STİRLİNG MOTORLARINDA ISI KAZANIMI YARD. DOÇ. DR. YAŞAR ÖNDER ÖZGÖREN MEHMET ERDEM YARD. DOÇ. DR. YAŞAR ÖNDER ÖZGÖREN

GİRİŞ İskoç bir rahip olan Reverent Robert STIRLING 1816 yılında dışarıdan ısı vermeli bir motor tasarlamış ve ilk sıcak hava motorunu yapmıştır. Daha sonra bu çevrime göre çalışan makineler STIRLING motoru olarak isimlendirilmiştir. Yirminci yüzyılda petrolün kullanımında ve içten yanmalı motorlarda meydana gelen büyük gelişmeler bir ölçüde Stirling motorunun gelişimini olumsuz yönde etkilemiştir. İçerisinde bulunduğumuz yüzyılın son yarısında yaşanan büyük enerji krizleri ile birlikte bu motorlar üzerindeki çalışmalar büyük önem kazanmıştır. Stirling motorunun, diğer içten yanmalı motorların aksine kullandığı enerjinin türe bağlı olmaması bu motorları gelecek için daha ümit verici hale getirmiştir. Odun, kömür, petrol ürünleri, doğal gaz, bitkisel atıklar, güneş enerjisi, nükleer enerji, jeotermal enerji ve adını sayamadığımız bir çok enerji kaynağı Stirling motorlarında kullanılabilmektedir. Ayrıca açık ve kapalı devre olarak çalışabilme özelliğine sahip olan Stirling motorlarında değişik çalışma maddeleri kullanılabilmektedir. Özellikle hidrojen ve helyum gibi ısı iletkenlik katsayıları yüksek gazlar kapalı sistemde kullanılmak suretiyle termik verimleri % 40'a kadar yükseltebilmektedir.

Malzeme bilimindeki gelişmeler Stirling motorunun gelişimini olumlu yönde etkilemiştir. Yüksek sıcaklığa dayanıklı hafif metaller kullanılarak parçaların ısı iletimi artırılarak aynı zamanda atalet kuvvetleri azaltılmaktadır. Bu gün Stirling motorlarının en önemli problemi sızdırmazlık ve ölü hacimler olarak gösterilmektedir. Stirling motorlarında ısıtıcı, soğutucu, birleştirme portları ve rejeneratör boşluğu ölü hacim olarak tarif edilmektedir, bu hacimlerin büyük olması motor veriminin ve gücünün düşmesine neden olmaktadır. Bu güne kadar birçok Stirling motoru yapılmıştır. Bunlar; serbest pistonlu, krank biyel mekanizmalılar, Rhombic drive mekanizmalı, eğik plaka mekanizmalı ve sıvı pistonlu motorlardır.

STİRLİNG MOTORLARININ AVANTAJLARI: 1- Potansiyel olarak en yüksek verime sahip bir ısı motorudur. Sürekli çalışma şartlarında pratik termik verimleri % 40 hatta daha fazla değere ulaşır. 2- Teorik termik verim ise Carnot çevriminin verimine denk olup sıkıştırma oranına bağlı değildir. 3- Her tür yakıtı kullanabilir. Hatta güneş enerjisi veya nükleer enerji ile de çalışabilir. 4- Ateşleme, enjeksiyon, yağlama sistemi gibi yardımcı sistemlere ihtiyaç duyulmamakta ve supap kullanılmadığı için bakıma olan ihtiyacı daha azdır. 5- Silindir içerisinde çalışma gazının temas ettiği hassas yüzeylerde yanmadan kaynaklanan kirlenmeler oluşmadığı için motor uzun ömürlüdür. 6- Bu motorlarda yağlama yağının soğutma özelliğinden kaynaklanan ısı kayıpları olmaz. 7- Yüksek şarj basıncında kapalı bir çevrimde çalıştığından, çalışma maddesi, atmosferden, toz ve diğer kirleticilerden yalıtılmıştır.

8- Yanma sonunda ortaya çıkan ürünler hareketli herhangi bir parçaya temas etmemektedir. Bu nedenle aşıntı daha az olacağı için motor parçalarının ömrü daha uzundur. 9- Dıştan yanmanın oluşturduğu NOX, CO2, yanmamış HC ve parti küller daha azdır. 10- Her devirde bir çevrim tamamlandığından daha düzgün tork çıkışı elde edilmekte ve neticede motor az titreşimle çalışmaktadır. İçten yanmalı motorlarda olduğu gibi yüksek devirden kaynaklanan balanssızlığın ortaya çıkardığı titreşimler, Stirling motorlarında daha, azdır. 11- Supaplar, kam mili, hava fîltresi, yakıt pompaları, yağlama sistemi, ateşleme sistemi gibi yardımcı sistemlerin ve hareketli parça sayısının az olması üretimin daha ucuz olmasını sağlar. 12- Stirling motorlarının montajı, bakım ve onarımı diğer motorlara nazaran ucuz, kolay ve çabuktur.

