216px|náhled|Stirlingův motor typu Alfa. Má dva válce. Expanzní válec (červený) je ohříván na vysokou teplotu. Kompresní válec (modrý) je chlazen. Potrubí spojující oba válce obsahuje regenerátor náhled|Stirlingův motor typu Beta. Má jen jeden válec na jednom konci teplý a na druhém studený. Přehaněč, který není ve válci umístěn těsně, přesunuje pracovní plyn mezi teplým a studeným koncem válce. Pracovní píst na konci válce pohání pomocí klikového mechanizmu setrvačník Stirlingův motor je tepelný stroj, spalovací motor s vnějším spalováním, pracující s cyklickým stlačováním a expanzí vzduchu nebo jiného pracovního plynu. Stlačováním při nízké teplotě pracovního plynu a expanzí při vysoké teplotě pracovního plynu probíhá transformace tepelné energie na mechanickou práci."Stirling Engines", G. Walker (1980), Clarenden Press, Oxford, page 1: "A Stirling engine is a mechanical device which operates on a *closed* regenerative thermodynamic cycle, with cyclic compression and expansion of the working fluid at different temperature levels."W.R. Martini (1983), p.6 Jde o motor s uzavřeným oběhem, s regenerativním ohřevem a se stálou náplní pracovního plynu. Uzavřený pracovní cyklus je definován jako termodynamický systém, ve kterém se s okolím nevyměňuje pracovní plyn, ale jen tepelná energie. Výměna tepla s okolím probíhá přes tepelné výměníky ohřívače a chladiče. Regenerátor je tepelný výměník, který uschovává tepelnou energii v době mezi expanzí a kompresí pracovního plynu. Regenerátor odlišuje Stirlingův motor od ostatních horkovzdušných motorů.
Byl vynalezen v roce 1816 jako konkurence parního stroje. Jeho praktické použití bylo omezeno na nízkovýkonné domácí nasazení.T. Finkelstein; A.J. Organ (2001), Chapters 2&3
Stirlingův motor je významný pro svou vysokou účinnost v porovnání s parním strojem.Stirling engines capable of reaching 40% efficiency Stirlingovy motory jsou schopny dosáhnout 40% účinnosti, mají tichý chod a umějí využít téměř libovolný zdroj tepla. V současnosti zvyšuje jejich význam možnost použití alternativních a obnovitelných zdrojů energie, zvláště v případě použití motoru pro mikrokogeneraci.Sleeve notes from A.J. Organ (2007)F. Starr (2001)
Jméno a zařazení Robert Stirling byl skotský vynálezce prvního teplovzdušného motoru s uzavřeným cyklem; vynalezl ho v roce 1816. Aby se všechny takové stroje nazývaly Stirlingovy stroje, navrhl jako první Fleeming Jenkin v roce 1884. Tento návrh pojmenování se neujal okamžitě a různé typy strojů se nazývaly podle svých konstruktérů a výrobců. Například Ridersovy, Robinsonovy nebo Henriciho vzduchové motory. Ve čtyřicátých letech dvacátého století firma Philips hledala vhodné jméno pro svou verzi vzduchového motoru, který byl v té době testován s jiným pracovním plynem. V dubnu 1945 bylo vybráno jméno 'Stirlingův motor', které bylo použitelné bez omezení.C.M. Hargreaves (1991), Chapter 2.5Graham Walker (1971) Lecture notes for Stirling engine symposium at Bath University. Page 1.1 "Nomenclature"
Stejně jako parní stroj se Stirlingův motor tradičně řadí mezi motory s vnějším spalováním, protože se všechno teplo do pracovní látky nebo z ní přenáší přes pevné stěny tepelných výměníků. Tím je spalovací proces a škodliviny, které při tom mohou vzniknout, izolován od pracovních částí stroje. To je rozdíl od spalovacího motoru, kde teplo vzniká spalováním paliva v pracovním plynu uvnitř stroje. Existuje mnoho možných provedení Stirlingova motoru, většina z nich spadá do kategorie pístových motorů.
Popis funkce Stroj je navržen tak, že pracovní plyn se obvykle stlačuje ve studené části stroje a expanduje v teplé části. Tím se mění tepelná energie na mechanickou práci. Vnitřní výměník tepla – regenerátor – zvětšuje tepelnou účinnost stroje oproti teplovzdušným strojům bez regenerátoru.
Hlavní části 250px|náhled|Schéma Stirlingova motoru konfigurace beta s rombickým mechanismem:
Nejsou zobrazeny zdroj tepla a odvod tepla. Píst přehaněče je zde zobrazen bez regenerátoru jehož použití je obvyklé.
Jako důsledek uzavřeného pracovního cyklu musí být všechno teplo pohánějící Stirlingův motor vedeno ze zdroje tepla do pracovního plynu přes výměník tepla ohřívače a následně musí být teplo odváděno z pracovního plynu přes výměník tepla chladiče.
Zdroj tepla 250px|náhled|Parabolické zrcadlo se Stirlingovým motorem v ohnisku a mechanikou pro sledování slunce v Plataforma Solar de Almería (PSA) ve Španělsku
Zdrojem tepla může být spalování paliva. Protože produkty spalování nepřicházejí do styku s pracovním plynem a tedy ani s vnitřními částmi stroje, může Stirlingův motor pracovat i s takovými palivy, která by mohla jiné typy strojů poškodit, jako například skládkovými plyny s obsahem siloxanu. Jiné výhodné zdroje tepla mohou být solární energie, geotermální energie, jaderná energie, odpadní teplo z technologických procesů nebo bioenergie. Při využití sluneční energie je pro dosažení vysoké pracovní teploty výhodné koncentrovat sluneční záření pomocí zrcadel nebo Fresnelových čoček. Při využívání obnovitelné energie se stále více prosazují právě sluneční kolektory se Stirlingovým motorem B. Kongtragool; S. Wongwises (2003)
Ohřívač / výměník teplé strany V malých, málo výkonných motorech, může být ohřívač jednoduše zastoupen stěnou teplého prostoru. Stroje s větším výkonem vyžadují velkou plochu výměníků pro zajištění dostatečného přenosu tepla do pracovního plynu. Obvykle se používají buď vnitřní a vnější žebra, nebo mnoho malých trubic.
Při návrhu tepelného výměníku Stirlingova stroje je třeba nalézt kompromis mezi velkou plochou pro zajištění vysokého tepelného přenosu s malými tlakovými ztrátami a malým mrtvým prostorem (vnitřní prostor nevyužitý pro zdvih pístů). Ve strojích pracujících při vysokých výkonech a tlacích musí být tepelný výměník vyroben z materiálu, který dostatečně odolává mechanickému napětí, teplotě, korozi a deformaci.
Regenerátor Regenerátor ve Stirlingově motoru je vnitřní tepelný výměník a dočasný zásobník tepla umístěný mezi teplým a studeným prostorem tak, že pracovní plyn přes něj prochází střídavě v jednom a druhém směru. Jeho funkcí je uchovat v systému teplo, které by jinak bylo vyměněno s okolím na teplotě mezi maximální a minimální teplotou oběhu.A.J. Organ (1992), p.58 Uchování tohoto tepla v systému umožňuje přiblížit účinnost Stirlingova motoru k účinnosti Carnotova cyklu definovanou maximální a minimální teplotou cyklu.
Regenerátor je ve Stirlingově stroji proto, že zvětšuje tepelnou účinnost 'recyklací' vnitřního tepla, které by jinak prošlo přes stroj nevratně. Tím lze zvýšit výkon motoru při stejné konstrukci chladiče a ohřívače, které nejčastěji omezují průchod tepla strojem. V praxi se tento přídavný výkon nedaří zcela využít kvůli zvětšenému mrtvému prostoru a tlakovým ztrátám, které jsou neoddělitelně spjaty s prakticky realizovatelným regenerátorem. Tyto ztráty tedy omezují dosažitelné zvětšení účinnosti stroje regenerátorem.
Při konstrukci regenerátoru Stirlingova stroje je cílem dosáhnout dostatečný tepelný výkon a kapacitu při minimálním přidaném objemu (mrtvý prostor) a odporu proudění. Tyto dva protichůdné požadavky tvoří konstrukční konflikt, jenž je jednou z mnoha příčin, které omezují účinnost prakticky realizovatelného Stirlingova stroje. Typickou konstrukcí je nádrž naplněná jemnými dráty nebo síťkou s nízkou pórovitostí pro redukci mrtvého prostoru a s dráty kolmo na osu proudění, aby se snížila tepelná vodivost a zvětšil přenos tepla konvekcí.K. Hirata (1998)
Regenerátor (vymyšlený Robertem Stirlingem) je hlavním přínosem stroje a odlišuje skutečný Stirlingův stroj od ostatních strojů s uzavřeným oběhem (horkovzdušných motorů). Mnoho hraček a především typů s nízkou teplotní diferencí nemá jasně oddělený regenerátor a bylo by je možné zahrnout do horkovzdušných motorů. Přesto je zajištěna jistá regenerace tepla povrchem přehaněče a blízkou stěnou válce, nebo potrubím spojující teplý a studený válec u alfa konfigurace stroje.
Chladič / výměník studené strany V malých strojích s malým výkonem může být chladič jednoduše tvořen stěnami studeného válce (objemu). Pak se teplo odvádí do okolního prostředí a chladná část tak dosahuje téměř teploty okolí. Pro dosažení vyššího výkonu je nutné zvýšit rozdíl teplot mezi částí ohřívanou a chladičem. Proto je zde často chladič tvořen výměníkem, který je ochlazován kapalinou, například vodou. Tato chladicí kapalina se při provozu motoru ohřívá, získané teplo je pak možno použít pro vytápění – tomuto způsobu provozu se říká kogenerace. Stirlingův motor však umí využít tepelného spádu tvořeného na teplé straně okolním vzduchem a na chladné straně ledovou vodou; studená strana je případně chlazena kryogenně.
Přehaněč V Beta a Gama konfiguraci Stirlingova stroje se používá speciální píst zvaný přehaněč, který přesunuje pracovní plyn z teplého prostoru do studeného a naopak. V závislosti na konfiguraci stroje může být přehaněč umístěn ve stejném válci jako pracovní píst, nebo může mít vlastní válec. Přehaněč může být ve válci s vůlí a umožňovat tak pracovnímu plynu proudit kolem sebe, nebo může být utěsněn a přesunovat plyn přes výměníky a regenerátor.
Konfigurace Existují dva hlavní typy Stirlingových strojů. Jsou rozlišeny způsobem, kterým přesunují pracovní plyn mezi teplou a studenou stranou stroje.
Stroj s dvěma pracovními písty se nazývá alfa konfigurace. Má teplý a studený válec, každý se svým pístem. Pracovní plyn je přesunován z teplého válce do studeného a naopak. Stroj s přehaněčem se nazývá beta nebo gama konfigurace. Používá oddělený mechanický přehaněč pro přesunování pracovního plynu z teplého prostoru do studeného a naopak. Přehaněč musí být dostatečně velký, aby zajistil účinnou izolaci teplého a studeného prostoru a přesunul dostatek pracovního plynu.
Alfa Stirling Alfa Stirling má dva pracovní písty v oddělených válcích. Jeden je teplý a druhý studený. V teplém válci plyn expanduje při vysoké teplotě ohřívače. Ve studeném válci se plyn stlačuje při nízké teplotě chladiče. Tento typ má vysoký poměr výkonu k objemu, ale je zde technický problém s těsněním a mazáním teplého pístu při vysoké teplotě.M.Keveney (2000a) V praxi má teplý píst velkou izolovanou hlavu, aby se oddálilo vedení a těsnění pístu od teplého prostoru; to však zvětšuje mrtvý prostor.
Činnost Alfa typu Stirlingova stroje Následující obrázek nezobrazuje vnitřní tepelné výměníky v kompresním a expanzním objemu, které jsou nutné pro dosažení výkonu. Regenerátor může být umístěn v potrubí spojujícím válce. Klikový mechanismus byl také vynechán.
<center> {| style="margin:auto;" class="wikitable" |- |halign="left" style="width:50%"|216px1. Většina pracovního plynu je v teplém válci v kontaktu s jeho horkými stěnami. Plyn se zahřívá, jeho tlak roste a teplý píst je tlačen od horké hlavy válce. Expanze poté pokračuje ve studeném válci jehož píst je 90° pozadu za teplým pístem v cyklu klikového mechanismu. Studený válec začíná odebírat teplo plynu, který sem proudí z horkého válce. |halign="left" style="width:50%"|216px2. Plyn má největší objem. Píst teplého válce začíná klesat. Plyn proudí do studeného válce, kde se ochladí a tím klesá jeho tlak. |- |halign="left" style="width:50%"|216px3. Skoro všechen plyn je ve studeném válci a dále se ochlazuje. Studený píst hnaný klikovým mechanismem (nebo jiným párovým pístem na tom samém hřídeli) začíná stlačovat ochlazený pracovní plyn. Chladný plyn má menší tlak, ke stlačení proto stačí vykonat menší práci, než jaká se uvolnila při expanzi horkého plynu. | style="width:50%" halign="left" |216px4. Plyn dosáhl minimálního objemu. Bude se v teplém válci ohřívat a expandovat. Přitom bude pohánět teplý píst při pracovním zdvihu.
| style="vertical-align:top;" colspan="4" halign="center"|216px Celý cyklus Stirlingova motoru typu Alfa
Beta Stirling