Stirling Motoru için günümüzde ki dıştan yanmalı motorların ilk yalın hali desek doğru olur.
Evet, 1790 yılında Perthshire, Methven yakınlarındaki Cloag Çiftliği’nde doğan Robert Stirling, din adamlığını meslek seçmiş biri olarak, mühendislik tarihinde çok kalıcı izler bırakmıştır.
Dilerseniz önce Robert Stirling’den kısaca bahsedelim ve bunu için tarihin sayfalarına bir yolculuk ile başlayalım.
Robert Stirling Kimdir?
25 Ekim 1790 yılında Patrick ve Agnes Stirling’in sekiz çocuğundan üçüncüsü olarak dünyaya gelmiştir. Dedesi ise Harman Makinesinin mucidi Michael Stirling’dir. Belki bu yüzden makinelere olan ilgisi daha küçük yaşlarda başlamıştır. Erken yaşlarda dedesine harman makinelerinde yardım ettiği bilinmektedir ama yaşı ilerlediği zaman meslek olarak çok farklı bir yöne doğru ilerleyerek Edinburgh ve Glasgow Üniversitelerinde İlahiyat okuyarak din adamlığı yapmış ve İskoçya Kiliselerinde vaazlarıyla ünlenmiştir. Din adamlığı kariyeri devam ederken bilime olan merakı eksilmemiş ve makinelere olan merakıyla motor tasarımları yaparak makinelere olan ilgisini arttırdı.
1816 yılına geldiğimizde ise Stirling Motoru olarak bilinen çevrimli motor, halkın söylemi ile “hava motoru” icadı için patent almıştır. Bunun dışında başka optik cihazlar ve aletlerde icat etmiştir. 1818 yılında kurduğu fabrika, 1922 yılına kadar faaliyet göstermiş ve çiftliklerde su pompalamak, elektrik üretmek gibi işlerde kullanılmak üzere motorlar tasarlanmıştır. Ticari kullanım için yeterince gelişimin kaydedilmemesi zamana yenik düşmesindeki en büyük etken olmuştur. 1980 yılına gelindiğinde tekrar üzerinde çalışılacak olan modellemelerden az sonra bahsedeceğiz. Şimdi biraz çalışma prensibinden bahsetmek faydalı olacaktır.
Çalışma prensipleri
Hava motoru, bir buhar motoru gibidir. Genişleyen gaz, pistonu çalıştırır, farklı olan harici ateşin bir su kazanı yerine bir hava kabını ısıtmasıdır. Kapalı bir ısıtma/soğutma döngüsü buhar motoru veya benzinli hatta dizel motorlardan daha verimli bir çalışma sağlar. Daha sonraki yıllarda Stirling’in tasarımı, 1843 mart ayında İskoçya Dundee’de Dundee Foundry Company isimli bir Demir Dökümhanede zamanın tüm motorlarına göre en güçlü motoru tedarik etti ve tüm diğer makinelere güç sağlamak amacıyla kullanılmasını sağlamıştır. Motor 28/dk’lık bir hızda 34 kW’lık bir eşik çıkışına sahipti, silindir çapı: 0,4 m, strok: 1,22 m ve su soğutmalıydı. İlk tel örgülü rejeneratör yine burada kullanılmıştı. Yakıt tüketimi, aynı güç çıkışıyla daha önce kullanılan buhar motorunun yalnızca üçte biri kadardı. 19. yüzyıl için mükemmel sayılacak %18’lik bir verimliliğe sahipti. 1850’de motorun basit ve zarif dinamikleri ilk olarak William John Mcquorne Rankine tarafından açıklandı.
Stirling Motoru olarak tanımlanması ise yaklaşık yüz yıl sonra her tür kapalı çevrim rejeneratif gaz motorunu tanımlamak için Rolf Meijer tarafından isimlendirildi. Tekrar prensibe dönecek olursak motordan maksimum güç elde etmek için gerekli olan yüksek sıcaklıktı, bu da arızların sıklıkla meydana gelebileceği ortamları hazırlıyordu, 19. yüzyılın gelişmişliği bu konuda yetersiz kalması teknolojinin gelişmesi için yetersizlik doğuruyordu. Ayrıca ağır olması ve nakliyede yaşanan zorluklar başarısını gölgeleyen önemli faktörlerdi.
Stirling Motoru çalışma Prensibi
Stirling motorları, pistonların onları içeren silindirler içerisinde ileri ve geri zorlamak için harici bir ısı tarafından çalıştırılır. Modern zamandaki içten yanmalı motorlardakine benzer, her pistonu çalıştırmak için havanın hızlı bir şekilde genleşmesini teşvik etmek için bir yakıt yerine, kapalı çevrim motorlar içerisinde kalıcı olarak kaplanmış gazlı bir sıvı kullanılırdı.
Isınmadan genişlemesi ve soğutmadan büzülmesi bu sıvının sıcak veya soğuk silindirlerde rahatça gidip gelmeyi sağladı. Stirling motorları, ısıtıldığında bir gazın genleşmesi ve ardından soğutulduğunda gazın sıkıştırılmasıyla çalışır. Stirling motoru, “soğuk” uç (çoğunlukla oda sıcaklığı) ve “sıcak” uç (genellikle bir gazyağı veya alkol brülörü tarafından ısıtılan) arasında ileri geri aktarılan sabit bir miktarda gaz içerir. “Yer değiştirme pistonu” gazı iki uç arasında hareket ettirir ve “güç pistonu”, gaz genişleyip büzüştükçe iç hacmi değiştirir.
Çalışmalarına Isı Ekonomizörü ile başlayan Stirling havadan faydalanarak bir şeyler icat edip bunu kullanabileceğinin farkındaydı. Stirling en iyi, ısı enerjisinin mekanik işe net bir dönüşümü olacak şekilde farklı sıcaklıklarda havanın veya diğer gazın (çalışma sıvısının) döngüsel olarak sıkıştırılması ve genleşmesiyle çalışan bir ısı motoru yapabileceğini düşünmüştü. Dilerseniz Isı Ekonomizörden de kısaca bahsedelim.
Rejeneratör (Isı Ekonomizörü)
Stirling, farklı endüstriyel süreçlerin yakıt verimliliğini artırmak için bir cihaz olan Rejeneratör olarak bilinen Isı Ekonomizörü’nü de icat etmiş ve patentini de almıştır.
1818’de bir taş ocağından su pompalamak için kullanılan motorunun ilk pratik versiyonunu yaptı. Stirling’in motorunun teorik temeli olan Stirling çevrimi, Fransız fizikçi Nicolas Léonard Sadi Carnot’un çalışmasına kadarda tam olarak anlaşılamayacaktı. Stirling motorları benzersiz ısı motorlarıdır çünkü teorik verimlilikleri, Carnot çevrimi verimliliği olarak bilinen teorik maksimum verimliliklerine neredeyse eşittir.
Son yıllarda olan ilgi
Ticari kullanım için az önce başarısız olduğunu söylemiştik, ancak sessiz çalışma, çoklu yakıt kaynakları, düşük kirlilik, yüksek verimlilik, yüksek güç yoğunluğu gibi potansiyelleri sebebiyle araştırmacıların ilgisini çekmeye devam ediyor. Geçtiğimiz iki yüzyılda Stirling Motoru ile ilgili verimlilik üzerine çalışmalar yapılmış ve 1980 yılında NASA’nın desteği ile araçlarda güç desteği üniteleri için bu model kullanılmıştır. Sonuç istenildiği gibi olmadığı için maalesef devamı gelmemiştir. Ancak denizaltı tasarımlarında da denenmiş ve başarılı olmuştur. Günümüzde İsveç, Singapur ve Japon Deniz kuvvetlerinde Stirling Motoru ile çalışan gemi ve denizaltılar kullanılmaktadır. Stirling motorunun bir özelliği de ters yönde çalıştırılabilir olmasıdır, böylece motoru manuel olarak çevirirseniz verimli bir soğutucu görevi görebilir. Stirling motorları günümüzde portatif buzdolaplarında ve kriyojeniklerde de kullanılmaktadır. Stirling motorunun en yüksek profilli modern kullanımı, hızla gelişen Konsantre Güneş Enerjisi sektöründe olmuştur.
Güneşin ısısı, kavisli aynalarla bir jeneratörü çeviren bir Stirling motoruna odaklanır. Özellikle son yıllarda güneş alanında birçok teknoloji firması hakimiyet için rekabet ediyor, ancak 2010’da Stirling Energy Systems ve Tessera Solar, Peoria, Arizona’da 1,5 megavatlık bir tesisi devreye aldı ve 2015’te İsveçli bir teknoloji şirketi olan Ripasso, dünyanın en verimli güneş enerjisini ürettiğini iddia etti.
Ünlü Buluşunun Günümüzdeki Uygulamaları
- Isı Pompaları
- NASA MOD I ve II otomotiv motorları
- Hibrit elektrikli araçlar
- İsveçli gemi yapımcısı Kockums’un, 8 adet Stirling motorlu denizaltısı
- Gelişmekte olan ülkeler için biokütle motorları
- Güneş enerjisini, konsantre olmayan fotovoltaik hücrelerden daha iyi bir verimlilikle elektriğe dönüştüren motorlar.
Evet, zamanın ötesinde yaşamış yedi çocuk babası bu bilim insanı, Robert Stirling 6 Haziran 1876’da 87 yaşında Doğu Ayrshire’daki Galston’da vefat etmiştir. Bilim adına az ama çok faydalı buluşlar bırakmış olması ölümünden çok sonra, 2014 yılında tekrar onurlandırılmasını sağmıştır. Stirling Motoru makalemizi keyifle okuduğunuzu umuyoruz. 🙂
@tarihlibilim
#enerji #stirlingmotoru #Science #History #Bilim #Tarih #buhardanenerji #historyscience #RobertStirling #stirling #tarihlibilim