motoare termice petrescu

7/26/2019 Motoare Termice PETRESCU

1/165

See discussions, stats, and author profiles for this publication at:https://www.researchgate.net/publication/282913676

Motoare termice (Romanian

Edition)

Book October 2012

DOI: 10.13140/RG.2.1.2730.8241

READS

152

2 authors:

Florian Ion Tiberiu Petrescu

Polytechnic University of Bu

163PUBLICATIONS 103

CITATIONS

SEE PROFILE

Relly Victoria Petrescu

Polytechnic University of Bu

108PUBLICATIONS 98CITATIONS

SEE PROFILE

Available from: Florian Ion Tiberiu Petrescu

Retrieved on: 14 June 2016
https://www.researchgate.net/profile/Relly_Petrescu?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_7https://www.researchgate.net/profile/Relly_Petrescu?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_4https://www.researchgate.net/profile/Relly_Petrescu?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_4https://www.researchgate.net/profile/Relly_Petrescu?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_5https://www.researchgate.net/profile/Florian_Ion_Petrescu2?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_7https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_1https://www.researchgate.net/profile/Relly_Petrescu?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_7https://www.researchgate.net/institution/Polytechnic_University_of_Bucharest?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_6https://www.researchgate.net/profile/Relly_Petrescu?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_5https://www.researchgate.net/profile/Relly_Petrescu?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_4https://www.researchgate.net/profile/Florian_Ion_Petrescu2?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_7https://www.researchgate.net/institution/Polytechnic_University_of_Bucharest?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_6https://www.researchgate.net/profile/Florian_Ion_Petrescu2?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_5https://www.researchgate.net/profile/Florian_Ion_Petrescu2?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_4https://www.researchgate.net/?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_1https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_3https://www.researchgate.net/publication/282913676_Motoare_termice_Romanian_Edition?enrichId=rgreq-0e24bedcfe342932ebb1642162273ee6-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzI4MjkxMzY3NjtBUzoyODU1OTAxNTIwNzMyMTZAMTQ0NTEwMTQwNjQ3OQ%3D%3D&el=1_x_2


2/165

Florian Ion PETRESCU & Relly Victoria PETRESCU

MOTOARE

TERMICE

USA 2011


3/165

2

Scientific reviewer:

Prof. Dr. Ing. Gheorghe FRIL

Copyright

Title book: Motoare termice

Authors book: Florian Ion PETRESCU & Relly

Victoria PETRESCU

2012, Florian PETRESCU & Relly PETRESCU

[email protected]

ALL RIGHTS RESERVED. This book contains materialprotected under International and Federal CopyrightLaws and Treaties. Any unauthorized reprint or use ofthis material is prohibited. No part of this book may bereproduced or transmitted in any form or by any means,electronic or mechanical, including photocopying,recording, or by any information storage and retrievalsystem without express written permission from theauthor / publisher.

ISBN 978 1 4802 0488 1


4/165

3

SCURT DESCRIERE(INTRODUCERE)

Lucrarea prezint o viziune personal asupra designuluiingineresc pentru construcia de maini. Se au n vedere mai multmotoarele termice. Sunt tratate pe scurt istoricul, clasificarea iutilizrile. Se prezint mai amnunit unele tipuri de motoare termicecu ardere intern, deoarece acestea ne-au marcat existena n ultii 150ani.

O mai mare importan o au motoarele termice cu ardere

intern de tip Otto, sau Diesel, motoarele n doi timpi, cele rotative,ct i motoarele termice cu ardere extern, n special cele cu aburi (detip Watt), sau motoarele din gama Stirling care funcioneaz pe bazadiferenei de temperatur dintre dou surse.

Dezvoltarea i diversificarea autovehiculelor rutiere i avehiculelor, mai ales cea a automobilelor, mpreun cu motoareletermice, n special cele cu ardere intern (fiind mai compacte, mai

robuste, mai independente, mai fiabile, mai puternice, mai dinamice,etc...), a forat i dezvoltarea ntr-un ritm mai alert a dispozitivelor,mecanismelor, i ansamblurilor componente. Cele mai studiate fiindtrenurile de putere i cel al transmisiei.

Problema randamentului foarte sczut, a noxelor mari i aconsumului foarte mare de putere i de combustibil, a fost multameliorat i reglementat n ultimii 20-30 ani, prin dezvoltarea i

introducerea unor mecanisme motoare i de distribuie moderne, carepe lng randamente mai ridicate (ce aduc imediat o mare economiede combustibili) realizeaz i o funcionare optim, fr zgomote, fr

vibraii, cu noxe mult diminuate, n condiiile n care turaia motoruluimaxim posibil a crescut de la 5000-6000 la circa 30000 [rot/min].

O performan deosebit o reprezintcreterea n continuare arandamentului mecanic al mecanismului motor principal i cel al

sistemelor de distribuie, pn la cote nebnuite pn n prezent, faptce va aduce o economie de combustibili major.


5/165

4

Astzi toate motoarele cu ardere intern (dar i cele cu ardereextern care mai sunt utilizate) funcioneaz n general la standarderidicate, cu consumuri mici de combustibili, cu nivele sczute de

vibraii i zgomote, cu emisii de noxe extrem de reduse, comformreglementriloractuale care sunt i ele din ce n ce mai pretenioase.

Rezervele de petrol i cele energetice actuale ale omenirii suntlimitate. Pn la implementarea de noi surse energetice (care s preiacontrolul real n locul combustibililor fosilici) o surs alternativ realde energie i de combustibili este chiar scderea consumului decombustibil al unui autovehicul, fie c vom arde petrol, gaze iderivai petrolieri, fie c vom implementa ntr-o prim fazbiocombustibilii (lucru ce s-a i realizat n unele ri, cum ar fi Brazilia,USA, Germania, etc), iar mai trziu i hidrogenul (extras din ap).

Scderea consumului de combustibil pentru un anumit tip devehicul, pentru o sut de km parcuri, s-a produs n mod constant dinanul 1980 i pn n prezent i va continua i n viitor.

Chiar dac se vor nmuli hibrizii i automobilele cu motoareelectrice, s nu uitm c ele trebuie s se ncarce cu curent electric care

n general este obinut tot prin arderea combustibililor fosilici, cuprecdere petrol i gaze,n proporie planetar actual de circa 60%.

Ardem petrolul n centrale termice mari ca s ne nclzim, s avemap cald menajer, i energie electric pentru consumcasnic, stradal,industrial, comercial, etc, i o parte din aceast energie o lumsuplimentar i o consumm suplimentar pe (auto)vehicule cu motoareelectrice, dar problema global, energetic nu se rezolv, criza chiar se

adncete. Aa s-a ntmplat atunci cnd am electrificat forat caleaferat pentru trenuri, cnd am generalizat tramvaiele, troleibuzele imetrourile, consumnd brusc mai mult curent electric produs mai alesdin petrol; consumul petrolier a crescut brusc, iar preul su a trebuits aib un salt uria.

Aspectul cel mai grav al acestui fapt (care pare s fi trecutneobservat de marile guverne ale lumii comtemporane) este c

poluarea i consumul datorate arderilor suplimentare de petrol,produse petroliere i gaze, n centrale energetice mondiale, au crescutfoarte mult i foarte brusc, datorit consumului sporit de energieelectric obinut n mare parte tot din arderea combustibililor clasici,


6/165

5

aflai pe cale de dispariie (rezervele de petrol ale Terrei s-ar puteaepuiza efectiv n urmtorii 40-50 ani dac continum tot aa, deoarecedeocamdat energiile noi implementate, regenerabile i sustenabileabia dac realizeaz 2-3% nesemnificative dealtfel din produciaglobal energetic, circa 40% fiind totui realizate din noiibiocombustibili, din biomas, din energia nuclear obinut prinfisiune i din hidrocentrale). Deocamdat energia eolian, cea solar,cea obinut din maree, din valurile mrilor i oceanelor, din izvoareletermice (gheizre), pe cale chimic, sau prin diverse alte ci, abiaatinge acum circa 1-3% din producia mondial de energie (inclusivcea electric).

Ce se ntmpl de fapt? Auzim vorbindu-se mereu de eforturilepe care marile guverne ale lumii le fac pentru implementarea forat aunor astfel de noi tehnologii nepoluante i sustenabile, n special noicentrale solare i eoliene. Creterile anunate sunt de circa 30-40%anual i totui randamentul lor, prezena lor n ponderea energiilormondiale obinute rmne nc nesemnificativ. Realitatea este caceste creteri se raporteaz tot la tehnologiile de acest fel existenteglobal, care sunt nc nesemnificative per total, iar o cretere de 40%

din 1-2% reprezint o cretere real de circa 0,8%anual, cretere careabia se observ n condiiile pstrrii produciei i consumului mondialde energie, deoarece din pcate att consumul energetic mondialct iproducia global de energie sufer anual o cretere semnificativprocentual care nu doar c egaleaz dar chiar depete uneori cumult procentul efectiv de cretere a regenerabilelor moderne (eoliene,solare, etc.), astfel nct ar fi necesare creteri mult mai susinute laenergiile noi curate, pentru ca ele s realizeze o nlocuire real treptat

a centralelor cu petrol, produse petroliere, gaze naturale i crbune.

Generaliznd brusc i automobilele electrice (dei nu suntemnc pregtii real pentru acest lucru), vom da o nou loviturrezervelor de petrol i gaze.

Din fericire n ultima vreme s-au dezvoltat foarte multbiocombustibilii, biomasa i energetica nuclear (deocamdat cea

bazat pe reacia de fisiune nuclear). Acestea mpreun i cuhidrocentralele, au reuit s produc circa 40% din energia realconsumat global. Numai circa 2-3% din resursele energetice globale


7/165

6

sunt produse prin diverse alte metode alternative (n ciuda eforturilorfcute pn acum).

Acest fapt nu trebuie s ne dezarmeze, i s renunm laimplementarea centralelor solare, eoliene, etc.

Totui, ca o prim necesitate de a scdea i mai mult procentulde energii globale obinute din petrol i gaze, primele msuri energicece vor trebui continuate, vor fi sporirea produciei de biomas ibiocombustibili, mpreun cu lrgirea numrului de centrale nucleare(n ciuda unor evenimente nedorite, care ne arat doar faptul ccentralele nucleare pe fisiune trebuiesc construite cu un grad sporit desiguran, i n nici un caz eliminate nc de pe acum, ele fiind ncontinuare, cea ce au fost i pn acum, un ru necesar).

Sursele alternative vor lua ele singure o amploare nebnuit, darateptm ca i energia furnizat de ele s fie mult mai consistent nprocente globale, pentru a putea s ne i bazm pe ele la modul real(altfel, riscm ca toate aceste energii alternative s rmn un fel debasm).

Programele energetice de tip combustibil hidrogen, cnddemareaz, cnd se opresc, astfel nct nu mai e timp real acumpentru a ne salva energetic prin ele, deci nu mai pot fi prioritare, darpe camioane, i autobuze ar putea fi implementate chiar acum,deoarece au fost rezolvate parial problemele cu stocarea. Problemacea mai mare la hidrogen nu mai este stocarea sigur, ci cantitateamare de energie necesar pentru extragerea lui, i mai ales pentrustocarea (mbutelierea) lui. Cantitatea uria de energie electricconsumat pentru mbutelierea hidrogenului, va trebui s fie obinut

n totalitate prin surse alternative energetice, n caz contrarprogramele pentru hidrogen nefiind rentabile pentru omenire, celpuin pentru moment. Personal cred c utilizarea imediat ahidrogenului extras din ap cu ajutorul energiilor alternative, ar fi maipotrivit la navele maritime, la autobuze i camioane.

Atta timp ct regenerabilele nu vor reprezenta cel puin 80-90% din producia mondial energetic, nu are nici un rost s mai

nlocuim i motoarele termice de pe automobile cu motoare electrice.


8/165

7

Cnd utilizarea consumabilelor (petrol, produse petroliere, gaze,crbune) va mai reprezenta procentual doar 10-15% din energiaobinut anual global, abia atunci, vom putea lua n calculimplementarea automobilelor cu motoare electrice n locul celor cumotoare termice.

Deci deocamdat nu e benefic nlocuirea parcului auto echipatcu motoare termice, cu unul electrificat i nu doar c nu e benefic,

ns n mod real nici nu este posibil.

Poate doar s mai spunem c datorit automobilului clasic (cumotoare termice) n plin criz energetic (i nu doar energetic, din1970 i pn azi), producia de automobile i autovehicule a sporit

ntr-un ritm alert (dar firesc), n loc s scad, iar acestea au i fostcomercializate i utilizate. S-a pornit la declanarea crizei energeticemondiale (n anii 1970) de la circa 200 milioane autovehicule pe glob,s-a atins cifra de aproximativ 350 milioane n 1980 (cnd s-a declaratpentru prima oar criza energetic i de combustibili mondial), n1990 circulau circa 500 milioane autovehicule pe glob, iar n 1997numrul de autovehicule nmatriculate la nivel mondial depea cifrade 600 milioane. n 2010 circul pe ntreaga planet peste 800milioane autovehicule. Curnd, cantitatea de autovehicule rutiereaflate n circulaie, care s-a mrit de patru ori pe perioada crizei din1970 i pn n 2010, ajungnd de la 200 mil. la 800 mil., v-a atingemiliardul. Cine v-a putea casa rapid un parc auto de un miliard deautovehicule pentru a-l nlocui n totalitate cu unul electrificat? Cu cebani, cnd eforturile sporite ale guvernelor tuturor rilor, abia reuescs retrag din circulaie anual circa 1-2% din parcul de autovehicule

care depesc 20-30 ani de cnd sunt n circulaie?

Cu stim i respect,

autorii.


9/165

8

C U P R I N S

Scurt descriere...............................................................................................................003

Cuprins.............................................................................................................................008Cap 01 Motoare termice cu ardere extern ............................................................... 010

1.1 Introducere..............................................................................................................010

1.2 Motoarele cu ardere extern cu aburi................................................................. 010

1.3 Motoarele cu ardere extern de tip Stirling.........................................................017

1.3.1 Descrierea motoarelor Stirling.......................................................................... 021

1.3.2 Istoric.................................................................................................................... 022

1.3.3 Ciclul motor..........................................................................................................024

1.3.4 Regeneratorul.......................................................................................................027

1.3.5 Bazele teoretice.................................................................................................... 029

1.3.6 Utilizri.................................................................................................................. 033

1.4 Concluzii...................................................................................................................047

B1. Bibliografie............................................................................................................... 048

Cap 02 Motoare termice cu ardere intern................................................................049

2.1 Introducere.............................................................................................................. 049

2.2 Situaia actual a motoarelor termice cu ardere intern....................................049

2.3 Sinteza motoarelor cu ardere intern cu hidrogen.............................................055

2.3.1 Despre combustibilul hidrogen.........................................................................055

2.3.2 Un Wankel v rog! Sau poate un Atkinson nou, rotativ!...............................056

2.3.3 Prezentarea pe scurt a tancurilor de hidrogen............................. ....................057

2.3.4 Pactul HG8...........................................................................................................0582.4 Din istoria motoarelor cu ardere intern.............................................................059

2.4.1 Scurt prezentare..................................................................................................059

2.4.2 Apariia i dezvoltarea motoarelor cu ardere intern cu supape

de tip Otto, sau Diesel, legat de cea a automobilelor..............................................062

2.5 Concluzii...................................................................................................................072

B2. Bibliografie............................................................................................................... 072

Cap 03 Designul motoarelor n V...............................................................................0733.1 Prezentare.................................................................................................................073

3.2. Sinteza motorului n V n funcie de unghiul alfa............................................. 083

3.2.1. Ideia de baz........................................................................................................084


10/165

9

3.2.2. Sinteza propriuzis a motoarelor n V............................................................. 086

3.2.2.1. Prezentare general..........................................................................................086

3.2.2.2. Fore i viteze................................................................................................... 086

3.2.2.3. Determinarea coeficientului dinamic, D.......................................................0873.2.3. Analiza dinamic..................................................................................................088

3.2.4. Observaii i concluzii........................................................................................ 092

3.2.5. Relaiile de calcul................................................................................................. 093

B3. Bibliografie...............................................................................................................097

Cap 04 Determinarea randamentului mec. la sistemul biel manivel piston.......099

4.1 Cinematica mecanismului biel manivel piston................................................100

4.2 Determinarea randamentului mecanic al sistemului biel manivel piston,atunci cnd acesta lucreaz n regim de motor, fiind acionat de ctre piston......102

4.3 Determinarea randamentului mecanic al sistemului biel manivel piston,

atunci cnd acionarea lui se face dinspre manivel..................................................107

B4. Bibliografie..............................................................................................................115

Cap 05 Cinematica dinamic la sistemul biel manivel piston.............................116B5. Bibliografie..............................................................................................................129

Cap 06 Cinematica dinamic de precizie la sistemul

biel manivel piston.....................................................................................................130B6. Bibliografie..............................................................................................................146Cap 07 Dinamica motorului Otto .............................................................................147B7. Bibliografie..............................................................................................................162


11/165

10

Cap. 1. MOTOARE TERMICE CU ARDERE EXTERN

1.1. Introducere

Motorul este o main care transform o form oarecare deenergie n energie mecanic.

Se disting urmtoarele tipuri de motoare:

Electric, magnetic, electromagnetic, sonic, pneumatic, hydraulic,eo

lian, geotermic, solar, nuclear, cu reacie (Coand, mpingtoareionice, ionice, cu unde electromagnetice, cu plasm, fotonice),termice.

Fiind motoarele cele mai vechi, cele mai utilizate i cele mairspndite, motoarele termice (care transform energia termic nenergie mecanic) se pot clasifica la rndul lor n dou mari categorii:motoare cu ardere extern i motoare cu ardere intern.

Printre cele mai cunoscute motoare cu ardere extern

menionm: motoarele cu aburi i motoarele Stirling.Categoria motoarelor cu ardere intern fiind cea mai rspndit,

cea mai utilizat, i cea mai important, cuprinde mai multesubcategorii, din care vom ncerca s enumerm cteva:

Motorul Lenoir (motorul n doi timpi), motorul Otto (motoruln patru timpi), motorul Diesel (cu autoaprindere i injecie decombustibil), motorul rotativ Wankel, motorul rotativ Atkinson,

motoarele biodisel, motoarele cu hidrogen, etc.

1.2. Motoarele cu ardere extern cu aburi

Cele mai rspndite motoare cu ardere extern sunt cele cuaburi. Chiar dac iniial au fost utilizate ca motoare navale, apariia idezvoltarea motoarelor termice cu aburi (ct i cea a primelormecanisme cu came) sunt strns legate de apariia i dezvoltarearzboaielor de esut (mainilor automate de esut).


12/165

11

n 1719, n Anglia, un oarecare John Kay deschide ntr-o cldirecu cinci etaje o filatur. Cu un personal de peste 300 de femei i copii,aceasta avea s fie prima fabric din lume. Tot el devine celebruinventnd suveica zburtoare, datorit creia esutul devine mult mairapid. Dar mainile erau n continuare acionate manual. Abia pe la1750 industria textil avea s fie revoluionat prin aplicarea pe scarlarg a acestei invenii. Iniial estorii i s-au opus, distrugnd suveicilezburtoarei alungndu-l pe inventator.

Pe la 1760 apar rzboaiele de esut i primele fabrici naccepiunea modern a cuvntului. Era nevoie de primele motoare.De mai bine de un secol, italianul Giovanni Branca (1571-1645)

propusese utilizarea aburului pentru acionarea unor turbine (primulmotor termic modern cu ardere extern cu aburi construit deinginerul i arhitectul italian Giovanni BRANCA, a fost o turbin cuaburi, vezi figura 1).


13/165

12

Experimentele ulterioare nu au dat satisfacie. n Frana iAnglia, inventatori de marc, ca Denis Papin (1647-1712,matematician i inventator francez, pionier al motoarelor cu aburi, alcrui prim motor cu aburi realizat n anul 1679 poate fi urmrit nfigura 2) sau marchizul de Worcester (1603-1667), veneau cu noi inoi idei.

La sfritul secolului XVII, Thomas Savery (1650-1715)construise deja "prietenul minerului", un motor cu aburi (patentat,neavnd n componen nici un mecanism, nici o pies mobil, el eraun fel de compresor ce crea doar presiune ntr-o butelie, presiunea

mpingnd apa n exteriorul buteliei printr-un orificiu atunci cnd era

deschis) ce punea n funciune o pomp pentru scos apa din galerii,sau era montat pe vehiculele pompierilor avnd rolul de a pompa apadestinat stingerii focului (a se urmri figura 3).

Thomas Newcomen (1664-1729) a realizat varianta comercial apompei cu aburi (vezi figura 4), iar inginerul James Watt (1736-1819)realizeaz i adapteaz un regulator de turaie ce mbuntete netmotorul cu aburi.

J. Watt- 1763 a perfecionat mult mainile realizate pn atuncireducnd pierderile de cldur i de energie din cazanele cu aburalimentate cu crbuni (n figura 5 se poate vedea motorul cu aburioriginal al lui James Watt, invenie ce avea s schimbe faa lumii,conceput n 1769 i mbuntit n 1774). Maina cu abur inventatde Watt a beneficiat mai trziu de alte 3 invenii franceze: cazanul cutubulatur al lui M. Seguin - 1817, manometrul lui E. Bourdon - 1849,i injectorul lui T. Gifford - 1858.

Motorul cu aburi a permis amplasarea fabricilor nu numai nvecintatea cursurilor de ap ci i acolo unde era nevoie de produselelor - centre comerciale, orae (Prima aplicaie practic a fost n mine, aurmat industria bumbacului, a berii etc. A circulat din Marea Britanie,

n vestul continentului i apoi n secolele XIX - XX n ntreaga lume).

James Watt s-a nscut n localitatea Greenock din Scoia. Studiilei le-a terminat la Londra, Anglia, ncepnd i activitatea de fabricant

de instrumente matematice (1754). A revenit pe plaiurile natale, nGlasgow, Scoia. A fost fabricantul de instrumente matematicefolosite de Universitatea din Glasgow.


14/165

13

Aici i s-a oferit ocazia (destinului) s repare o main cu abur, de

unde i-a ncolit ideea ameliorrii acesteia; astfel au aprut "cameraseparat de condensare a aburului" (1769) i "regulatorul de turaie almainii cu abur" (1788). La maina sa inventat n 1769, aburii treceau

ntr-o camer separat pentru condensare.Deoarece cilindrul nu eranclzit i rcit alternativ, pierderile de cldur ale mainii erau relativsczute. De asemenea, maina lui Watt era mai rapid, pentru c seputeau admite mai muli aburi n cilindru odat ce pistonul se ntorcea

n poziia iniial. Aceasta i alte mbuntiri concepute de Watt au

fcut ca maina cu aburi s poat fi folosit ntr-o gam larg deaplicaii.

Ulterior se mut n Anglia la Birmingham. Aici se nscrie ntr-unclub, Lunar Society, care - n ciuda numelui neltor - era de fapt
http://ro.wikipedia.org/wiki/Condensarehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Condensare


15/165

14

un club tiinific format din inventatori. Multe din originalelelucrrilor sale se gsesc la "Birmingham Cultural Library" (BibliotecaCentral din Birmingham).

James Watt, mpreun cu un industria britanic, MatthewBoulton, reuesc s creeze o ntreprindere de fabricare a ceea ce senumea maina cu abur a lui Watt, mbuntit (1774). Tot aici varealiza, mpreun cu un alt inventator scoian William Murdoch, unangrenaj de convertire a micrii verticale n micare de rotaie(1781).Ulterior, a mai realizat o main cu dubl aciune(1782).

Cea mai mare realizare a sa este considerat a fi brevetarea nanul 1784 a locomotivei cu abur (vezi figura 6). Practic putemconsidera c n acel an, 1784, s-a nscut transportul pe calea ferat.

Interesant este faptul c primul motor cu aburi al lui Watt(prima variant din 1769) a fost preluat de inginerul francez Nicolas

Joseph Cugnot i adaptat original (vezi figura 8) pentru a fi utilizatchiar n acelai an (1769) la construirea primului vehicul (autovehicul),destinat iniial transportului de militari i armament, dar i tractrii dearmament greu, tunuri grele. Viteza maxim a acestui primautovehicul (varianta mbuntit, vezi figura 9) la sarcin maxim(patru militari n vehicul plus tunuri grele tractate, care s nudepeasc 4t) era de 5 km pe or, iar la o ncrctur pe jumtateatingea pe drumuri uscate 8,5 km/h.

Prima locomotiv cu aburi, funcional pe calea ferat, a fostconstruit plecnd tot de la modelul lui Watt, de inginerul britanicGeorge Stephenson (17811848), abia n anul 1814 (vezi figura 10).

Robert Fulton (cruia i se atribuie incorect construcia sau iconstrucia primelor nave motorizate 1803-1807) poate fi creditat a fifost autorul planurilor i constructorul efectiv (1798) al primuluisubmarin funcional, comandat de Napoleon Bonaparte, denumitNautilus, care a fost testat n anul 1800 (vezi figura 11) n Frana de

nsui Fulton mpreun cu trei mecanici, scufundndu-se pn laadncimea de 25 picioare.


16/165

15

mpreun cu fabricantul Mathiew Boulton, inginerul scoianJames Watt construiete primele motoare navale cu aburi (fig. 7) i nmai puin de o jumtate de secol, vntul ce asigurase mai bine de 3000

de ani fora de propulsie pe mare mai umfla acum doar pnzelenavelor de agrement.

n 1785 intr n funciune, prima filatur acionat de foraaburului, urmat rapid de alte cteva zeci.

Dezvoltarea motoarelor navale, pentru trenuri, autovehicule, cti cea amotoarelor pentru estorii automate, au dus i la dezvoltareaindustriei siderurgice europene i americane (iar mai apoi i a celei

mondiale).Este remarcabil faptul c primul vehicul motorizat (echipat cuun motor termic cu aburi) a fost un autovehicul, au urmat apoi unsubmarin, diverse nave i la urm trenurile. Motoarele cu aburi au mai


17/165

16

fost utilizate (i mai sunt folosite chiar i n prezent) ca motoaretermice staionare n uzine, acionnd pompe, reductoare i mainiunelte.

Unul dintre cele mai vechi motoare cu aburi utilizate (inclusiv lalocomotive), adaptat prima dat tot de Watt, este motorul cu abur cutrei rezervoare de expansiune (vezi figura 12).

Nu doar c s-au mai pstrat unele motoare de acest gen, dar eleau nceput s fie reutilizate, datorit polurii reduse produse de ele, ia randamentului bun realizat. Dezavantajul lor principal, pentru careaproape c au disprut n epoca combustibililor de culoare neagr(dominat de petrol), era lipsa de compactitate. Un avantaj al lor este

ns faptul c aa cum au i debutat, ele pot folosi diveri combustibili,putnd fi utile pentru a diminua consumul de produse petroliere, irmnnd n via chiar i atunci cnd petrolul se va diminua, pn ladispariia sa.

Fiind motoare cu ardere extern, ele pot fi adaptate pentru afolosi diveri combustibili, cum ar fi biocombustibilii, alcoolii,hidrogenul, uleiurile vegetale, din semine, din soia, din alune, sauextrase din diverse plante, ori biocombustibilii extrai din alge marine

i oceanice, etc. Nu mai e nevoie s hrnim aceti cai putere nobilidoar cu crbuni de proast calitate, i s spunem apoi c acestemotoare scot fum urt mirositor (crbunele a reprezentat uncombustibil poluant al planetei).

Hai s ne imaginm, aceste bunicue i bunici modernizai, sne imaginm aceste motoare scoase de la naftalin, lustruite frumos,redesenate pe principii moderne, redimensionate la combustibilimoderni (compactizate), construite din materiale moderne (ceramice,super metale, aliaje speciale, etc.), i s ne gndim la faptul c ele potdeveni o surs real alternativ de transport, de motorizare, chiar iatunci cnd petrolul nu va mai fi, alturi de motoarele electricemoderne, alturi de motoarele cu ardere intern pe hidrogen,

mpreun cu celelalte tipuri de motoare termice cu ardere extern(Stirling).

Mai putem s ne imaginm apa nclzit pn la starea de vapori

cu ajutorul unor rezistene electrice moderne, prin inducie, cumicrounde, sau diverse mijloace moderne, utiliznd energia electricsolar, captat i stocat n acumulatori moderni. Rezultatul...,motoare termice puternice, robuste, dinamice, compacte, fr noxe,


18/165

17

fr petrol, fr fum, lucrnd cu randamente ridicate (nu doarmecanice ci i termice).

1.3. Motoarele cu ardere extern de tip Stirling

Tot n acest context se nscriu i motoarele Stirling moderne.

n figura 13 se poate vedea seciunea unui motor de tip BetaStirling cu mecanism de biel rombic.

[1peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenuiu nchis) - peretelerece al cilindrului (cu 3 - racorduri de rcire), 4 izolaie termic cesepar capetele celor doi cilindri, 5piston de refulare, 6piston depresiune, 7 -volani; Nereprezentate: sursa exterioar de energie i


19/165

18

radiatoarele de rcire. n acest desen pistonul de refulare este utilizatfr regenerator.]

Un motor de tip Beta Stirling are un singur cilindru n care sunt

aezate un piston de lucru i unul de refulare montate pe acelai ax.Pistonul de refulare nu este montat etan i nu servete la extragereade lucru mecanic din gazul ce se dilat, el avnd doar rolul de a

vehicula gazul de lucru ntre schimbtorul de cldur cald i cel rece.Cnd gazul de lucru este mpins ctre captul cald al cilindrului, sedilat i mpinge pistonul de lucru. Cnd este mpins ctre captulrece, se contract i momentul de inerie al motorului, de obicei mritcu ajutorul unui volant, mpinge pistonul de lucru n sensul opus,

pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul Alfa n acest caz seevit problemele tehnice legate de inelele de etanare de la pistonulcald. Cei patru timpi de funcionare a motorului Beta Stirling se pot

vedea n figura 14.

Un model Alfa Stirlingpoate fi urmrit n figura 15.

Un motor de tip Alfa Stirling conine dou pistoane de lucru,

unul cald i altul rece, situate separat n cte un cilindru. Cilindrupistonului cald este situat n interiorul schimbtorului de cldur detemperatur nalt, iar cel al pistonului rece n schimbtorul de cldurde temperatur sczut. Acest tip de motor are o putere litric foartemare dar prezint dificulti tehnice din cauza temperaturilor foartemari din zona pistonului cald i a etanrii sale. Funcionareamotorului Alfa Stirling poate fi descris n patru timpi:

Timpul 1: Cea mai mare parte a gazului de lucru este n contact cu

peretele cilindrului cald; ca urmare se nclzete mrindu-i volumul impingnd pistonul spre captul cilindrului. Dilatarea continu i ncilindrul rece al crui piston are o micare defazat cu 90 fa depistonul cilindrului cald, nsoit de extragere n continuare de lucrumecanic.

Timpul 2: Gazul de lucru a ajuns la volumul maxim. Pistonul ncilindrul cald ncepe s mping cea mai mare parte din gaz n cilindrulrece unde pierde din temperatura acumulat i presiunea scade.

Timpul 3: Aproape toat cantitatea de gaz este n cilindrul rece ircirea continu. Pistonul rece, acionat de momentul de inerie al

volantului sau o alt pereche de pistoane situate pe acelai arborecomprim gazul.


20/165

19

Timpul 4: Gazul ajunge la volumul minim i pistonul din cilindrul caldva permite vehicularea spre acest cilindru unde va fi nclzit din nou iva ncepe cedarea de lucru mecanic ctre pistonul de lucru.

Modelul Gamma Stirlingpoate fi urmrit n figura 16.

Un motor de tip Gama Stirling este un Beta Stirling la carepistonul de lucru este montat ntr-un cilindru separat alturat decilindrul de refulare, dar este conectat la acelai volant. Gazul din ceidoi cilindri circul liber ntre acetia. Aceast variant produce o ratde compresie mai mic dar este constructiv mai simpl i adeseori esteutilizat n motoare Stirling cu mai muli cilindri (n fig. 18 esteprezentat un 4 cilindrii alfa-Stirling cu randament ridicat, puterea,turaia i cuplul fiind mari, iar acionarea fcndu-se prin ardereasimultan a patru lumnri).

Pasionaii de motoare Stirling s-i fac obligatoriu o rezerv delumnri!


21/165

20

Fig. 18.Motor Stirling cu mai muli cilindrii

Funcionarea motorului Gama Stirling:

Timpul 1: n timpul acestei faze pistonul de lucru efectueaz o curs

minim, volumul total este minim. n schimb pistonul de refulareefectueaz o curs lung i gazul de lucru se nclzete.

Timpul 2: Pistonul de refulare are o curs scurt, pe cnd pistonul delucru efectueaz mai mult de 70% din cursa sa total. El genereazenergie mecanic.

Timpul 3: Pistonul de refulare efectueaz cea mai mare parte din cursasa: gazul este rcit. Pistonul de lucru are o curs scurt.

Timpul 4: Pistonul de refulare rmne n partea superioar acilindrului: gazul este complet rcit. Fa de acesta pistonul de lucruparcurge cea mai mare parte a cursei sale: comprim gazul i cedeazlucru mecanic n acest scop.


22/165

21

Un domeniu deosebit l reprezint motoarele Stirling "cupiston liber", ntre care se enumer i cele cu piston lichid i cele cudiafragm (vezi figura 17).

1.3.1. Descrierea motoarelor Stirling

n procesul de transformare a energiei termice n lucru mecanic,dintre mainile termice cunoscute, motorul Stirling este cel care poateatinge cel mai mare randament (teoretic pn la randamentul maxim al

ciclului Carnot), cu toate c n practic acesta este redus deproprietile gazului de lucru i a materialelor utilizate cum ar ficoeficientul de frecare, conductivitatea termic, punctul de topire,rezistena la rupere, deformarea plastic etc. Acest tip de motor poatefunciona pe baza unei surse de cldur indiferent de calitatea acesteia,fie ea energie solar, chimic, nuclear, biologic, etc.

Spre deosebire de motoarele cu ardere intern, motoareleStirling pot fi mai economice, mai silenioase, mai sigure n

funcionare i cu cerine de ntreinere mai sczute. Ele sunt preferaten aplicaii specifice unde se valorific aceste avantaje, n special ncazul n care obiectivul principal nu este minimizarea cheltuielilor deinvestiii pe unitate de putere (RON/kW) ci a celor raportate launitatea de energie (RON/kWh). n comparaie cu motoarele cuardere intern de o putere dat, motoarele Stirling necesit cheltuielide capital mai mari, sunt de dimensiuni mai mari i mai grele, din caremotiv, privit din acest punct de vedere aceast tehnologie este

necompetitiv. Pentru unele aplicaii ns, o analiz temeinic araportului cheltuieli-ctiguri poate avantaja motoarele Stirling fa decele cu ardere intern.

Mai nou avantajele motorului Stirling au devenit vizibile ncomparaie cu creterea costului energiei, lipsei resurselor energetice iproblemelor ecologice cum ar fi schimbrile climatice. Cretereainteresului fa de tehnologia motoarelor Stirling a impulsionatcercetrile i dezvoltrile n acest domeniu n ultima perioad.

Utilizrile se extind de la instalaii de pompare a apei la astronautic iproducerea de energie electric pe baz de surse bogate de energieincompatibile cu motoarele de ardere intern cum sunt energia solar,sau resturi vegetale i animaliere.


23/165

22

O alt caracteristic a motoarelor Stirling este reversibilitatea lor.Acionate mecanic, pot funciona ca pompe de cldur. S-au efectuatncercri utiliznd energia eolian pentru acionarea unei pompe decldur pe baz de ciclu Stirling n scopul nclzirii i condiionriiaerului pentru locuine pe timp friguros.

1.3.2. Istoric

Maina cu aer a lui Stirling (cum a fost denumit n crile din

epoca respectiv) a fost inventat de clericul Dr. Robert Stirling ibrevetat de el n anul 1816. Data la care s-a ncetenit denumireasimplificat de motor Stirling nu este cunoscut, dar poate fi estimatspre mijlocul secolului XX cnd compania Philips a nceput cercetrilecu fluide de lucru altele dect aerul (n instruciunile de utilizareMP1002CA este nc denumit ca 'motor cu aer'). Tema principal abrevetului se referea la un schimbtor de cldur pe care Stirling l -adenumit "economizor" pentru c poate contribui la economisirea decarburant n diferite aplicaii. Brevetul descria deci n detaliu utilizareaunei forme de economizor ntr-o main cu aer, care n prezent poartdenumirea de regenerator. Un motor construit de Stirling a fostutilizat la o carier de piatr pentru pomparea apei n anul 1818.Brevetele ulterioare ale lui Robert Stirling i ale fratelui su, inginerul

James Stirling, se refereau la diferite mbuntiri aduse construcieimainii originale, printre care ridicarea presiunii interne ceea ce acondus la creterea semnificativ a puterii, astfel nct n anul 1845 s-au putut antrena toate utilajele topitoriei de oel din Dundee.

Pe lng economisirea de carburani, inventatorii au avut nvedere i crearea unui motor mai sigur dect motorul cu abur la caren aceea vreme cazanul exploda uor (din cauza materialelor deproast calitate i a diferitelor tehnologii de atelier utilizate la vremearespectiv), adeseori cauznd accidente, i chiar pierderi de vieiomeneti.

Cu toate acestea obinerea unui randament mult mai ridicat cu

motoare Stirling, posibil prin asigurarea de temperaturi foarte mari, afost limitat mult vreme de calitatea materialelor disponibile la acelmoment, iar cele cteva exemplare construite au avut o durat de viaredus.


24/165

23

Defeciunile din zona cald a motorului au fost mai frecventedect se putea accepta, totui avnd urmri mai puin dezastruoasedect explozia cazanului unei maini cu aburi.

Cu toate c n cele din urm a pierdut competiia cu maina cuaburi n ceea ce privete locul de motor de acionare a utilajelor, lasfritul secolului XIX i nceputului de secol XX, au fost fabricate nschimb un numr mare de motoare Stirling cu aer cald (diferenadintre cele dou tipuri se estompeaz dac n multe din ele generatoruleste de eficien ndoielnic sau lipsete), gsindu-i utilizare peste totunde era nevoie de o putere medie sau mic dar sigur, cel mai adesea

n pomparea apei. Acestea funcionau la temperaturi sczute, ca

urmare nu solicitau prea tare materialele disponibile, astfel nctdeveneau destul de ineficiente, avantajele fa de mainile cu aburifiind operarea simpl putnd fi deservite de personalul casnic, ieliminarea pericolului unor posibile explozii periculoase. Cu trecereatimpului rolul lor a fost preluat de motoarele electrice sau demotoarele cu ardere intern, de mai mici dimensiuni, astfel c lasfritul anilor 1930 motorul Stirling a czut n uitare, fiind doar ocuriozitate tehnic reprezentat de cteva jucrii i instalaii de

ventilaie. n acest timp Philips, firma olandez de componenteelectrice i electronice a nceput cercetri privitoare la acest tip demotor. ncercnd s extind piaa pentru aparatele sale de radio nzonele unde nu exista reea de energie electric i alimentarea de labaterii cu durat de via scurt era nesigur, managementul firmei aconcluzionat c era nevoie de un generator portabil de putere redus,astfel c a nsrcinat un grup de ingineri de la laboratoarele sale dinEindhoven cu cercetrile. Studiind diferite motoare de acionare mai

vechi i mai noi, au fost respinse pe rnd pentru un motiv sau altul

pn ce alegerea a czut tocmai pe motorul Stirling. Silenios dinconstrucie, i neselectiv fa de sursa de energie termic (petrolullampant ieftin i disponibil peste tot) motorul Stirling prea s oferereale posibiliti. ncurajai de primul lor motor experimental careproducea o putere de 16 W la arbore la un cilindru cu diametrul de30 mm i o curs a pistonului de 25mm, au pornit un program dedezvoltare.

n mod uimitor activitatea a continuat i n perioada celui de aldoilea rzboi mondial, astfel c la sfritul anului 1940 s-a finalizatmotorul Type 10care era destul de performant pentru a putea fi cedatfilialei Johan de Witt din Dordrecht pentru producia n serie n cadrulunui echipament pentru generarea energiei electrice conform planului


25/165

24

iniial. Proiectul a fost dezvoltat cu prototipurile 102A, B i C,ajungndu-se la o putere de 200W (energie electric) la un cilindru cudiametrul de 55 mm i o curs a pistonului de 27mm la modelul

MP1002CA.

Producia primului lot a nceput n anul 1951, dar a devenit clarc nu se putea produce la un pre acceptabil pe pia, lucru la care s -aadugat apariia aparatelor radio cu tranzistor care aveau un consummult mai redus (mergeau pe baterii sau miniacumulatori) ceea ce afcut s dispar motivul iniial al dezvoltrii. Cu toate c MP1002CAera o linie moart, ea reprezint startul n noua er de dezvoltare amotoarelor Stirling (n termeni reali a fost un al doilea start, ratat, al

motorului Stirling).Datorit banilor investii i a cercetrilor finalizate, Philips adezvoltat motorul Stirling pentru o scar larg de aplicaii, dar succescomercial a avut doar motorul Stirling n regim invers utilizat ntehnica frigului. De fapt utilizat invers, el nu mai este un motorStirling ci o main de produs cldur (aa cum un motor cu ardereintern utilizat invers devine un simplu compresor, o pomp, etc).

Cu toate acestea (specialitii de la Philips) au obinut o serie de

brevete i au acumulat o cantitate mare de cunotine referitoare latehnologia motoarelor Stirling, care ulterior au fost vndute ca licenaltor firme.

1.3.3. Ciclul motor

Deoarece ciclul motorului Stirling este nchis, el conine ocantitate determinat de gaz numit "fluid de lucru", de cele mai multeori aer, hidrogen sau heliu. La o funcionare normal motorul esteetanat i cu interiorul lui nu se face schimb de gaz.

Un avantaj foarte mare al su fa de alte tipuri de motoare esteacela c nu sunt necesare supape (nu necesit unul sau mai multemecanisme de distribuie, care la motoarele de tip Otto sau Diesel,

rpesc de la 10 pn la 25% din puterea motorului, produc vibraii izgomote n funcionare, mresc gabaritul final al motorului, produc demulte ori zgomote caracteristice, mai mari la motoarele de tip Diesel,cunoscute de specialiti sub numele de bti, sau cnit de tachei,dei se datoreaz mai mult mecanismului culbutor; mecanismele de


26/165

25

distribuie, dei sunt construite solide au toate n lanul lor cinematicelemente cu elasticitate foarte mare, care determin n funcionaredeformaii mari, fcnd ca funcionarea dinamic s sufere mult).

Schimbul de gaze al motoarelor cu ardere intern, prin supape,sau ferestre, produce pierderi suplimentare de putere, vibraii izgomote suplimentare, ct i noxe mai mari, din acest punct de vederemotorul Stirling fiind net superior.

Chiar lipsa acestor schimburi de gaze cu mediul exterior, asigurla motoarele Stirling un randament mai mare, o poluare mult limitat,un pericol mult mai mic de incendiu sau explozie, comparativ cumotoarele cu ardere intern sau cu cele cu ardere extern cu aburi, ct

i o etaneitate mult sporit care le permite funcionarea mult maisigur chiar i n medii toxice, chimice, nucleare, marine, subacvatice,umede, inflamabile, cosmice, necunoscute, nesigure.

Gazul din motorul Stirling, asemntor altor maini termice,parcurge un ciclu format din 4 transformri (timpi): nclzire,destindere, rcire i compresie. Ciclul se produce prin micareagazului nainte i napoi ntre schimbtoarele de cldur cald i rece.

Schimbtorul de cldur cald este n contact cu o surs decldur extern de exemplu un arztor de combustibil, iarschimbtorul de cldur rece este n legtur cu un radiator extern deexemplu radiator cu aer. O schimbare intervenit n temperaturagazului atrage dup sine modificarea presiunii, n timp ce micareapistonului contribuie la compresia i destinderea alternativ a gazului.

Comportarea fluidului de lucru este conform legilor gazelorperfecte care descriu relaia dintre presiune, temperatur i volum.

Gazul fiind n spaiu nchis, la nclzire se va produce o cretere depresiune care va aciona asupra pistonului de lucru cauznd deplasareaacestuia. La rcirea gazului presiunea scade, deci va fi nevoie de maipuin lucru mecanic pentru comprimarea lui la deplasarea pistonului

n sens invers, rezultnd un excedent de energie mecanic.

Multe motoare Stirling performante sunt presurizate, adicpresiunea medie din interior este mai mare dect cea atmosferic.

Astfel masa fluidului de lucru este mai mare, ca urmare cantitatea de

energie caloric vehiculat, deci i puterea motorului va fi mai mare.Creterea presiunii atrage i alte modificri cum ar fi mrireacapacitii schimbtoarelor de cldur precum i cea a regeneratorului.

Aceasta la rndul ei poate mri spaiile neutilizate precum i rezistena


27/165

26

hidrodinamic cu efect negativ asupra puterii dezvoltate. Construciamotorului Stirling este astfel o problem de optimizare inginereasc amai multor cerine de multe ori contradictorii.

Experienele cu aer sub presiune au fost cele care au condusfirma Philips la trecerea de la aer la alte gaze ca fluid de lucru. Latemperaturi mari, oxigenul din aer avea tendina de a reaciona culubrifianii motorului, acetia fiind ndeprtai de pe segmenii deetanare, colmatnd schimbtoarele de cldur i prezentnd chiar ntimp pericol de explozie. Ulterior s-a constatat c anumite gaze cumar fi hidrogenul i heliul prezint i alte avantaje vizavi de aer.

Fig. 19.Un ansamblu motor Stirling generator electric cu o putere nominal de55 kW, pentru utilizare combinat ca surs de cldur i energie electric

Dac un capt al cilindrului este deschis, funcionarea este puindiferit. n momentul n care volumul nchis ntre piston i cilindru se

nclzete, n partea nclzit se produce dilatarea, mrirea presiunii,

care are ca rezultat micarea pistonului. La atingerea suprafeei reci,volumul gazului se reduce rezultnd reducerea presiunii sub valoareapresiunii atmosferice i astfel se produce micarea pistonului n sensinvers.


28/165

27

n concluzie, motorul Stirling utilizeaz diferena de temperaturdintre cele dou zone, cea cald i cea rece, pentru a crea un ciclu dedilatare-contractare a unui gaz de mas dat n interiorul unei mainipentru conversia energiei termice n lucru mecanic. Cu ct este maimare diferena ntre temperaturile celor dou zone, cu att mai mareeste randamentul ciclului su.

Generatoare puternice staionare sau mobile (fig. 19) suntconstruite astzi cu ajutorul motoarelor Stirling, care acioneaz ungenerator electric, putndu-se obine astfel i cldur i curent electric,

n locuri izolate, n spitale, n uzine, hoteluri, instituii, etc, fie atuncicnd sunt izolate, fie ca o rezerv n cazul cderii curentului n

anumite situaii speciale (incidente, cutremure, furtuni, inundaii,defectarea reelei electrice sau cderea unui transformator, etc).

Mici motoare experimentale (fig. 20) au fost construite pentru afunciona la diferene de temperatur mici, de pn la 7C care aparde exemplu ntre palma minii i mediul nconjurtor sau ntretemperatura camerei i temperatura de topire a gheii.

Fig. 20.Un motor Stirling care funcioneaz

cu diferene mici de temperatur, cum ar fi

diferena dintre temperatura ambiant i

cea a minii unui om sau a unei buci de ghea

1.3.4. Regeneratorul

Regeneratorul a fost elementul cheie inventat de Robert Stirlingi prezena sau lipsa lui face deosebirea dintre adevratul motorStirling i o alt main de aer cald. n baza celor spuse, multemotoare care nu au un regenerator vizibil cu mici rezerve pot fi


29/165

28

categorisite ca motoare Stirling n sensul c la versiunile beta i gamacu piston de refulare fr segmeni, acesta i suprafaa cilindrului facun schimb termic periodic cu gazul de lucru asigurnd un oarecareefect de recuperare. Aceast rezolvare se regsete adesea la modelede mici dimensiuni i de tip LTD unde pierderile de flux suplimentarei volumele neutilizate pot fi contraproductive, iar lipsaregeneratorului poate fi chiar varianta optim.

ntr-un motor Stirling regeneratorul reine n interiorulsistemului termodinamic o parte din energia termic la o temperaturintermediar care altfel ar fi schimbat cu mediul nconjurtor, ceea ce

va contribui la apropierea eficienei motorului de cea a ciclului Carnot

lucrnd ntre temperaturile maxim i minim.Regeneratorul este un fel de schimbtor de cldur n carefluidul de lucru i schimb periodic sensul de curgere a nu seconfunda cu un schimbtor de cldur n contracurent n care doufluxuri separate de fluid circul n sensuri opuse de o parte i de alta aunui perete despritor.

Scopul regeneratorului este de a mri semnificativ eficiena prinreciclarea energiei termice din ciclu pentru a micora fluxurile

termice din cele dou schimbtoare de cldur, adeseori permindmotorului s furnizeze o putere mai mare cu aceleai schimbtoare decldur.

Regeneratorul este n mod obinuit constituit dintr-o cantitatede fire metalice, de preferin cu porozitate sczut pentru reducereaspaiului neutilizat, cu axa plasat perpendicular pe direcia fluxului degaz, formnd o umplutur de plase. Regeneratorul este situat ncircuitul gazului ntre cele dou schimbtoare de cldur. n timpul

vehiculrii gazului ntre schimbtorul de cldur cald i cel rece,90%din energia sa termic este temporar transferat la regenerator, saurecuperat de la el.

Regeneratorul recicleaz n principal cldura neutilizat ceea cereduce fluxurile de energie termic transmise de cele douschimbtoare de cldur.

Apare necesitatea renunrii la unele avantaje n favoarea altora

mai ales la motoarele cu putere litric (raport dintre putere i cilindree)mare (motoare HTD), astfel regeneratorul va trebui proiectat cu grijpentru a obine un transfer de cldur mare la pierderi micidatorate rezistenelor hidrodinamice i un spaiu neutilizat ct


30/165

29

mai redus. La fel ca la schimbtoarele de cldur cald i rece,realizarea unui regenerator performant este o problem de optimizare

ntre cele trei cerinemai sus amintite.

1.3.5. Bazele teoretice

Ciclul Stirling ideal (figura 21) este un ciclu termodinamic cudou izocore i dou izoterme. Este ciclul termodinamic cel maieficient realizabil practic cunoscut pn n prezent, eficiena sa

teoretic egalnd-o pe cea ipotetic a unui ciclu Carnot (ideal). Cutoate acestea problemele de ordin tehnic care apar reduc eficiena nrealizarea lui (practic) construirea unui mecanism mai simplu fiindmai avantajoas, comparativ cu posibilitatea realizrii unui ciclu ctmai apropiat celui teoretic.

Fig. 21.Diagrama p-V a proceselor (transformrilor) unui motor Stirling

Gazul de lucru este supus unui ciclu de dilatri i comprimrisuccesive, compus din dou transformri izoterme i doutransformri izocore.

Se utilizeaz urmtoarele prescurtri (notaii), (1):


31/165

30

][inf

][sup

][infsup,

.

.

][

][

][

3

41

3

32

0

meriormortpunctulnvolumulVV

meriormortpunctulnvolumulVV

KerioarsierioaratemperaturTT

Kmol

JgazuluiauniversalconstR

Kmol

JcstvlamolarcaloricacapacitateC

molgazuluimasan

JefectuatmecaniclucruL

JcldurdecantitateaQ

v

(1)

Timp 1 1-2 pe grafic este o destindere izoterm (la temperaturconstant) n cursul creia gazul efectueaz lucru mecanic asupramediului. Cldura absorbit Q i lucrul mecanic efectuat L12 suntlegate prin formula (2):

1

2

1212 ln

V

VTRnLQ (2)

Timp 2 2-3 pe grafic este o rcire izocor (la volum constant) ncursul creia prin cedare de cldur ctre regenerator gazul este adus

n starea iniial. Cldura cedat se determin cu formula (3):

023

TTCnQv

(3)

Timp 3 3-4 pe grafic este o comprimare izoterm (se petrecepermanent la temperatur constant) n cadrul creia lucrul mecanic


32/165

31

necesar modificrii volumului L34 este egal cu cldura cedat, Q0(relaia 4).

4

3

034340 ln

V

VTRnLQQ (4)

Timp 4 4-1 pe grafic este o nclzire izocor (are loc la volumconstant) n cursul creia cldura absorbit n timpul 2 de ctreregenerator este cedat (restituit) gazului (relaia 5), valoarea acesteiafiind:

041

TTCnQv

(5)

Fig. 22.Bilanul energetic

Lucrul mecanic util apare n diagrama p-V din figura 21, elreprezentnd aria sau suprafaa nchis de curba ciclului, pe cnd ntr -o diagrama T-s (entropie-temperatur) el ar apare ca un rezultat aldiferenei dintre energia caloric absorbit i cea cedat, fiind cel careproduce puterea util Wt (figura 22). Lucrul mecanic util estereprezentat i n bilanul energetic din schia de mai sus (figura 22),(relaia 6).

0

0

QQQQL

LQQ

cedabs

(6)


33/165

32

Utiliznd formulele de mai sus pentru Q i Q0 lucrul mecanicutil capt forma din relaiile 7:

0

4

3

1

2

4

3

0

1

2

4

3

0

1

2

ln

lnln

ln

TTV

VRnL

V

V

V

V

V

V

V

VT

V

VTRnL

V

VTRn

V

VTRnL

pmi

pme

pmi

pme

(7)

Fig. 23.Randamentul ciclului Carnot n funcie de temperatura T

Punctul slab declarat al motoarelor Stirling l reprezintrandamentul ciclului energetic (randamentul ciclului Carnot). nprincipiu motoarele Stirling nu pot atinge un randament Carnot nalt(vezi figura 23), deoarece temperatura de lucru maxim este limitat


34/165

33

de temperatura sursei calde. n practic gazul de lucru nu poate finclzit peste temperatura de 800[0K] (527 [0C]). La aceste diferenede temperatur mici randamentul Carnot este de cca 66% i sesitueaz astfel mult sub cel al motoarelor cu ardere intern uzuale .Motoarele cu ardere intern ating frecvent temperaturi de 727 [0C](1000 [0K]), pentru care randamentul energetic al ciclului Carnot estede circa 76%.

Aceast problem se manifest i la termocentralele dotate doarcu turbine cu abur, pe partea de producere a curentului electric, careating 66 % din randamentul lor Carnot, rezultnd un randament

efectiv de puin peste 40%. Motoarele Stirling actuale ating 50-60 %din randamentul lor Carnot, i lucreaz cu un randament efectivcorespunztor mai mic.

1.3.6. Utilizri

Motoarele Stirling au astzi diferite ntrebuinri.Motoarele Stirling sunt utilizate n mod deosebit n mediile

naturale, neprielnice, n locurile izolate, etc.

Generatoare puternice staionare sau mobile (fig. 19) suntconstruite astzi cu ajutorul motoarelor Stirling, care acioneaz ungenerator electric, putndu-se obine astfel i cldur i curent electric,

n locuri izolate.

Teoretic orice diferen de temperatur va pune n funciune unmotor Stirling. Sursa de cldur poate fi att energia degajat prinarderea unui combustibil (ceea ce ndreptete utilizarea termenuluide motor cu ardere extern) ct i energia solar, geotermal, nuclear,sau chiar de origine biologic, caz n care motorul Stirling utilizat numai poate fi denumit motot termic cu ardere extern, ci motor termiccu utilizarea unei surse de energie extern. Aa cum am mai artat dejael poate funciona prin utilizarea unui gradient termic.

Acest gradient termic (diferen de temperatur) poate ficonsiderat n ambele sensuri (pozitiv sau negativ), astfel nctmotoarele Stirling pot funciona nu doar atunci cnd sursa extern detemperatur este mai cald dect sursa intern (a mediului ambiant), ci


35/165

34

i cnd aceasta este mai rece (dect temperatura mediului ambiant),fiind utilizat n acest scop ghea sau zpad. Sursa rece apare nlocul unde se utilizeaz lichide criogenice sau ghea. Pentru a seputea genera puteri semnificative la diferene mici de temperaturi estenevoie a se vehicula mari cantiti de fluid prin schimbtorul decldur extern, ceea ce va cauza pierderi suplimentare i va reducerandamentul ciclului. Deoarece sursa de cldur i gazul de lucru suntseparate printr-un schimbtor de cldur, se poate apela la o gamlarg de surse de cldur inclusiv carburani sau cldur rezidualrezultat din alte procese. Avnd n vedere c acestea nu intr ncontact cu piesele interne n micare, motorul Stirling poate funcionai cu biogaz cu coninut de siloxan, fr a exista pericolul acumulrii

de silicai cea ce ar deteriora componentele cum ar fi de altfel cazul lamotorul cu combustie intern ce ar utiliza acelai tip de carburant.Durata de via a lubrifianilor este semnificativ mai mare dect lamotorul cu ardere intern, cea ce constituie un alt avantaj semnificatival motoarelor Stirling comparativ cu cele cu ardere intern.

La U.S. Department of Energy in Washington, NASA GlennResearch Center (din Cleveland), se studiaz un motor cu pistonliber (tip Stirling) pentru un generator pe baz de izotopi radioactivi.

Acest dispozitiv va utiliza o surs de cldur bazat pe plutoniu.n cadrul Los Alamos National Laboratory s-a dezvoltat o

"main termic Stirling cu unde acustice" fr elemente n micare.Aceast main transform cldura n unde acustice de putere care(citat din sursa indicat) "pot fi utilizate direct n refrigeratoare cuunde acustice sau refrigeratoare cu tuburi de impuls pentru a producefrig prin intermediul unei surse de cldur fr a utiliza piese n

micare, sau (...) pentru a genera curent electric cu ajutorul unuigenerator liniar sau un alt transformator de putere electroacustic".

Evident motorul Stirling este i aici utilizat pentru generarea desau i de energie electric, cldura care este utilizat ca surs deenergie putnd a fi luat din diverse surse.

Pe baza acestui principiu putem astzi s prelum i

transformm cldura excesiv care apare ziua n nisipul de suprafadin zonele de deert, n energie electric. Zona rece fiind nisipul de laadncime mai mare, sau chiar aerul din mediul nconjurtor.


36/165

35

n deert diferenele de temperatur sunt mai mari, deoarecenisipul de suprafa se ncinge ziua, foarte mult.

Se cuvine n acest moment s facem o mic parantez

referitoare la deertul Sahara (a se vedea fig. 24).

Fig. 24.Deertul Sahara cel mai mare de pe Terra

Saharacu cele 9.000.000 km este deertul cel mai mare depe Pmnt. Sahara cuprinde o treime dinAfrica (adic aproximativsuprafaa Statelor Unite ale Americii, sau de 26 ori mai mare dectsuprafaaGermaniei). Acest deert uscat se ntinde de la rmulOceanului Atlantic pn laMarea Roie,alctuind un trapez cu o

lungime a laturii de la est-vest de circa 1.500 - 2.000 km, iar la nord-sud cu o lungime a bazelor de 4.500 5.5000 km. Cea mai mare partea pustiului este stncoas (Hamada) cu pietri (Serir), pustiul de nisip(Erg) ocupnd o suprafa mai redus.

Denumirea Saharaprovine din limba arab - Sahara care ndialectal tuaregnseamn deertul de nisip. O alt ipotez este aceeac proveniena expresiei ar fi sahraa sau es-sah-ra care nseamnsterp, steril. Romanii au numit inutul din sudul provinciei

Cartagina Deserta (adic inut nelocuit, prsit). n Evul Mediu eranumit pur i simplu Marele Deert, iar n secolul al XIX-lea a primitdenumirea de azi - Sahara. Arabii denumesc Sahara Bahr bela mace ar nsemna Mare fr ap.


37/165

36

Deertul Sahara ocup aproape n ntregime nordul Africii,extins pe 5630 km de la vest la est, respectiv de la Oceanu l Atlantic ipn la Marea Roie, i pe 1930 km de la nord la sud, de la munii

Atlas i rmul Mrii Mediteranei pn n zona savanelor dinregiunea Sudan.

n sens restrns, se ntinde n est numai pn la Valea Nilului;deertul de la est de Nil, pn la Marea Roie, este cunoscut subnumele de Deertul Arabiei. Sahara ocup mari poriuni dinstatele Maroc, Algeria, Tunisia, Libia, Egipt, Mauritania, Mali, Niger,Ciad, Sudan i o mic parte dinSenegal i Burkina Faso.

Clima este tropical-deertic, cu temperaturi medii ridicate

(38 C), deosebit de fierbinte i uscat; vntul dominant tot timpulanului este vntul Pasat, un vnt uscat ce aduce ploi rare. Vntul ivariaiile mari de temperatur de la zi la noapte au determinatformarea deertului. Iarna, pe timpul nopii temperatura aerului scadepn la -10 grade, pe cnd vara poate atinge n timpul zilei 58 de gradeCelsius. Precipitaiile sunt reduse (20-200 mm/an)i au loc diferenetermice diurne foarte mari (30 C n aer i 70C pe sol).

Temperatura medie a lunii ianuarie este de +10 C, iar a lunii iulie

35 C. Lipsit de cursuri de ap permanente, reeaua hidrografic estereprezentat prin ueduri (canale secetoase), care se umplu cu ap ntimpul ploilor ocazionale.

Deertul Sahara reprezint un potenial energetic foarte mare(mai ales ziua, n lunile calde ale anului).

Iat c temperaturile de var ale solului, ziua, ating frecvent 70[0C] (343 [0K]), ceea ce ar permite la utilizarea unui motor de tipStirling obinerea unui randament energetic de tip Carnot de circa 20-25%, adic o treime sau chiar aproape jumtate din randamentulmaxim cu care lucreaz aceste tipuri de motoare n mod normal.

Diferena de temperatur sol-aer de 30-400 mai scade puinrandamentul, dar utiliznd diferena de temperatur dintre solul desuprafa i cel de la adncime de circa 500, se poate obine unrandament satisfctor.

O montare efectiv a unui astfel de motor de tip Stirling, demare putere, care s acioneze un generator de cureni electricialternativi de nalt frecven, ar putea dona n zona deertului, vara,pe timpul zilei, mult mai mult energie dect sistemele solare


38/165

37

(centralele solare) care se monteaz n prezent n zonele respective, cucondiia supranclzirii permanente a zonei de sol (fie ea nisip, pietri,sau stnc) din care motorul respectiv i ia temperatura cald,supranclzire ce se va face tot ca la uzinele solare moderne, prinoglinzi focalizate pe zona respectiv; n acest fel locul care trebuie sfie o surs cald va rmne fierbinte n permanen pe timpul zilei(nefiind influenat de cldura preluat de motor), iar n plus nu numaic se va menine zona cald dar ea va deveni chiar i mai cald, fapt ce

va determina creterea randamentului Carnot, al motorului, de la 15-20%, la valori mult mai mari, cu att mai mari cu ct temperaturanisipului va fi mai ridicat.

Aceast metod permite obinerea de energie (electric) pe timpde zi n orice anotimp, deci nu doar vara, i n plus ea poate fipracticat oriunde, nemaifiind necesar o zon de deert.

n zonele cu gheizre naturale, putem lua cldura de la apa sau

de la vaporii de ap supranclzii care nesc la suprafa (figura 25),i s o utilizm ca surs cald pentru motoare de tip Stirling.

Fig. 25.Uzine termoelectrice cu gheizre; gheizre naturale

Think Nordic o firm ce produce automobile electrice nNorvegia, n colaborare cu inventatorul Dean Kamen lucreaz, demai muli ani, la proiecte de instalare de motoare Stirling Think City(un alt tip de automobil "all-electric") care ar putea fi pus la punct degrupuri de cercetare reunite pentru introducerea lor (cu mbuntirileaferente) mcar, pentru nceput, pe piaa European.


39/165

38

Compania MSI lucreaz la un cooler pentru rcireacomponentelor de calculator bazat pe principiul motorului Stirling.

Acesta folosete ca surs de energie exterioar chiar cldura produsde componentele electronice, cldur ce trebuie eliminat din sistemprin cooler; nu se consum energie electric, pentru acionarea unuiastfel de cooler, i n acest fel se realizeaz un consum mai sczut lacomputerul ce utilizeaz un astfel de sistem de rcire.

Motoarele de tip Stirling ar putea lucra i sub ap, dac sunt bineetanate, prezentnd avantaje clare comparativ cu celelalte tipuri demotoare.

Ele sunt mai uor de etanat i ntreinut sub ap, dar n plus, nanumite zone subacvatice, nu ar mai necesita nici energia de acionare,acionndu-se singure pe baza gradientului de temperatur dintre doicureni submarini, unul cald i altul rece, sau a diferenei detemperatur dintre un curent submarin cald ori rece i temperatura

stncii sau terenului n care e montat motorul.

Principiul pe care se construiesc noile uzine solare (a se vedeafigura 26) este concentrarea luminii (energiei) solare cu ajutorul unoroglinzi pe un cazan cu ap montat ntr-un turn, cazan care sesupranclzete.

Vaporii fierbini de ap acioneaz un motor cu aburi care

antreneaz generatorul de curent electric.

Fig. 26.Uzine solare moderne; de tip stadion, amfiteatru, sector circular

n locul motorului cu aburi se poate monta cu succes un motorStirling de mare putere.


40/165

39

Asemenea uzine pot lucra oriunde, n orice anotimp, pe perioadact cerul este luminat (adic numai ziua), producnd cantiti mari de

energie electric curat, prietenoas (nepericuloas), regenerabil (nunecesit combustibili sau alte materiale ce se pot epuiza n timp, razelesolare regenerndu-se n permanen), sustenabil (sustenabil npermanen, atta timp ct soarele va dinui), i ieftin, nemaifiindnecesare panourile cu celule fotovoltaice, extrem de scumpe i dificilde realizat tehnologic, care aveau i pierderi mari de energie nmomentul conversiei (realizau un randament mic al conversiei).

i la motoarele cu aburi i n cazul utilizrii unor motoareStirling, randamentul ciclului energetic crete odat cu sporireatemperaturii, lucru uor de realizat n cadrul unor astfel de uzinesolare cu turn, prin creterea suprafeei unei oglinzi, printr-o orientare(focalizare mai bun), sau prin ceterea numrului de oglinzireflectoare care preiau lumina soarelui i o reflect asupra turnului.

La atingerea unei temperaturi de 1327 [0

C] cnd se poate obineun randament al ciclului energetic al motorului de circa 85%, esteobligatoriu s ne oprim deoarece sporirea n continuare a temperaturiinu mai poate crete randamentul Carnot al motorului utilizat,randament ce intr pe un palier (a se revedea figura 23), n schimbsuprasolicitm materialele din care este construit cazanul din turn,riscnd chiar s le topim, sau s topim sudurile.

Motorul cu aburi nu poate s-i sporeasc foarte mult

randamentul la ridicarea temperaturii, deoarece apa fierbe tot la 100[0C]. Motorul Stirling practic nu are nevoie de sporirea presiuniiaburilor i nici nu prezint riscul mare de explozie a cazanului, ca lamotoarele cu aburi, el permind utilizarea aerului cald, a altor gazecalde (hidrogen, heliu, etc) i poate chiar a unor lichide care pot fialtele dect apa i se pot afla n starea lor lichid dar i mai ales n ceagazoas, la temperaturi foarte ridicate de lucru.

Uzinele solare moderne sunt mult mai eficiente i mai curatecomparativ nu doar cu energiile obinute clasic ci i fa de energiilesolare obinute cu panouri fotovoltaice, sau energiile eoliene. n plusuzinele eoliene nu se pot monta dect n locurile n care curenii de


41/165

40

aer sunt foarte puternici n permanen (practic n foarte puine locuride pe glob).

Aezat direct n focarul unei oglinzi parabolice, un motor Stirlingpoate fi utilizat ca generator de curent electric cu un randament maibun dect panourile solare cu celule fotovoltaice simple i comparabilcu cel al panourilor solare cu celule fotovoltaice cu concentrator.

Pe data de 11 august 2005 Southern California Edison a fcutpublic un contract privind cumprarea ealonat pe 20 ani a 20000

buci de motoare Stirling acionate cu energie solar de la firmaStirling Energy Systems n scopul construirii unei centrale solare.Aceste sisteme vor fi montate pe o suprafa de 19km cu utilizareade oglinzi parabolice capabile s se orienteze dup soare i sconcentreze lumina solar pe motoarele Stirling ce acioneazgeneratoare de curent electric, cu o putere instalat total de 500MW.

Nu e nevoie neaprat s supranclzim un cazan foarte mare cares mite un motor uria, se pot construi multe motoare Stirling deputere medie fiecare, care s aib o surs de lumin focalizat undevape el n dreptul sursei permanent calde (schimbtorului de cldur cedoneaz cldur sistemului).

Un astfel de sistem (vezi figura 27) va avea montat pe el i ungenerator de curent electric. O armat de astfel de sisteme va genera

permanent energie electric n cantitate mare. Preul de fabricaie estemai ridicat dar costurile de montaj i ntreinere sunt mai sczute.

Aceste sisteme se pot monta n numr mare pe un teren avnd osuprafa considerabil, caz n care se obine o adevrat uzinelectric modern, sau pot fi distribuite la casele cu curte individual, nnumr mai mic, un astfel de sistem ntr-o curte, eventual dou-treipentru o gospodrie mai mare.

n figura 27 se poate vedea un dispozitiv cu motor Stirlingmontat pe o oglind parabolic n punctul ei focal, cu scopul de a


42/165

41

mica ntregul ansamblu orientndu-l dup soare, pe parcursul ntregiizile. Un astfel de dispozitiv cu motor Stirling n focar, poate doar santreneze oglinda parabolic ce va ndeplini diverse funcii, sau poatefi i un minisistem cu antrenarea unui generator electric, generndpermanent (numai n timpul zilei) energie electric.

Fig. 27.Oglind parabolic cu motor Stirling n punctul focal idispozitivul sude orientare dup soare la platforma Solar de Almeria (PSA), Spania

Prin cogenerare, dintr-o surs de energie preexistent, de obiceiun proces industrial, cu ajutorul unei instalaii, pe lng puterea

mecanic sau electric livrat,se asigur cldur necesar nclzirii. nmod normal sursa de cldur primar constituie intrarea pentrunclzitorul motorului Stirling i ca atare va avea o temperatur maimare dect sursa de cldur pentru aplicaia de nclzire constituit dinenergia evacuat din motor.


43/165

42

Puterea produs de motorul Stirling este utilizat adesea nagricultur n diferite procese, n urma crora rezult deeuri debiomas care la rndul lor pot fi utilizate drept combustibil pentrumotor evitndu-se astfel costurile de transport i depozitare ade eurilor. Procesul n general abund n resurse energetice fiind nansamblul lui avantajos din punct de vedere economic.

Fig. 28.Motor Stirling utilizat n cogenerare (Colecia Tehnic Hochhut dinFrankfurt am Main)


44/165

43

Firma WhisperGen cu sediul n Christchurch/Noua Zeeland, adezvoltat o microcentral cu cogenerare ("AC Micro Combined Heatand Power") bazat pe ciclul Stirling. Aceste microcentrale suntsisteme de nclzire alimentate cu gaz metan care furnizeaz i energieelectric n reea. WhisperGen a anunat n 2004 c va produce 80000centrale de acest tip pentru locuinele din Marea Britanie. Un lot 20 decentrale a nceput testul n Germania n anul 2006.

n centralele nucleare exist posibilitatea utilizrii mainilorStirling pentru producerea de energie electric. nlocuind turbinele cuabur cu motoare Stirling, se poate reduce complexitatea construciei,

se poate obine un randament mai mare, i se pot reduce reziduurileradioactive. Anumite reactoare de mbogire a uraniului utilizeazprin construcie sodiu lichid ca agent de rcire. Dac energia termiceste utilizat n continuare ntr-o central cu abur este nevoie deschimbtoare de cldur ap/sodiu ceea ce mrete gradul de pericoldatorit posibilitii producerii reaciei violente a sodiului cu apa n cazde contact direct. Utilizarea motorului Stirling face ca apa s fieeliminat din ciclu.

Fig. 29.SRG (Stirling Radioisotope Generator)


45/165

44

Laboratoarele guvernamentale din SUA au dezvoltat un motorStirling modern sub numele de SRG (Stirling RadioisotopeGenerator) pentru a putea fi utilizat n explorri spaiale. Este destinatgenerrii de energie electric pentru sonde spaiale ce prsescsistemul solar cu o durat de via de mai multe decenii (fig. 29).

Acest motor utilizeaz un singur piston de refulare (pentru areduce piesele n micare) i unde acustice de mare energie pentrutransferul de energie. Sursa de cldur este un bloc de combustibilradioactiv, iar cldura rezidual este eliminat n spaiu. Acestansamblu produce de patru ori mai mult energie din acelai bloc decombustibil comparativ cu un genearator similar de tip RTG

(radioisotope thermoelectric generator).

Teoretic motoarele Stirling ar prezenta avantaje i ca motoare deavion. Sunt mai silenioase i mai puin poluante, randamentul cretecu altitudinea (randamentul motoarelor cu ardere intern scade cualtitudinea), sunt mai sigure n funcionare datorit componentelormai puine, mai ales componentele mobile, i lipsei sistemului deaprindere, produc mai puine vibraii (structura de rezisten va avea o

durat mai lung), sunt mai fiabile, i mai sigure putnd utilizacombustibil mai puin explozibil.

Kockums, constructorul Suedez de nave a construit n cursulanului 1980 cel puin 8 submarine de clasa Gotland avnd motoarelede acionare de tip Stirling.

n industria de automobile neutilizarea motoarelor Stirlingpentru acionarea autovehiculelor, adesea se argumenteaz prinraportul putere/greutate prea mic i un timp de pornire prea lung.

Alturi de proiecte de la Ford i American Motor Companies laNASA s-au construit cel puin dou automobile acionate exclusiv cumotoare Stirling. Problemele cele mai mari rezid n timpul de pornirelung, rspunsul lent la accelerare, oprire i sarcin la care nu s-a gsit orezolvare aplicabil imediat. Muli consider c acionarea hibrid arelimina aceste neajunsuri, dar deocamdat nu a fost construit nici-un

vehicul pe aceast baz. Vehiculele proiectate la NASA au fostdenumite MOD I i MOD II. n cazul lui MOD II s-a nlocuit unmotor normal cu aprindere prin scnteie dintr-un Chevrolet Celebrity


46/165

45

hatchback cu 4 ui din 1985. n raportul publicat n 1986 la anexa Ase precizeaz c att pe autostrad ct i n ora consumul a sczutpentru automobilul de litraj mediu de la 5,88 l/100km la4,05 l/100km, iar pentru automobilul de mare litraj de la9,05 l/100km la 7,13 l/100km.

Timpul de pornire al vehiculului de la NASA a fost de 30 s, ntimp ce automobilul pilot de la Ford utiliznd un prenclzitor electricdin zona de aer cald a reu it s porneasc doar n cteva secunde.

Cu ani n urm, William Beale de la compania Sunpower, ainventat un motor hibrid, care combin ingenios un motor Stirlig detip alfa avnd patru cilindri, cu o turbin cu gaz la ieire (a se vedeafigura 30).

Fig. 30.Hibrid compus dintr-un 4 cilindri alfa-stirling + o turbin cu gaz

Cei patru cilindri acioneaz fiecare pistoanele unui compresorde gaz, gazul comprimat ieind cu presiune pe fiecare din cele patruajustaje acionnd astfel paletele turbinei rotative. Sistemul are


47/165

46

avantajul principal al realizrii unei puteri specifice ridicate, ncondiiile unei funcionri relativ silenioase pentru un astfel desistem, avnd totodat i via lung datorit puinelor componentemobile (i mai puine frecri) i a presiunilor i temperaturilor multmai sczute comparativ cu cele ale unui sistem realizat cu un motor cuaburi, sau cu unul cu ardere intern.

Orice main Stirling poate lucra n regim invers ca pomp decldur; dac se introduce lucru mecanic prin acionarea mainii, ntrecilindri apare o diferen de temperatur. Una din utilizrile moderneeste n industria frigului ca instalaii frigorifice i criogenice(cryocooler). Componentele principale al unui cryocooler sunt

identice cu cele ale mainii Stirling. Rotirea axului motor va producecomprimarea gazului producnd creterea temperaturii acestuia. Prinmpingerea gazului ntr-un schimbtor, cldura va fi livrat. n fazaurmtoare gazul va fi supus unei destinderi n urma creia se va rci i

va fi vehiculat spre cellalt schimbtor de unde va prelua cldur dinnou. Acest schimbtor este situat ntr-un spaiu izolat termic cum estede exemplu un frigider. Acest ciclu se repet la fiecare rotaie aarborelui. De fapt cldura este extras din compartimentul rcit i estedisipat n mediul nconjurtor. Temperatura n compartiment vascdea din cauza izolaiei termice care nu permite intrarea cldurii. Lafel ca la motorul Stirling, randamentul se mbuntete prin utilizareaunui regenerator care creeaz un tampon pentru cldur ntre celedou capete cu temperaturi diferite. Primul cryocooler bazat pe cicluStirling a fost lansat pe pia n anul 1950 de firma Philips i a fostutilizat n staii de producere a azotului lichid. O gam larg decryocoolere mai mici sunt produse pentru diferite aplicaii cum ar fircirea senzorilor. Refrigerarea termoacustic se bazeaz pe ciclul

Stirling creat ntr-un gaz de ctre unde sonore de mare amplitudine.

O pomp de cldur Stirling se aseamn foarte mult cu uncryocooler Stirling, diferena constnd n faptul c pompa de cldurlucreaz la temperatura camerei i rolul ei principal este de a pompacldur din afara cldirii n interior pentru a asigura o nclzire ieftin.Ca i la alte maini Stirling i n acest caz cldura trece dinspre zona de

destindere spre zona de compresie, totui spre deosebire de motorulStirling zona de destindere se afl la o temperatur mai sczut dectcea de compresie, astfel c n loc s se produc lucru mecanic, estenecesar furnizarea lui de ctre sistem pentru a satisface cerinele celeide-a doua legi a termodinamicii. Zona de destindere a pompei de


48/165

47

cldur este cuplat termic la o surs de cldur, care adeseori estemediul nconjurtor. Partea de compresie a mainii Stirling este situat

n spaiul ce va fi nclzit, spre exemplu o cldire. n modobinuit vaexista o izolare a spaiului din cldire de mediul exterior, ceea ce vapermite creterea temperaturii interioare. Pompele de cldur sunt pedeparte cele mai eficiente sisteme din punct de vedere energetic.

Capacitatea motoarelor Stirling de a converti energia geotermaln electricitate i apoi producerea de hidrogen cu ajutorul acestuia,constituie dup prerea multora cheia trecerii de la utilizareacombustibililor fosili la economia bazat pe hidrogen. Aceast prerese bazeaz pe cercetrile laboratoarelor din Los Alamos asupra

posibilitii de utilizare a motoarelor Stirling aezate pe roci fierbini,i utiliznd apa de mare ca mediu de rcire, cu potenial energeticaproape nelimitat, deci sustenabil i regenerabil, curat, nepericulos,nenociv, ieftin i fiabil.

1.4. Concluzii

Motoarele termice cu ardere extern nu sunt perimate cum secredea, ci reprezint chiar o rezerv uria pentru constructorii demotoare termice, pentru cercettori, proiectani, ingineri, aducnd cu sineatuul funcionrii cu aproape orice tip de combustibil, nefiindcondiionate de combustibilii fosilici (poluani, scumpi i pe cale de a seepuiza). ntre motoarele termice cu ardere extern se remarc motoareleStirling moderne, variate, cu randamente mari, compactizabile, i

funcionnd direct cu orice fel de combustibili. Ele nu mai sunt legate azide crbunii poluani, i pot fi utilizate cu diverse surse de combustibili isau energie. Este posibil funcionarea lor cu energie electric obinut dela soare, sau cu combustibilul hidrogen (care se gsete sau poate fiobinut n cantiti industriale) care la toate motoarele cu ardere externpoate fi stocat i ars la nivel celular, eliminnd astfel orice pericol deexplozie; motoarele Stirling de temperatur mic i gabarit mare ar puteafi acionate direct de solul (nisip, pietri, stnc) fierbinte al deertului, de

rocile fierbini de mic sau mare adncime, de apa sau aburiisupranclzii ai gheizrelor (energia geotermal); motoarele stirling pot fiacionate direct de cldura solar concentrat de o oglind parabolic prinmontarea motorului cu sursa cald direct n focarul oglinzii parabolice.


49/165

48

Teoretic orice diferen de temperatur va pune n funciune unmotor Stirling. Sursa de cldur poate fi att energia degajat prinardere de un combustibil, ceea ce ndreptete utilizarea termenuluide motor cu ardere extern, ct i energia solar, geotermal, nuclear,sau chiar de origine biologic.

Deasemenea i o "surs rece" avnd temperatura sub cea amediului ambiant, poate fi utilizat pentru asigurarea diferenei detemperatur. Sursa rece apare n locul unde se utilizeaz lichidecriogenice sau ghea. Pentru a se putea genera puteri semnificative ladiferene mici de temperatur este nevoie a se vehicula mari cantitide fluid prin schimbtorul de cldur extern, ceea ce va cauza pierderi

suplimentare i va reduce randamentul ciclului. Deoarece sursa decldur i gazul de lucru sunt separate printr-un schimbtor decldur, se poate apela la o gam larg de surse de cldur inclusivcarburani sau cldur rezidual rezultat din alte procese. Avnd n

vedere c acetia nu intr n contact cu piesele interne n micare,motorul Stirling poate funciona i cu biogaz cu coninut de siloxan,fr a exista pericolul acumulrii de silicai cea ce ar deterioracomponentele cum ar fi de altfel cazul la motorul cu combustieintern ce ar utiliza acelai tip de carburant. La motoarele Stirlingdurata de via a lubrifianilor este semnificativ mai mare dect lamotorul cu ardere intern.

B1. Bibliografie

[1] Grunwald B., Teoria, calculul i construcia motoarelor pentru autovehiculerutiere. Editura didactic i pedagogic, Bucureti, 1980.

[2] Hargreaves, C. M., The Philips Stirling Engine, Elsevier Publishers,ISBN 0-444-88463-7, 1991.

[3] Martini, William,St

motoare termice petrescu

Documents