STİRLİNG MOTORLARININ DEZAVANTAJLARI: 1- Isıtıcı ve soğutucudaki termik ataletler nedeni ile hızlanma ve yavaşlamanın (güç kontrolünün) geç olması. 2- Yüksek sıcaklığa maruz kalan ısı transferi yüzeylerinde korozyon tabakasının oluşması. 3- Aynı güçteki içten yanmalı motorlara nazaran daha büyük kütle ve boyutlar. 4- Çalışma ve krank boşlukları arasındaki sızdırmazlık problemleridir. 5- Çalışma gazı özel olan motorlarda (Helyum ve Hidrojen) çalışma gazının zamanla boşalması 6- Otomobilde kullanıldığında uygun soğutma problemi bulunmaktadır.

ÇEŞİTLERİ: 1. Tek etkili stirling motorları

2. Çift etkili stirling motorları 3. Düşük sıcaklık farkı ile çalışan stirling motorları

4. Serbest pistonlu stirling motorları

5. Wankel stirling motoru 6. Hibrit stirling motoru

STİRLİNG MOTORLARINDA KULLANILAN HAREKET İLETİM MEKANİZMALARI: 1.Altı kenar (rhombic) hareket iletim mekanizması 2. Krank-biyel hareket iletim mekanizması

3. Eğik plaka döndürme mekanizması

STİRLİNG MOTORLARININ ÇALIŞMA PRENSİBİ Stirling çevrimine göre çalışan bir ısı makinesinde sistemin çalışması, ve çevrimin ölü noktalarında piston düzenlemesi ve zaman yer değiştirme diyagramı aşağıda şekilde verilmiştir. 1-2 işlemi : İzotermik sıkıştırma, tC sıcaklığındaki çalışma maddesinden dışarıya ısı transferi, 2-3 işlemi : Sabit hacimde sisteme ısı sürülmesi, rejeneratörden çalışma maddesine ısı transferi, 3-4 işlemi : izotermik genişleme, TH sıcaklığındaki harici kaynaktan çalışma maddesine ısı transferi, 4-1 işlemi :Sabit hacimde genişleme, çalışma maddesinden rejeneratöre ısı transferi.

REJENERATÖRLÜ STİRLİNG ÇEVRİMİNİN TEORİK ANALİZİ: Rejeneratör sıcak bölgeden soğuk bölgeye geçmekte olan çalışma gazındaki ısı enerjisinin bir kısmını üzerine depolayıp, çalışma gazı soğuk bölgeden sıcak bölgeye geçerken üzerinde depolamış olduğu ısı enerjisini çalışma gazına geri verir. Rejeneratörün etkinliği teorik çevrimde % 100 kabul edilmektedir. Dolayısıyla teorik olarak rejeneratör sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru hareket eden akışkandan almış olduğu ısı enerjisinin tamamını soğuk bölgeden sıcak bölgeye doğru hareket eden akışkana geri verir. Rejeneratör bu sayede ısı tasarrufu sağlamakta ve termik verimin artmasına neden olmaktadır. Şekil’ de rejeneratörlü bir Stirling motorun çevriminin T-S diyagramı görülmektedir. Rejeneratörlü Stirling çevriminin T-S diyagramı (Özgören 2012).

şekildeki rejeneratörlü Stirling çevriminde 4-1 aralığında sabit hacimde soğuma işlemi sırasında çalışma gazı sıcak bölgeden soğuk bölgeye geçer iken rejeneratör çalışma gazındaki ısı enerjisini depolamaktadır. 2-3 aralığında sabit hacimde ısıtma işlemi sırasında ise rejeneratörde depolanan ısı enerjisinin tamamı çalışma gazına kazandırılmaktadır. Bu durumda iş oluşumunu sağlayacak olan ısı enerjisi 3-4 aralığında sabit sıcaklıkta genişleme işlemi esnasında verilir. Sistemde 1-2 aralığındaki sabit sıcaklıkta durum değişikliğinde ise ısı atma işlemi gerçekleşir. ÖRNEKLER: Gama (γ) tipi Stirling motorlar (Walker 1980).

Çift etkili Stirling motorları (Walker 1980).

REJENERASYON MALZEMELERİ: Şekil 1. Paslanmaz çelik rejeneratör malzemesi Şekil 2. Bakır rejeneratör malzemesi Şekil 1 ve 2’de sırasıyla paslanmaz çelik ve bakırdan oluşturulmuş rejeneratör malzemeleri görülmektedir. Paslanmaz çelik malzeme zamanla çalışmadan kaynaklanan sebeplerden dolayı paslanmayacağından pas birikintileri de oluşmayacaktır. Oksitlenmiş yüzeyler konvektif ısı taşınım katsayısını azaltıcı etkide bulunmakta ve akışkanla rejeneratör teli arasında yeterince ısı taşınımı gerçekleşememektedir. Bakırdan yapılan rejeneratör malzemesinin önemli bir avantajı ısı iletim değerinin yüksek oluşudur. Bunun da rejeneratör etkinliğini artırmada önemli bir kazanç sağlaması mümkündür.

Paslanmaz çelik telli rejeneratör malzemesi sert olduğundan dokunamamaktadır. Bakır tel ise daha yumuşak olduğundan tel şeklinde temin edilerek kumaş dokuma tekniğine uygun olarak el tezgahında dokunmuştur. Dokumanın ölçüleri rejeneratör boşluğuna uygun olacak şekilde belirlenir. Ayrıca; Incoloy, alüminyum veya Foam (Metal köpük) malzemeden yapılabilir. INCOLOY INCOLOY: Nikel-Demir-Krom alaşımıdır. İlk olarak 1950’li yıllarda ısıya ve korozyona dayanıklılık gerektiren ortamlarda kullanım için düşük nikel içerikli bir alaşım olarak piyasaya sürülmüştür.

ALÜMİNYUM ALÜMİNYUM: Gümüş renkte sünek bir metaldir. Atom numarası 13 tür. Doğada genellikle boksit cevheri halinde bulunur ve oksidasyona karşı üstün direnci ile tanınır. Bu direncin temelinde pasivasyon özelliği yatar. Endüstrinin pek çok kolunda milyonlarca farklı ürünün yapımında kullanılmakta olup dünya ekonomisi içinde çok önemli bir yeri vardır. Alüminyum genel manada soğutucu yapımında, spot ışıklarda, mutfak gereçleri yapımında, hafiflik esas olan araçların yapımında (uçak, bisiklet, otomobil motorları, motosikletler vb.) kullanılır.

FOAM: Metal köpük, çeşitli gazların metal gövde içerisinde dağılarak boşluk oluşturduğu yapıya denmektedir. Alüminyum, demir, nikel, kurşun, çinko ve titanyum, metal köpük yapımında kullanılan malzemelerdir. Ancak günümüzde alüminyum, düşük yoğunluğu, korozyon direnci ve düşük ergime sıcaklığı gibi özellikleri nedeniyle, metal köpük yapımında en çok kullanılan metaldir. Metal köpük kanatlı ısı değiştiricilerde birim hacimdeki yüzey alanı 10,000 m2/m3 değerine kadar ulaşmaktadır. Metal köpük kanatlı ısı değiştiriciler, açık hücreli metal köpüklerden ve yaygın olarak alüminyum kanatlı köpük ısı değiştiricilerden yapılmaktadır. Metal köpük kanatlı ısı değiştiriciler, birim hacimde, konvansiyonel kanatlı ısı değiştiricilerden çok daha fazla yüzey alanına sahiptirler. (Sertkaya, A. A. 2013.)

REJENERATÖRLERDE YAPILABİLECEK İYİLEŞTİRMELER: 1- Isı transferi ve akış problemlerinin giderilmesi. Bu konuda yapılabilecek teorik analiz ve uygulama çalışmaları. 2- Farklı Rejeneratör malzemelerinin kullanımı 3- Gözenekli malzemeler (Foam) 4- Rejeneratörde farklı ebatlarda tel örgü sarmal Rejeneratör malzemelerinin kullanımı 5- Isı kayıplarını azaltıcı yönde ısıl yalıtım uygulanması TEZ ÇALIŞMASINDA YAPILMASI PLANLANANLAR: Bir stirling motorunda; farklı malzeme ve farklı ölçülere sahip rejeneratör malzemeleri kullanarak stirling motorunun güç ve performansına olan etkileri araştırılacaktır.

DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜRLER