAYA İZANTROPİK SKIŞTIRMA ADIDA VERİLEBİLİR,İZANTROPİK;TERSİNİR VE ADYEBATİK MANASINA GELİR)

Sabit Hacimde Yanma (2-3)

Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada bujiden kıvılcım çaktırılarak sıkışarak ısınmış hava – yakıt karışımı yanmaya başlar, bunun sonucunda basınç P2'den P3 değerine sıçrama yapar

Genleşme (3-4)

Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar

Egzoz (4-1)

Sistem 4 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır Silindir egzoz sistemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir Gerçekte, dışarıya ısının atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur (grafikte yatay çizgiyle gösterilen strok), ancak ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde incelenmez, ısının atılması da egzoz valfi açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir

Stirling motoru

Stirling motoru, sıcak hava motoru olarak da bilinirDıştan yanmalı motorlu bir ısı makinesi tipidir Isı değişimi prosesi, ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal verime yakın olmasına izin verir (Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile)

1816 yılında İskoç rahip Reverent Robert Stirling tarafından icat edilmiştir Motoru geliştirme işini daha sonra mühendis olan kardeşi James Stirling devam ettirmiştir Mucitler, zamanın buhar makinelerine güvenilir bir alternatif oluşturmayı öngörmüştür Buhar makinelerinin kazanları sık sık yetersiz malzeme kullanımı ve buharın yüksek basıncı nedeniyle patlıyordu Stirling motorları sıcaklık farkını doğrudan harekete dönüştürecekti

Çalışma prensibi

Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin tekrar edilmesi ile çalışır

Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle ilgili olarak) ile tanımlanmış davranışları gösterir Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içinde olduğundan, basıncı yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir Gaz soğutulduğunda basınç düşer ve bunun sonucunda piston dönüş strokunda gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan işin bir kısmını kullanır Ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur Çalışma gazı sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında periyodik olarak akarÇalışma gazı piston silindirleri içinde yalıtılmıştır O yüzden burada egsoz gazı yoktur Diğer tip pistonlu motorlardan farklı olarak valflere ihtiyaç yoktur
Adım 1



Adım 2



Adım 3



Adım 4



Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çalışma gazı hareketi için bir ayırıcı piston kullanır Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine bağlı olması sayesinde silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çalışma gazı hareket eder

Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir Sıcak ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu ısı transfer edilir Bazı tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir Bu rejenaratör Stirling çevriminin verimine katkı sağlar Burada rejeneratör olarak belirtilen yapı aslında içerisinden bir miktar hava geçmesine engel olmayacak bir katı yapıdır Sözgelimi çelik bilyeler bu iş için kullanılabilir Hava bir soğuk oda ile sıcak oda arasında hareket ederken bu rejeneratör içerisinden geçer Sıcak hava soğuk bölüme ulaşmadan önce bir kısım ısı enerjisini bu bilyeler üzerinde bırakır Soğuk hava da sıcak tarafa geçerken daha önce bırakılan ısı enerjisiyle bir miktar ısınır Yani hava sıcak kısma girmeden önce ön-ısıtma, soğuk kısma girmeden önce de ön-soğutma işleminden geçerek motorun verimini artırır



55 kW elektrik gücü sağlayabilen bir Stirling motoru ve jeneratör uygulaması

İdeal Stirling motor çevrimi aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için Carnot ısı makinesi olarak aynı teorik verime sahiptir Termodinamik verimi buhar makinelerinden yüksektir (veya basit haldeki bazı içten yanmalı ve dizel motorlardan)

Herhangi bir sıcaklık kaynağı Stirling motoruna güç sağlayabilir Dıştan yanmalı motor, ifadesindeki yanma çoğu zaman yanlış anlaşılırIsı kaynağı, yanma sonucu oluşabilir fakat, güneş enerjisi, jeotermal enerji veya nükleer enerji de olabilir Aynı şekilde sıcaklık farkı yaratmak için kullanılan soğuk kaynak, çevre sıcaklığının altındaki değişik maddeler olabilir Soğuk su veya soğutucu bir akışkan kullanımı ile soğutma sağlanabilir Fakat soğuk kaynaktan elde edilecek sıcaklık farkının düşük olması daha büyük kütleler ile çalışılmasını gerektireceğinden, pompalamada oluşacak güç kaybı çevrimin verimini düşürecektirYanma ürünleri motorun iç parçaları ile temas etmez Stirling motorunda yağlama yağı ömrü içten yanmalı motorlara göre daha uzundur

Stirling motorunun uygulamada bazı avantaj ve dezavantajları vardır
Avantajları

Isı dış kaynaklıdır ve yakıt hava karışımının yanması daha doğru olarak kontrol edilebilir
Isı sağlamak için devamlı bir yanma prosesi kullanılır, bu yüzden yanmamış yakıt oranı büyük ölçüde düşürülür
Stirling motorları, kendilerine denk olan diğer motor tiplerinden daha az yağlama ve bakım gerektirir
Motor, diğer denk motorlara göre daha basit yapıdadır Valf ihtiyacı duymaz Yakıt ve iç sistemleri daha basittir
Oldukça düşük basınçta işletilebilir, böylece tipik buhar makinelerine göre daha emniyetlidir
Düşük işletme basıncı, daha hafif ve dayanıklı olmayan silindir kullanımına imkân verir
Denizaltıların kullanımı için, hava olmadan ve daha sessiz çalışabilme imkânı verir
Uçak motoru olarak uygundurlar Sessiz, daha az çevreye zararlı, verimli, güvenilir (basit parçalar ve yanma sistemi), daha az titreşim üreten ve patlama riski daha az yakıt kullanılabilmesi avantajlarına sahiptirler

Dezavantajları

Stirling motorları girişte ve çıkışta çalışma akışkanı içeren ısı eşanjörü gerektirir Bu yakıt ekonomisinin sağlanması ve verimlilik optimizasyonu düşünülerek tasarım yapıldığında motorun maliyetini arttırır
Stirling motoru, özellikle de küçük sıcaklık farkları ile çalışanlar, ısı eşanjörü nedeni ile oluşturdukları gücün önemli bir kısmını kaybeder
Termal verimi maksimize etmek için soğutucu sıcaklığı mümkün olduğu kadar düşük tutulur, bu yüzden harcanan ısının kaybedilmesi güçlük yaratır Bu sebep Stirling motorunun otomotiv sektöründe yaygınlaşamamasının faktörlerinden biridir(Gerekli ısı ısıtma sisteminin yeterince motora kombine ve küçük ölçüde olamayışı)
Düz Stirling motoru çabuk olarak devreye giremez; sıcaklığın iyice yükselmesi gereklidir Bu tüm dıştan yanmalı motorlar için geçerlidir fakat diğer dıştan yanmalı motorların ısınma zamanı Stirling motorununkinden kısadır
Güç çıkışı, sabittir ve bir seviyeden diğerine geçmesi çabuk olarak mümkün olmaz
Hidrojenin düşük moleküler ağırlığı, onu Stirling motoru için en iyi çalışma gazı yapar Fakat bu küçük moleküller, motor içinde muhafaza zorluğu ve ilave yardımcı sistemler gerektirir Bu sistemler gaz kabı gibi basit veya gaz jeneratörü gibi daha karmaşık sistemler olabilir Her durumda ilave ağırlık, maliyet artışı ve istenmeyen sorunlar oluşturacaktır

Alfa tipi stirling motorunun çalışma şekli



1 Most of the working gas is in contact with the hot cylinder walls, it has been heated and expansion has pushed the hot piston to the bottom of its travel in the cylinder The expansion continues in the cold cylinder, which is 90o behind the hot piston in its cycle, extracting more work from the hot gas



2 The gas is now at its maximum volume The hot cylinder piston begins to move most of the gas into the cold cylinder, where it cools and the pressure drops



3 Almost all the gas is now in the cold cylinder and cooling continues The cold piston, powered by flywheel momentum (or other piston pairs on the same shaft) compresses the remaining part of the gas



4 The gas reaches its minimum volume, and it will now expand in the hot cylinder where it will be heated once more, driving the hot piston in its power stroke



Alpha type Stirling Animated version

Karma çevrim
Benzinli motorda (yani Otto çevriminde), yanma sabit hacimde gerçekleşir, dizel motorda (yani dizel çevriminde) ise yanma sabit basınçta gerçekleşir Karma çevrimde ise günümüz modern dizel motorlarında olduğu gibi, yanmanın ilk aşaması sabit hacime yakın, son aşaması ise sabit basınca yakın gerçekleşmektedir Bu yüzden ısının bir miktarının sabit hacimde, geri kalan kısmının da sabit basınçta sisteme verildiği bu çevrime karma çevrim denir

Aşağıda gösterilen P-v diyagramında sözü edilen aşamalara gösterilmiştir

Karma çevrim safhaları



Karma çevrim endikatör çizimi

Sıkıştırma (1-2)

Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder Bu sırada emme ve egzos valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi artar

Sabit Hacimde Yanma (2-3)

Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada silindire enjektör tarafından yakıt püskürtülmeye başlar Sıkışarak ısınmış havayla karşılaşan yakıt yanmaya başlar, bunun sonucunda basınç P2'den P3 değerine sıçrama yapar Sisteme ısı girişinin olduğu ilk safha bu safhadır

Sabit Basınçta Yanma (3-4)

Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar fakat yanma devam ettiğinden basınç düşmez Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder Böylece bu safhada da sisteme ısı girişi devam etmiş olur

Genleşme (4-5)

Artık silindire yakıt püskürtülmemektedir ve yanma durmuştur Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar

Egzoz (5-1)

Sistem 5 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır Silindir egzoz sistemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir Gerçekte, dışarıya ısının atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur (grafikte yatay çizgiyle gösterilen strok), ancak ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde incelenmez, ısının atılması da egzoz valfi açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir