1.GR nsanolu, atei bir enerji kayna olarak kullanmaya baladndan beri, dnya yznden sadece gdadan alnan enerji ile yaamn srdren dier canllardan ayrlarak, yeni bir dneme girmitir. Gelien teknolojiyle birlikte katlanarak artan enerji ihtiyac fosil yaktlar kullanlarak karlanmaya allmtr. Ancak enerji kaynaklarnn bu denli artan miktarlarda kullanlmasndan ortaya kan ve insanolunun yaad evreyi olumsuz ynde etkileyen evre etkileri, baz enerji kaynaklarnn tkenmeye balamalar ile zaman zaman ortaya kan enerji krizleri, zellikle yirminci yzyln son eyreinde bilim evrelerini ve hkmetleri bu konularda aratrma yapmaya ve bu sorunlara zm retmeye zorlamtr. Temiz ve tkenmez enerji kaynaklarnn kullanlabilmesi iin eitli sistemler gelitirilmi ve eitli standartlar getirilerek enerji retiminde kullanlan sistemlerin evreye olan olumsuz etkileri azaltlmaya allmtr. Gne enerjisini dorudan elektrie dntren gne pilleri, yksek maliyetli ve dk verimlidir. Son yllarda gne enerjisinden elektrik retimi almalarnn scak hava motorlarna doru ilerledii gzlemlenmektedir. Gne enerjisinden elektrik retiminde scak hava motorlarnn kullanlmasnda pek ok neden vardr. Her eyden nce scak hava motoru, ok iyi bir termodinamik evrime sahiptir; iki scaklk snr arasnda teorik olarak en yksek verim Carnot ve Ericsson evrimleriyle beraber Stirling evriminden elde edilmektedir. Yaplan almalarda, scak hava motorlarndan %30-40 verimle elektrik enerjisi retildii belirtilmektedir. Sessiz, evre dostu bir makine ve dk scaklk farklarnda bile alabilmesi nedeniyle geni bir uygulamaalan sz konusudur.

1

2. STRLNG MOTORLARININ TARHSEL GELM lk olarak skolu papaz Robert STIRLING tarafndan 1816da imal edilmitir ve 4081 orijinal patent numaras ile ilk retimi gerekletirilmitir. lk patentte yalnzca motorun konstrksiyonu tanmlanmam, ilk olarak rejeneratr kullanlm, ayn zamanda prensiplerin uygulanaca nceden grlmtr. Bu patent, buna ek olarak ilk kapal evrimli scak hava motorunun tanmn da ierir. Motorda g pistonu ve yer deitirme pistonu dzenlemesi kullanld. Kapal evrim olduu iin alma maddesi defalarca kullanlmaktadr. Finkelstein, 1959e gre bu zellik, atmosfer st basnlarda motorun almasna imkan tandndan, k gc artmtr. G pistonu tamamyla souk tarafa ekilmitir. Orijinal modelin gelitirilmesi Robert Stirling ve kardei James Stirling tarafndan yaplmtr. Scak hava motorlar, 19. yzyln son zamanlar boyunca deiik tiplerde imal edilerek mekanik g elde etmek iin kullanlmtr. G elde etmek amacyla buhar makineleri ile uzun sre rekabet etmesi dnlm ve zerinde uzun sreli aratrmalar yaplmtr. Yksek hzl iten yanmal motorlarn gelitirilmesi ve daha yksek g elde edilmesiyle, bu motorlarn kullanm azalmtr. 1828 de Parkinson ve Crossley kapal evrim bir Stirling motoru gelitirdiler. 1844te Andraud Stirling motorunu lokomotife monte etmitir. 1850ye kadar daha ok iki veya silindirli yer deitirme-g pistonu tipi Stirling motorlar gelitirilmitir. Urieli,Rallis,1975e gre bu motorlarn temelinde Stirling motoru tipleri arasnda en baarl olarak kabul edilen ilk tek silindirli motorlar kadar iyi deildi. Bunun en nemli nedeni tek silindirli modellerle karlatrldnda l hacimlerin fazlal idi. 1853 ylnda Franchot ift tesirli iki silindirli Stirling motoru yapmtr. 1853 te W. E. Newton ift tesirli motorun patentini almtr. 1853 ylnda sveli John Ericssonun yapt motorlar, 19. Yzylda, dikkate deer sayda imal edilmi ve kullanlmtr. Bu motorlar, ak sistemdi. 2200 tonluk bir gemi iin yaplan drt adet motor, o gne kadar yaplan en byk motorlard. Bu motorlarn g pistonlarnn ap 4,2 m ve kursu da 1,8 m kadard. Motorlarn 478 kW indike g vermeleri planlanm, ancak yaplan denemelerde bunun ancak yarsn verebildikleri grlmtr. Buna ramen, yakt tketimleri o dnemlerde kullanlan denizcilik buhar motorlarna oranla nemli lde daha az olmutur .2

1858de Ericsson yeni bir sanayi motoru yapmtr. 1860 ylnda Lehman Almanyada olduka ilgi gren rejeneratrsz yatay tek silindirli motoru tantmtr. 1937 ylnda Eindhovenda bulunan Philips aratrma laboratuarlarnda, bilhassa Asya ve Afrikada srekli ve dzenli enerji kayna bulunmayan blgelerdeki radyo istasyonlar iin elektrik retelerini altrmak amacyla kk Stirling motorlar retilmitir. Philips firmas 16 Wattlk bu tasarmdan sonra gnmze kadar ulaan 54 farkl tasarm yapmtr. 1860 ta Leonir gaz motoru imal etmitir. 1863 ylnda Sir William Siemens ift etkili drt silindirli Stirling motoru yapmtr. 1884te Henrici bir Stirling motorunun retimine balamtr. 20. yzylda iten yanmal motorlarn hzla geliimi, piyasay kk tip modellerle snrl tutmutur. Urieli, Rallis,1975e gre bu motorlarda grlen temel problem; srekli yksek d scaklk ve i basncn, dkme demir ve bronz malzemelerin mrlerini ve motor performansn snrlamasdr. 1923 itibari ilen iyi Stirling motorlar yaklak 800 kg arlnda olup, 25 litrelik sprme hacmi ve 1.5 kWlk k gcne eriirken yaklak %3lk termal verime sahiptir. 1930 yl ortalarnda Stirling motorunun deiik bir dzenlemesi de Philips aratrma laboratuarnda altrlmtr. Bu motorlar dzenli elektrik enerjisi bulunmayan blgelerde, radyolar iin elektrik jeneratr olarak kullanlmlardr. Almanyada Stirling motoru zerinde almalar ikinci dnya sava sresince devam etmi ve savatan ksa sre sonra bir motor gelitirilmitir. Brillant aratrma ve mhendislik jeneratr olarak kk bir scak hava motoru yaplmtr. 1946da Philips, Stirling motorlu elektrik jeneratr yapmtr. 1962 de W. T. Bale serbest pistonlu Stirling motorlar zerine almalara balamtr. 1967de Martini alma gaz olarak Helyum ve Argon gazlarn kullanmtr. 1971 ylnda General motor Philips firmas ile olan anlamasn iptal etti ve Ford firmas ile anlaarak 1977 ylnda otomobiller iin bir scak hava motoru yapmtr.3

1976da serbest pistonlu scak hava motoru jeneratrleri imal edilmitir. 1977 ylnda U.S. enerji blmnde dtan yanmal 370 kWtan 1480 kW gcne kadar eitli scak hava motorlar yaplmtr. Bu motorlarda alternatif yakt kullanma imkan salanmtr. 1978de Horace Rainbow Pendel-Stirling motorlarn tasarlamtr. 1980de von Kolin ok kolay yaplabilen scak hava motorlarn tasarlamtr. 1982 ylnda Dunn, 20 kW gcnde bir scak hava motorunun tasarmn yapmtr. Bu motor yksek basnl helyum ile alfa veya gama konfigrasyonlarnda alabilmektedir. 1984 ylnda Lundholm, yapt almada 40 kW gcnde olmas istenilen bir Stirling motorunun tasarmn yapmtr. 1984te Profesr Senft sadece 7C scaklk fark ile alabilen yeni bir Stirling motoru yapmtr. 1984 ylnda Urieli ve Berchowitz, Stirling motorlar iin tasarm ve analiz metotlarn inceleyerek bu metotlar ile elde edilen performans deerlerini karlatrmlardr. 1989 ylnda Eckhart Weber ilk dk scaklkta alan scak hava motorlu bir su pompas yapm ve Alman bulu dln almtr. 1990 da Profesr Senft kk scaklk fark ile alan scak hava motorlar ile rekor krd, bu motor 0,5C scaklk fark ile alt. 1991de Bomin, Solar Eckerle birlikte alarak Helyum ile alan 10-50 bar alma basnl serbest pistonlu scak hava motoru gelitirdi. 1991 ylnda Organ, yapt almada Stirling motorlarnn gaz devresi iin termodinamik benzerlik koullarn aktararak bilgisayar program yerine diyagram ve hesap makinesi kullanarak Stirling motoru tasarmn aklamtr. 1993te D. Schager en kk scak hava motorunu gelitirmitir ( Uzunluu 19.5 mm, genilii 9 mm, ykseklii 9.5mm, ktlesi 0.775g, maksimum alma zaman 65.5 dakikadr ).

4

1995 ylnda Rix, sma ve g retimi amal bir scak hava motoru prototipi iin termodinamik ve ayrntl tasarm kriterlerini aklamtr. 1997 ylnda Prieto, scak hava motorlar iin dinamik benzerlik ve izotermal analize dayanan ilk tasarm metodunu incelemitir. Beale ve West bantlarn kullanarak gelitirilen bu metot ile indike g deerlerine gre motor devirleri belirlenmektedir. 1997 de A. Koca beta tipi bir scak hava motor yapm ve 650d/d motor hz ile 7 W g elde etmitir. 1998 ylnda Wu, yapt almada tersinmez s transferi ve ideal olmayan rejenerasyon artlarnda scak hava motorlar iin performans analizi yapmtr ve motorda alnan g ile sl verim arasnda bant karmtr. 1999 ylnda Makhkamov ve Ingham, 1 kW kapasiteli bir scak hava motoru iin oluturduklar matematiksel modeli kullanarak mekanik kayplar belirlemeye almlardr. 1999 ylnda Costea, tersinmezliklerin scak hava motorlarnn performanslar zerindeki etkilerini incelemilerdir. Oluturduklar matematiksel model termodinamiin birinci kanununa dayanmaktadr. Basn ve srtnme kayplar mevcut deneysel verilere gre belirlenmitir. 2000de S. stn ift stcl V tipi bir scak hava motoru yapm ve 1000C stc scaklnda 1,5 arj basncnda 65 W g elde etmitir. 2000de M. Demiralp tarafndan gama tipi bir scak hava motorun tasarm ve imalat yaplmtr. 2000 ylnda Pireto, scak hava motorlarnn performansnn belirlenebilmesi iin boyutsuz scaklk ve geometrik oranlarn kullanld bir eitlik oluturmulardr. Bu eitlik bilinen btn Stirling motorlar iin performans hesaplarnn yaplmasna imkan vermektedir.

5

3. STRLNG MOTORLARI Stirling motorlar; farkl scaklktaki i akkannn geniletilmesi ve sktrlmas ilemlerinin kapal ve rejeneratif bir termodinamik evrim olan Stirling evrimi boyunca tekrarland termal sistemlerdir. Stirling motorlar teorik olarak en yksek verime sahip olan motorlardr. Bunun yansra sessiz ve titreimsiz almalar, zel bir yakta veya enerji kaynana bal kalmadan kullanlabilmeleri, fosil yaktlarla kullanldklarnda temiz ve souk yanma gazlarnn atlmas, yeterli tork ve zgl g deerleri ile basit tasarmlar aratrmaclar bu motorlar zerinde almaya ynelten balca nedenlerdir. Stirling motorlarnda g, drt tersinir hal deiiminin (izotermal genleme, sabit hacimde rejenerasyon, izotermal sktrma, sabit hacimde rejenerasyon) arka arkaya tekrarlanmas sonucu elde edilir. Genel olarak Stirling motorlar farkl scaklklara sahip iki blmeden olumaktadr ve i akkannn bu iki blme arasnda hareketi ile hal deiimleri meydana getirilmektedir. akkannn hareketi bu blmelerde bulunan pistonlar tarafndan salanmaktadr. Bu motorlarda s transferi blme girilerine yerletirilmi olan stc ve soutucular tarafndan salanmaktadr. ki blme arasnda bulunan rejeneratr tel ve seramik bir rg veya sl kapasitesi yksek gzenekli bir tapa olup sl enerjinin geici olarak depolanmas ilevini yrtmektedir. ekil 3.1 de Stirling motorunun genel bir emas grlmektedir. Burada; Ve, Yksek scaklk (Genleme) hacmini, Vc, Dk scaklk (Sktrma) hacmini, Vh Istc hacmini, Vk, Soutucu hacmini, Vr, Rejeneratr hacmini temsil etmektedir.

ekil 3.1. Stirling Motorunun Genel emas6

3.1 Stirling evrimi Stirling evrimine gre alan bir scak hava motoru temel olarak iki pistondan olumaktadr. Pistonlardan bir tanesi yer deitirme pistonu olarak adlandrlr ve grevi evrim akkann scak ve souk blge arasnda nakletmektir. Dier piston g pistonu olarak adlandrlr ve motordaki gc reten pistondur. Carnot evriminden bilindii zere scak ve souk s kaynaklarnn scaklklar arasndaki fark arttka sl verimin artt bilinmektedir. Dolaysyla bu scaklk farkn arttrmak iin Stirling evriminde sistem ii s geii yaplr; bu sistem ii s geiine literatrde rejenerasyon ad verilir. Stirling evrimi scak hava motorlar iin ideal bir evrimdir. Drt tmden tersinir hal deiiminden oluan Stirling evriminin P-V ve T-S diyagramlar ekil 3.2de grlmektedir. Bu hal deiimleri aada sralanmtr: 1-2 zotermal (Sabit scaklk) sktrma (sistemden d ortama s geii) 2-3 Sabit hacimde rejenerasyon (rejeneratrden arac akkana sistem ii s transferi) 3-4 zotermal (Sabit scaklk) genileme (sisteme d kaynaktan s geii) 4-1 Sabit hacimde rejenerasyon (arac akkandan rejeneratre sistem ii s geii)

ekil 3.2. Stirling evrimi P-V ve T-S Diyagram Stirling evriminin nasl gerekletii, ekil 3.3te de grld gibi aralarnda bir rejeneratr bulunan karlkl olarak yerletirilmi iki pistondan oluan bir sistem ile anlatlmaktadr. Rejeneratr, tel veya seramik bir rg veya sl ktlesi yksek gzenekli bir tapadr. Rejeneratrde, akkann sl enerjisi geici olarak depolanmaktadr. Rejeneratr ve pistonlar arasndaki hacimlerden biri en yksek scakla ulalan genileme hacmi, dieri en dk scaklk deerinin elde edildii sktrma hacmidir.7

evrim balangcnda, genileme hacmindeki pistonun rejeneratre bitiik bir konumda st l noktada, sktrma blgesindeki pistonun ise alt l noktada olduu kabul yaplmaktadr. akkannn tamam sktrma hacminde bulunmaktadr. Bu konumda hacim maksimum deerine ulatndan basn ve scaklk en dk deere sahip olmaktadr. Sktrma sresince (1-2 hal deiimi), sktrma pistonu st l noktaya doru hareket ederken, genileme hacmindeki piston sabit kalarak, konum deitirmemektedir. akkannn sktrma hacminde sktrlmas, basncn artmasna neden olmaktadr. Bu esnada yaplan soutmann etkisi ile scaklk sabit kalmaktadr.

ekil 3.3. Stirling evrimi leyii

8

2-3 hal deiiminde, sktrma pistonu rejeneratre doru ilerlemesi, genileme pistonu rejeneratrden uzaklamas ile iki piston e zamanl olarak hareket etmektedir. Bu esnada alma akkan rejeneratrden geerek, sktrma hacminden genileme hacmine dolmaktadr. Bu gei esnasnda rejeneratrde depolanan s, i akkanna transfer edilerek, i akkannn scaklk deeri en dk deerden en yksek deere ulamaktadr. Sabit hacimde scakln artmas, basncnda artmasna neden olmaktadr. 3-4 hal deiiminde, genileme pistonu rejeneratrden uzaklaarak ANya doru hareketine devam etmektedir. Bu esnada sktrma pistonu rejeneratr ile bitiik bir konumda Nda yer almaktadr. Genileme ileminde, artan hacmin etkisi ile basn dmektedir. D kaynaklardan sisteme transfer edilen s etkisi ile scaklk sabit deerdedir. evrimdeki son ilem olan 4-1 ileminde, iki piston, sabit hacimde alma akkannn rejeneratrden geerek, genileme hacminden sktrma hacmine dolmas iin iki piston e zamanl olarak hareket etmektedir. Rejeneratrden gei esnasnda s, alma akkandan rejeneratre transfer edilmektedir. Bylece alma akkannn scakl azalmakta ve minimum scaklk deerindeki akkan sktrma hacmine dolmaktadr. Bu ilem esnasnda rejeneratrde depolanan s, bir sonraki evrimin 2-3 hal deiiminde alma akkanna transfer edilecektir. Stirling evrimli sistemlerin termodinamik analizi yaplrken aada yer alan varsaymlar yaplmtr. 1. alma akkan mkemmel gazdr ve hesaplamalarda mkemmel gaz denklemi olarak P.V = m.R.T denklemi kullanlmtr. 2. evrim boyunca alma akkan ktlesi sabittir. 3. Gerekte politropik hal deiimi olan sktrma ve genileme ilemleri, izotermal hal deiimi olarak analizde yer almaktadr. 4. Gerekte stma ve soutma ilemleri anlk olarak sabit hacimde yaplmaktadr. 5. Pompalama ve ak kayplar ihmal edilmektedir. 6. Silindir duvar ve piston scaklklar sabittir. 7. Rejeneratr %100 verim ile almaktadr.

9

1-2 sabit scaklkta sktrma ilemi : Bu ilemde scakl sabit tutabilmek iin sistemden evreye s verilmektedir. Bu hal deiiminde yaplan i, gerekletirilen s transferine eit olmaktadr. Scaklk sabit olduundan i enerji deiimi olumaz ve entropi azalmaktadr. 1. ve 2. durum iin mkemmel gaz denklemi yazlp, orantlandnda, sabit terimler sadeletirildikten sonra basnlar ve hacimler arasndaki bant elde edilmektedir.

10

11

2-3 sabit hacim ilemi : Bu hal deiiminde s rejeneratrden alma akkanna transfer edilmekte ve alma akkannn scakl minimum deerden maksimum deere ykselmektedir. yaplmamaktadr. Entropi ve alma akkannn i enerjisi art gstermektedir.

12

Genilemede basn der, hacim artar. Gerek hal deiiminde scaklk da der. Bu ilemde, genileme boyunca alma akkann sabit Tmax scaklnda tutabilmek iin sisteme dardan s transfer edilmektedir. Yaplan i, transfer edilen sya eittir. Scaklk sabit olduundan i enerjide bir deiiklik olmamakta, fakat alma akkannn entropisi artmaktadr.

13

14

4-1 sabit hacim ilemi : Bu ilemde alma akkanndan rejeneratre s transfer edilmesi sonucunda, alma akkannn scakl maksimum deerden minimum deere dmektedir. yaplmamaktadr. enerji ve alma akkannn entropisi azalmaktadr.

15

Rejeneratrl evrimlerde, 2-3 ileminde rejeneratrden alma akkanna transfer edilen s, 4-1 ileminde alma akkanndan rejeneratre geri verilmektedir. Maksimum scaklkta sisteme verilen toplam s (Q1);

16

3.1.1. zotermal Analiz zotermal analiz Stirling motorunun icadndan 50 yl sonra Gustae Schmidt tarafndan gelitirilmitir. Bu analiz yaplan kabuller nedeniyle sistem performansn tam olarak ifade etmekten ok matematiksel zm kolayl ile dikkati ekmektedir. zotermal analiz kullanlarak Stirling motru iin kabul edilebilir g deerleri hesaplansa bile verim ve s transferi deerleri gerek deerden ok uzaktr. Bu nedenle zotermal analiz ilk boyutlandrma hesaplarnda kullanlmaktadr. zotermal analizde aadaki kabuller yaplmtr:1. Genileme ve stc blgesinde scaklk sabit ve kaynak scaklna eittir.

2. Sktrma ve soutucu blmesinde scaklk sabit ve kuyu scaklna eittir.3. Rejeneratr ierisinde lineer scaklk dalm kabul edilmektedir. deal

rejenerasyon vardr. 4. evrim boyunca akkan ktlesi sabittir. Stirling motorunda kaak yoktur.5. akkan ideal gaz olarak kabul edilmektedir.

6. Stirling motoru devir says sabittir. 7. Akkann kinetik ve potansiyel enerjisi ihmal edilir. 8. Ak srtnmesizdir. 9. Istc, soutucu ve rejeneratrde basn kayb yoktur. zotermal analizde; yaplan kabullere dayanlarak oluturulan izotermal model (ekil 3.8) kullanlmtr. Bu modelde Stirling motoru sktrma blgesi, soutucu, rejeneratr, stc ve genileme blgesi olmak zere be blgeye ayrlmtr. zotermal modelde ara balant elemanlar gsterilmemi, genileme veya sktrma blmesi ierisine l hacim olarak dahil edilmitir.

17

ekil 3.8. zotermal Model ekilde; Tk , soutucu scakln; Tr , rejeneratr scakln; Th , stc scakln; mc , sktrma hacmi ierisinde bulunan i akkan ktlesini; mr , rejeneratr hacmi ierisinde bulunan i akkan ktlesini; mk , soutucu hacmi ierisinde bulunan i akkan ktlesini; mh , stc hacmi ierisinde bulunan i akkan ktlesini; me , genileme hacmi ierisinde bulunan i akkan ktlesini; p , sistem ierisindeki basnc; Qc , sktrma hacmi olan s transferini; Qk , soutucu hacmine olan s transferini; Qr , rejeneratr ierisindeki s transferini; Qh , stc hacmine olan s transferini; Qe , genileme hacmine olan s transferini belirtmektedir. zotermal modele her blge iin oluturulan denklemler zlerek Stirling motorunun analizinde kullanlacak olan genel denklemler elde edilmitir. Bu denklemlerin zm iin hacim deiimlerinin belirlenmesi gerekmektedir. Bu deiimlerin belirlenmesi motorun yapsna ve sr mekanizmasna baldr.

18

3.1.1.1. Schmidt analizi ve Schmidt says zotermal analiz denklemlerinin ilk zm 1871 ylnda Gustav Schmidt tarafndan yaplmtr (Urielli, Berchwitz, 1984). Schmidt tarafndan yaplan analizde sinuzoydal hacim deiimleri iin zmler elde edilmi, motor gc ortalama etkin basnca ve sprme hacmine bal olarak ifade edilimtir. Buna gre;

Sc, Schmidt saysdr. Schmidt says motor hacim oranlar ile genleme ve sktrma hacimleri scaklklarnn ieren boyutsuz bir saydr. Bu say Stirling motorlarnn performanslarnn karlatrlmasnda kullanlan boyutsuz bir byklktr. 3.1.1.2. Beale Says William Beale tarafndan deneysel verilerden faydalanlarak motor performansnn tespitinde kullanlan bir parametre belirlenmitir (Urielli, Berchowitz, 1984). Bu parametre Beale says olarak bilinmektedir. Beale says motor gc sprme hacmi ve motor devir says arasndaki bir bantdr.

Burada; Be, Beale saysdr. Beale says Stirling motorlarnn btn boylar ve tipleri iin geersiz boyutsuz bir olup deeri yaklak 0,015dir.

19

3.1.2. Adyabatik Analiz zotermal analizde sistemin almas iin gerekli olan s transferi izotermal alma blgelerinin (genileme ve sktrma hacimleri) snrlarnda meydana geldii kabul edilerek stc ve soutucunun etkileri ihmal edilmektedir. Ancak gerek artlarda sistemin almas iin gerekli olan s transferi sadece stc ve soutucuda gereklemektedir. alma blgelerinin izotermal kabul edilmedii ilk analiz Finkelstein tarafndan yaplmtr. Bu analizde alma blgeleri adyabatik olup s transferi stc ve soutucuda i akkannn s transferi katsaysna bal olarak sonlu miktarda gereklemektedir. Bu yapsyla adyabatik analiz stc ve soutucudaki s transferinin sistem zerindeki etkilerinin incelenmesine imkan salamaktadr. Ayn i akkan ktlesine sahip ve ayn artlar altnda alan sistemlerde izotermal analiz ile adyabatik analiz arasnda kayda deer bir performans fark olmad grlmektedir. Ancak adyabatik analizde politropik ilem sonucu ortaya kan byk basn salnmlar nedeniyle k gc izotermal analize gre daha yksek olduu buna karn verim deerinin daha dk olduu grlmektedir. Finkelstein tarafndan teorisi oluturulan adyabatik analiz Walker ve Kohn tarafndan adyabatik genileme ve sktrma ilemlerindeki kstlamalar gznnde tutularak geniletilmitir (Urielli, Berchowitz, 1984). Fakat alma artlarna bal olan scakln lineer olmamas nedeniyle bu analiz genelletirilmemitir. Adyabatik analiz denklemlerinin oluturulmasnda adyabatik model kullanlmtr (ekil 3.9).

ekil 3.9. Adyabatik Model

20

Bu modelde Stirling motoru sktrma hacmi, soutucu, rejeneratr, stc ve genileme hacmi olmak zere be blme ayrlarak incelenmitir. Adyabatik modelde kullanlan stc, soutucu ve rejeneratrn zellikleri izotermal modelde kullanlanlar ile ayn olup ideal olarak kabul edilmitir. Buna gre bu modelde stc ve soutucu ierisinde scaklklar sabit, rejeneratrde ise lineer olarak deimektedir. Adyabatik modelde genileme ve sktrma hacimleri ise adyabatik olarak kabul edilmitir. Buna gre genleme ve sktrma blmelerinde scaklklar artlara bal olarak deimektedir. Adyabatik analizde adyabatik model kullanlarak her blme iin oluturulan diferansiyel denklemler birletirilmi ve tm sistem iin bir denklem takm gelitirilmitir. Bu denklemler zlerek sistem incelenmektedir. Ancak bu denklemlerden bazlarnn diferansiyel denklemler olmas nedeniyle zm iin nmerik metodlar kullanlmaldr. 3.2 Stirling Motorlarnn Mekanik Prensipleri Stirling motorlar ilk icadndan bu yana farkl tiplerde birok motor retilmektedir. Temelde hepsinin alma prensibi ayndr. Fakat tasarmda karlalan szdrmazlk, l hacim ve benzeri problemlere zm bulabilmek iin farkl mekanik dzenlemelerde motorlar tasarlanmaktadr. Stirling motorlar mekanik dzenleme bakmndan aadaki ekilde

snflandrlabilmektedir; - Tek etkili scak hava motorlar, - ift etkili scak hava motorlar. 3.2.1 Tek Etkili Stirling Motorlar Scak hava motorlarnda motor iindeki basn, pistonun her tek ynne de etki ettiinden dolay bu motorlar tek etkili olarak adlandrlmtr. Tek etkili scak hava motorlar, sktrma ve genileme hacimleri ile rejeneratrden meydana gelmektedir. Walker,1980e gre silindir ierisinde alan elemanlarn her ikisi de piston olabilecei gibi, bir piston bir de yer deitirme pistonu olabilmektedir. Krank mekanizmal veya ayr bir hareket mekanizmas da kullanlabilmektedir. Tek etkili scak hava motorlarn grupta toplamak mmkndr. Bunlar beta, gama ve alfa tipleridir.

21

3.2.1.1 Alfa Tipi Stirling Motorlar ekil 3.10 da grld gibi bu motor iki ayr g pistonuna sahiptir. Pistonlardan bir tanesi scak silindir iinde, dieri souk silindir iinde almaktadr. ki silindir arasndaki balant, sisteme seri bal rejeneratr ile salanmaktadr. Scak ve souk silindirler birbirinden tamamen ayr olduu iin silindirler arasnda sl etkileim gereklememektedir. Sistemin stnl yksek bir g/hacim oranna sahip olmasdr. Bununla birlikte yksek scaklk pistonunda karlalan szdrmazlk sorunlar ve l hacimlerin fazlalndan kaynaklanan g kayplar motorun olumsuz zellikleridir.

ekil 3.10. Alfa Tipi Stirling Motoru Szdrmazlk problemleri nedeniyle dk scaklklarda alan makinelerdir. Bu sebeple buzdolab ve s pompas gibi sistemlerde tercih edilmektedir.Scak taraftaki i pistonu genilerken i retmekte ve ayn anda souk taraftaki piston i ekmekte bunu da volann ataletinden karlamaktadr. Bunun dnda bu tipe dahil olan dner silindirli (Finkelsteinnin dizayn), V silindirli dizaynlar da mevcuttur.

22

3.2.1.2. Beta Tipi Stirling Motorlar Bu motor, ayn silindir ierisinde yer alan, birbiriyle e merkezli olan bir yer deitirme ve g pistonuna sahiptir. Yer deitirme pistonu sadece gazlarn scak blgeden souk blgeye aktarlmasn salamaktadr. Silindirin bir ucu stlrken, dier ucu soutulmaktadr. Istma ve soutma ilemleri, silindir cidarndan yaplabilecei gibi rejeneratr kanal zerinden de yaplabilmektedir. Rejeneratr yer deitirme pistonu ierisine de yerletirilebilmektedir. Istma ve soutma ilemleri ayn silindir zerine uygulandnda, scak ve souk ular arasnda sl etkileimin olmamas iin s yaltmna nem verilmektedir. Sistemin balca stnl hareketli szdrmazlk elemanlarna ihtiya duymamasdr ve piston bindirmesi sayesinde yksek sktrma oranlarna ulalabilmesidir.

ekil 3.11 Beta Tipi Stirling Motoru

ekil 3.11de grld gibi, beta tipi scak hava motorunda silindir hacmi yer deitirme pistonu ile iki hacme ayrlmaktadr. Yer deitirme pistonunun stnde yer alan hacim, alma akkannn stlarak genlemesinin saland stma hacimdir. Yer deitirme pistonu ile g pistonu arasndaki hacim ise sktrma ileminin gerekletii,23

soutma blgesini oluturmaktadr. Bu iki blge rejeneratr kanal ile birbirine balanmaktadr. Motorda stma ve soutma kesintisiz olarak yaplmaktadr.

ekil 3.12. Beta Tipi Stirling Motoru leyii

1-2 politropik sktrma evresinde, g pistonu ANda, yer deitirme pistonu Nda iken, alma akkannn byk bir ksm souk blgededir. G pistonu yay kuvvetinin etkisi ile Nya doru hareket ettiinde, akkan souk blgede sktrlmaktadr. 2-3 sabit hacimde stma ileminde, skma sonunda basn artnn tesiri ile souk blgeyi dolduran gazn bir ksm, rejeneratr kanalndan geerek scak blgeye dolmaktadr. Bu gei esnasnda rejeneratrden alma akkanna s transfer edilmektedir. Burada scakl artan alma akkan, genleerek yer deitirme pistonunun ANya doru ilerlemesine neden olmaktadr. Bu esnada g pistonu Nda olduundan souk blgedeki gaz, skmaya devam etmektedir. Anlk olarak yer deitirme pistonu ANda iken g pistonu Nda bulunmaktadr. Bu ok ksa zaman diliminde i akkannn hemen hemen24

tamam scak blgede yer almaktadr. Bu evrede sadece yer deitirme pistonu hareket ettiinden silindir iinde hacim deiiklii olmamaktadr. 3-4 politropik genileme ileminde, souk blgede oluan basn kuvveti etkisi ile g pistonu Ndan ANya doru hareket etmektedir. Genileme evresinde hacim artt iin basn azalmaktadr. 4-1 sabit hacimde soutma evresinde, yay kuvvetlerinin etkisi ile hareket pistonunun, AN konumundan N konumuna doru hareketi sonucunda, scak blgeyi dolduran gazlar rejeneratr kanalndan geerek souk hacme dolmaktadr. Rejeneratrden gei esnasnda s, alma akkanndan rejeneratre transfer edilmektedir. Rejeneratre verilen s, bir sonraki evrimin 2-3 sreci srasnda i akkanna transfer edilmektedir. Yer deitirme pistonu Nya ulatnda, alma akkannn hemen hemen tamam souk blgede yer almaktadr. lem sresince sadece hareket pistonu yer deitirdiinden silindir hacmi deimemekte ve soutma sabit hacimde gereklemektedir. Dier motorlarda da olduu gibi motorun almas iin ilk hareket dardan verilmektedir. 3.2.1.3. Gama Tipi Stirling Motorlar ekil 3.13de grld gibi gama tipi scak hava motorlar, beta motoru gibi bir yer deitirme ve g pistonuna sahiptir, ancak pistonlar birbiriyle e merkezli olmayan ayr silindirlere sahiptir. Silindirler birbirine paraleldir ve l hacmi en aza indirecek ekilde yerletirilmektedir. Birinci silindir, alma hacminin azaltlp, arttrlmasn yani i akkannn sktrlp, geniletilmesini salamaktadr. kinci silindir, yer deitirme pistonu aracl ile i akkannn soutulup, stlmas grevini yerine getirmektedir. Tasarmn avantaj mekanik olarak basit olmasdr, bununla birlikte dk sktrma oranlar olumsuz yandr.

25

ekil 3.13 Gama Tipi Stirling Motoru Bu tip motorlarn evriminde bir yer deitirici ve bir piston grev almaktadr. alma akkann yer deitirme pistonunda sabit hacimde stlmas ve soutulmas gerekletirilmektedir. ekil 3.14de grld gibi biyel muylusu yatay dorultu ile 135 a yapar konumda iken, alma maddesinin hemen hemen tamam yer deitirme silindirinde sktrlm ve stlm vaziyettedir. Krank mili saat ynnn tersi ynde 90 hareket ederken yer deitirme pistonu AN civarnda kalmakta, g pistonu Ndan ANya doru hareket etmektedir. Bu esnada yer deitirme silindirinin scak hacminde bulunan i akkan g pistonunun hacmine yaylmaktadr. Krankn tekrar saat ynnn tersine 90 lik a yapacak ekilde yol kat ederken g pistonu AN civarnda sabit kalmaktadr. Yer deitirme pistonu ise ANdan Nya doru hareket etmektedir. Bu esnada yer deitirme silindirinin aasnda yer alan souk hacim genilemekte, dier tarafnda bulunan scak hacim azalmaktadr. ki taraftaki hacim deiiklii birbirine eit olacandan toplam hacim deimemektedir. Krank milinin saat ynnde 90lik nc dn esnasnda Yer deitirme pistonu N civarnda sabit kalmakta, g pistonu ise ANdan Nya doru hareket etmektedir. G silindirinde i akkannn kaplad toplam hacim daralmaktadr. Bunun etkisiyle G silindirinde bulunan scak gaz, yer deitirme silindirinin souk blgesine gemektedir. Dn tam olarak tamamlandnda alma akkannn ou yer deitirme silindirinin souk blgesinde yer26

almaktadr. Krank milinin saat ynnde 90lik drdnc dnnde ise g pistonu N civarnda sabit kalmakta, yer deitirme pistonu Ndan ANya doru ilerleyerek souk hacimdeki alma maddesini scak hacme sprr. Bu ilem sresince i akkan hacmi sabit kalr.

ekil 3.14. Gama Tipi Motorun ematik Resmi

3.2.2 ift Etkili Stirling Motorlar Scak hava motorlarnda motor iindeki basn, pistonun her iki ynne de etki ettiinden dolay bu motorlar ift etkili olarak adlandrlmtr. ift etkili scak hava motorlarnda silindir says motor saysna eittir. ift etkili scak hava motorlarnn ok eitli dzenlemeleri vardr. Bu tasarmlardan birinde, bir silindirin genileme hacmi ile dier silindirlerin sktrma hacmi arasna rejeneratr yerletirilmitir. Walker, 1980e gre, ift etkili motorlarn en byk avantaj tek etkili scak hava motorlarna gre daha az para saysna sahip olmalardr. ift etkili scak hava motorlar, 1853 ylnda Fransz mhendis Charles Louis Franchot tarafndan icat edilmitir. 1885 ylnda Babcock bu motoru uygulamaya geirmitir. 1985 ylnda, Finkelstein ve Polanski, ift etkili scak hava motorunu tekrar tasarladlar. ngiliz bilim adam Sir William Siemens tarafndan genel anlamda ok etkili bir model tasarlanmtr. Bu motor drt silindiri ve her silindirde tek piston ve ona balanm eik plaka mekanizmas27

mevcut idi. Motor 80 yl sonra Philips program erevesinde Van Weenan tarafndan yaplmtr. Philips-Ford otomobil motorunda drt silindirli eik plaka src mekanizmal Siemens motoru kullanmtr. 3.2.2.1 ift Etkili Franchot Stirling Motoru

ekil 3.15. ift Etkili Franchot Stirling Motoru

ekil 3.15de Franchot scak hava motorunun prensip emas gsterilmitir. ki piston drt hacim snrlamaktadr. Bunlarda birer ift olarak iki ayr alfa makinesi alyormu gibi dnlebilir. Alfa makinesinde olduu gibi genleme ve sktrma pistonlar arasnda yaklak 90 bir faz as gereklidir. Scak tarafta alan piston ubuunun szdrmazl bir problem olarak gzkmektedir.

28

3.2.2.2 ift Etkili Siemens Stirling Motoru 1863 ylnda Sir William Siemens tarafndan dizayn yaplan motor 1940t Weenan tarafndan tekrardan ortaya konmutur. Bugn yksek performansl scak hava motorlarnn prensibi buna dayanmaktadr. ekil 3.16da Rinia makinesi olarak adlandrlan Siemens scak hava motoru gsterilmitir.

ekil 3.16. ift Etkili Siemens Stirling Motoru Pistonun sadece bir tarafnda sktrma (souk) odas bulunmakta, bu da szdrmazln dk scaklkta olmasn salamaktadr. Siemens makinesi ift etkili olma ve szdrmazln souk blgede olmasn salayan birletirme olayna sahiptir. Bu ekilde yksek glere klmas salanmaktadr. Silindir saysnn pratikte snrlamas yoktur. Silindir sralama ekilleri U, V, drt ke ve daire eklinde olabilmektedir. Sekil 3.16daki motorun sadece bir paras ele alndnda motorun alfa tipi olduu ortaya kmaktadr. 3.3 Serbest Pistonlu Stirling Motorlar Bu tip motorlarda g pistonu, yer deitirici piston ve bunlarn evresiyle herhangi bir mekanik balant yoktur. Her iki pistonda serbest hareket etmektedir. Dntrlen enerji bir membran yardmyla (hidrolik-mekanik enerji), bir rejeneratr yardmyla (elektrik enerjisi), bir s deitiricisi ile (s iletimi) veya dier bir takm kombinasyonlarla iletilmektedir. Prensip olarak btn scak hava motorlar serbest hale dntrlebilmektedir. Bunun iin darya kan mekanik balantlar (biyel ve kollar) motorun i ksmnda bulunan yaydamper sistemleri ile deitirilmektedir. Yay olarak genellikle gazn kendisi ve snm iin de29

piston ile silindir arasndaki srtnme kullanlmaktadr. En kk scaklk deiimlerinde ve bunun sonucunda meydana gelecek basn deiimleriyle hemen titremeye yani harekete gemektedir. Yksek hzl motorlar iin s deitiricinin darda olmas gereklidir. Buna ramen yaplarnn basit oluu, yanal kuvvet tamamalar ve her trl szdrmazlk problemlerinin ortadan kalkmas nedeniyle olduka ilgi ekici motorlardr. 3.4 Sv Pistonlu Stirling Motoru Dr. Colin D. West tarafndan ortaya atlmtr ve bu konu zerinde bir kitab vardr. ekil 3.17deki cam tpn st tarafnda hava ve su buhar karm vardr. Sol tarafta hava stlmakta sada ise soutulmaktadr. Makine dardan bir s kayna ile harekete geirilmekte scaklk yeteri kadar olduu zaman yer deitirici ksmda su hafif salnmlar yapmaya balamaktadr. Su scak taraftan souk tarafa akt zaman hava balant borusundan scak silindir ierisine emilmektedir. Burada snan hava btn sistemde basncn artmasna neden olmaktadr. Basn artnca da i pistonu aaya doru hareket etmektedir. Bu evrimin tamamlanabilmesi iin yer deitiricideki su stunu souk taraftan scak tarafa akar. Bu durumda hava souk silindirin iinde soutulur ve basnc dmektedir. Oluan alak basnc karlamak amacyla g pistonu geri hareket etmektedir. Eer s enerjisi verilir ve enerji ekilmezse salnm hareketi hzlanarak devam etmektedir. retilen i membran, bir kol veya bir hidrolik tahrik sistemiyle ekilmektedir.

ekil 3.17. Sv Pistonlu Stirling Motoru

30

3.5 Stirling Motorlarna Genel Bir Bak Stirling motorlar, farkl scaklktaki i akkannn geniletilmesi ve sktrlmas ilemlerinin kapal ve rejeneratif bir evrim olan Stirling evrimi boyunca tekrarland termal sistemlerdir. Teorik olarak en yksek verime sahip motorlardr. Ayrca sessiz ve titreimsiz almalar, zel bir yakta veya enerji kaynana bal kalmadan kullanlabilmeleri, yeterli tork ve zgl g deerleri ve basit tasarmlar ile bu motorlar aratrma konusu olarak gndeme gelmektedir. Scak hava motorlarnn genel olarak stnlkleri aadaki gibi sralanabilir: 1- Stirling motorlarnda her trl s kayna kullanlabilmektedir.2- Termik verimi Carnot evriminin verimine denktir ve sktrma oranna bal

deildir. 3- Hareketli paralarn az olmas retim maliyetinin dk olmasna neden olmaktadr. 4- Montaj ve bakm dier motorlara gre daha kolay ve ucuzdur. 5- ok kk ebatlarda yaplabilecei gibi, ok byk boyutlarda da

yaplabilmektedir. 6- ten yanmal motorlarda olduu gibi grltl almaz. 7- Silindir ierisinde yanmann gereklememesi ve hareketli paralarn az olmas, stirling motorunun mrnn uzun olmasn salamaktadr.8- Yanma rn olan NOx , CO , yanmam HC ve partikl emisyonlar

olumadndan, evre kirliliine neden olmamaktadr. Olumsuz yanlar ise: 1- Piston malzemesinin s iletim katsays, silindirin et kalnl ve s transfer alan gibi sistem zelliklerinin etkisi ile motorun almas iin gerekli olan snn silindir ierisindeki alma akkanna transferi, zaman almaktadr. Bu nedenle motorun ilk hareketi, ani olarak gerekleememektedir.

31

2- Motor kapal sistem olduundan, alma akkan srekli olarak silindir ierisinde yer almaktadr. Szdrmazlk problemi zlemez ise gaz kaaklar olumakta ve motor verimi azalmaktadr. 3- l hacimlerin fazla olmas, motor verimini drmektedir. 4- Motorun yavalamas ve hzlanmas zaman almaktadr. Piston hz kontroll yaplmas zordur. 5- Silindirin u blgesi kesintisiz olarak yksek scakla maruz kaldndan, bu blgede termal gerilmeleri nlemek iin scakla dayanm fazla, yksek malzemeler kullanlmaktadr. 4. STRLNG MOTORLU ENERJ RETM SSTEMLER Gne enerjisi ok byk ve tkenmeyen bir enerji kaynadr. Dnya zerine den gne enerjisi miktar 1,8x1011 MW civarndadr. Bu miktar dnya zerindeki btn kaynaklardan salanan enerji miktarndan birka bin kat daha fazladr. Bununla birlikte gne enerjisi dnyann her yerinde eitli kullanm alanlar iin yeterli miktarda bulunan bir enerji kaynadr. Bu nedenle gne enerjisi u andaki ve gelecekteki btn ihtiyacmz karlayabilecek umut verici bir kaynak olarak grnmektedir. Gne ok byk bir enerji kayna olmasna ramen gne enerjisi kullanmnda eitli sorunlarla karlalmaktadr. Bunlardan en nemlisi, gne mas iddetinin zamana ve iklim artlarna ok fazla miktarda bal olmasdr. Endstriyel kullanm iin tasarlanacak olan sistemlerde gne mas iddetinin bilinmesi belirlenmesinde kullanlacak korelasyonlar elde edilmeye allmtr. Gne enerjisi kullanmndaki bir dier sorun ise gne aksnn endstriyel kullanm iin dk miktarlarda olmasdr. Gne enerjisini daha youn hale getirebilmek ve kullanlabilirliini salamak iin birok aratrma yaplm ve eitli sistemler(kollektrler) gelitirilmitir. Bu sistemler gne aksn bir blgede odaklamak iin yanstc yzeyler kullanmaktadrlar. Odak blgesinde ise i akkann tayan bir alc bulunmaktadr. Amerikan Enerji Bakanl, Enerji Verimlilii ve Yenilenebilir Enerji ebekesi tarafndan yaplan aratrmada enerji retimi iin kullanabilecek olan teknolojiler incelenmitir. Bu teknolojiler arasnda, dz parabolik kollektrleri ve anak eklindeki parabolik kollektrleri kullanan teknolojiler yaplarda kullanlabilirlii olan teknolojilerdir.32

Dz parabolik kollektrler (ekil 4.1) gne aksn kanal eklindeki parabolik yanstcnn odak noktasnda bulunan tp eklindeki alc zerine younlatran sistemlerdir.

ekil 4.1. Dz Parabolik Kollektr Gne aksn odaklamak iin kullanlan bir dier sistem ise anak eklindeki parabolik yanstclarn kullanld sistemlerdir (ekil 4.2).

33

ekil 4.2. anak eklindeki Parabolik Kollektr Kollektrler kullanlarak endstriyel kullanm iin yeterli miktarda toplanlan gne aks bir i akkanna aktarlmakta ve akkann belirli scaklk deerlerine kadar snmas salanmaktadr. Istma amal uygulamalarda ise toplanan s i akkan vastasyla bir enerji santraline iletilmekte ve bu santral ierisinde bulunan sistemlerde enerji kayna olarak kullanlmaktadr. Enerji retimi amal uygulamalardaki en byk gelime ise stirling motorlarnn anak eklindeki yanstclarla birlikte kullanlmas olmutur. 1980li yllarda gelitirilmeye balanan anak eklindeki parabolik yanstcl ve Stirling motorlu teknolojiler (anak/Stirling teknolojileri) bir santral inasna gerek kalmadan tek balarna enerji retebilmektedirler. anak/Stirling Teknolojilerinin kapasiteleri (5-25 kW) ok yksek olmamakla beraber gerek Stirling motorlarnn gerekse anak eklindeki parabolik yanstclarn yksek verimleri nedeniyle bu teknolojiler gne enerjisi teknolojileri arasndaki en verimli sistemlerdir. Stirling motorlar; farkl scaklk deerlerindeki i akkannn geniletilmesi ve sktrlmas ilemlerinin kapal ve rejeneratif bir termodinamik evrim olan Stirling evrimi boyunca tekrarland termal sistemlerdir. Modern anak/Stirling sistemlerinin ilk uygulamas 1984 ylnda Advanco irketi tarafndan gerekletirilmitir. Advanco irketinin gelitirdii kollektr ile otomotiv uygulamalar iin gelitirilen United Stirling 4-95 Mark II Stirling motoru kullanld bu sistem (ekil 4.3) % 29,4 verimle 25 kWe g retebilmektedir. Bu sistem bu gne kadar34

gelitirilen en verimli sistem olmasna karn yksek maliyeti nedeniyle sadece bir adet retilmi ve test amal kullanlmtr.

ekil 4.3. Advanco/Vanguard 25 kWe anak Stirling Sistemi United Stirling AB irketi tarafndan gelitirilen 4-95 Mark II Stirling motorunda (ekil 4.4) 4 adet paralel piston bir k aftna hareket veren iki adet kranka balanmtr. Bu motor dakikada 1800 devir ile almakta ve 25 kW g retmektedir. akkan olarak hidrojenin kullanld bu motorlarda ortalama etkin bas 20 Mpa, sprme hacmi 540 cm 3 , en yksek scaklk ise 720oC dir.

ekil 4.4. United Stirling 4-95 Mark II Stirling Motoru United Stirling 5-95 Mark II Stirling motorunun kullanld bir dier sistem (ekil 4.5) ise 1984 ve 1988 yllar arasnda McDonnell Douglas irketi tarafndan gelitirilmit. 6 adet

35

retilen bu sistem test amal kullanlmaktadr. Bu sistem % 29 verimle 25 kW e g retebilmektedir.

ekil 4.5. McDonnell Douglas 25 kWe anak/Stirling Sistemi Sclaich Bergermann und Partner irketi tarafndan gelitirilen United Stirling 4-275 Stirling motorlu sistemde (ekil 4.6) ise % 23 verimle 53 kWe g retimi salanmtr. 1984 ylnda gelitirilen bu sistem Avrupadaki en byk kapasiteli anak/Stirling sistemi olup 3 adet retilmitir.

ekil 4.6. German/Saudi 50 kWe anak/Stirling Sistemi United Stirling AB irketi tarafndan gelitirilen bir dier Stirling motorunda (ekil 4.7) (4-275 Stirling motoru) 4 adet paralel piston iki adet kranka balanmtr. Bu motor dakikada 1500 devir ile almakta ve 50 kW g retmektedir.36

akkan olarak hidrojenin

kullanld bu motorlarda ortalam etkin basn 15 MPa , sprme hacmi 1560 cm3 , en yksek scaklk ise 620oC dir.

ekil 4.7. United Stirling 4-275 Stirling Motoru

Sclaich Bergermann und Partner irketi tarafndan gelitirilen bir dier sistem (ekil 4.8) ise 9 kWe gcndedir ve % 20,3 verimle almaktadr 1991 ylnda gelitirilen bu sistemde Stirling Power Systems irketi tarafndan imal edilen Solo V 160 tipi bir Stirling motoru kullanlmaktadr. Bu sistemlerden 5 adet retilmitir ve test amal kullanlmaktadr.

ekil 4.8. Schlaich Bergermann und Partner 9 kWe anak/Stirling Sistemi United Stirling (sve) irketi tarafndan tasarlanan ve Stirling Power Systems irketi tarafndan imal edilen Solo V-160 Stirling motorunda (ekil 4.9) 90o krank asna sahip 2 adet piston bulunmaktadr. Bu motor dakikada 1500 devir ile almakta ve 9 kW g37

retmektedir. akkan olarak helyumun kullanld bu motorlarda ortalama etkin basn 15 MPa , sprme hacmi 226 cm3 , en yksek scaklk ise 630oC dir.

ekil 4.9. Solo V-160 Stirling Motoru 1992 ylnda Cummins Power Generation Inc. irketi tarafndan gelitirilen 7,5 kWe gcndeki sistem (ekil 4.10) ise %19 verimle almaktadr. Bu sistemde Sunpower Inc. irketi tarafndan tasarlanm olan 9 kW gcndeki serbest pistonlu Stirling motoru kullanlmtr. Bu sistemden 14 adet retilmitir. Aisin Seiki Co. , Ltd. irketi tarafndan 1992 ylnda tasarlanan 8,5 kW gcndeki sistem ise Miyako adasnn enerji ihtiyacn karlama zere kullanlmaktadr. Gne olmad zamanlarda enerji ihtiyacn karlamak zere bu sisteme 30 kWh kapasiteli elektro kimyasal bataryalar balanmtr.

38

ekil 4.10. Cummins Power Generation Inc. anak/Stirling Sistemi

Aisin Seiki Co. , Ltd. irketi tarafndan gelitirilen NS30A Stirling motorunda (ekil 4.11) 4 adet paralel piston bir sabir al eik plakaya balanmlardr. k aftnnda bal olduu eik plaka pistonlar arasndaki zamanlamay ayarlamaktadr. Bu motor dakikada 1500 devir ile almakta ve 30 kW g retmektedir. akkan olarak helyumun kullanld bu motorlarda ortalama etkin basn 14.5 MPa , sprme hacmi 831 cm 3 , en yksek scaklk ise 683oC dir.

ekil 4.11. Aisin Seiki NS30A Stirling Motoru

5. STIRLING MOTORLARINDA GNE ENERJS UYGULAMALARI Stirling motorlarnda, alma gaznn stlmas iin kullanlacak enerji kaynann tr ok eitli olabilir. alma gaznn scakln scak kaynak scaklna ykseltmek iin herhangi bir yakt yada enerji tr kullanlabilir. rnein odun, kmr gibi kat yakacaklar kullanlabilecei gibi petrol rnleri veya dier sv yaktlar ve gaz yaktlar (L.P.G., Doal gaz) alma gaznn stlmasnda kullanlabilir. Stirling motorlarnda kullanlmas planlanan ve kollektr sisteminin kurulmas dnda enerji maliyeti iin hi bir masraf gerektirmeyen dier bir enerji tr de gne enerjisidir. Gneten gelen direk gne nlar bir toplayc ile Stirling motorunun stcsna odaklanarak stcdan geen alma gaznn stlmas salanr. William Beale tarafndan serbest pistonlu Stirling motorunun yaplmas ile zellikle gne enerjisi uygulamalarnda nemli gelimeler kaydedilmitir. Gne enerjisi kollektr tarafndan toplanarak Stirling motoru stcsna verilir. Burada s enerjisi dorudan Stirling motoru39

sttcsna aktarlabilecei gibi gne nlar bir kaynama hcresine odaklanarak buradaki bir sv metal ile (genellikle potasyum yada sodyum) s enerjisi stc borularna aktarlabilir.

ekil 5.1. Prototip Stirling Motoru ve Gne Kollektr

ekil 5.2. Prototip Stirling Motoru ve Gne Kollektr-1 Stirling program erevesinde Stirling motoru iin tasarlanan ve yaplan tam parabolik kollektr dzlem para aynalardan olumu ve gne enerjisini izgisel olarak stc zerine odaklamaktadr. Kollektrn gvdesi fiberden yaplm olup, gvdeyi kuvvetlendirmek amacyla ierisine demir ubuktan yaplm kafes yerletirilmitir. Yaplan40

aratrmada bu apl bir ayna yapma imkan bulunmadndan gne nlarnn toplanmas iin dzlem para aynalar kullanlmtr. ekil 5.1de grld gibi drt kademeli bir kreden olumaktadr. Bu kre alt ksmndan kesilmi ve motorun stcs buradan kollektrn ierisine yerletirilmitir. Kollektrn ap 1.6 metre olup toplam alc yzeyi 2 m2 civarndadr. Yaz aylarnda gnein etkili olduu saatlerde birim alana den gne enerjisi miktar 750 Watt/m2 civarnda olup, ayna verimi de %95 olarak belirlenmi ve kollektrn toplad enerji mikrarda 1,4 kW civarndadr. Gne nlarnn Stirling motoru stcsna odaklanmasndan ksa bir sre sonra stc yzey scakl 750 C civarna ulamaktadr. 5.1. Prototip Stirling Motoru Prototip Stirling motorunun tasarm ve imalat ilemleri 1993 ylnda balatlm olup ilk Stirling motoru 1995 ylnda altrlmtr. alma gaz hava olan motor V-tipi olup iki silindirlidir ve alma gaz havadr. Silindirler arasnda 90 faz fark vardr. Silidir ap 52.4 mm ve kursu 58 mmdir. Motorun btn paralar tamamen proje alanlar tarafndan yaplm olup, dardan rulman ve civatann dnda herhangi bir motor paras kullanlmamtr. Motorun silindir gmlekleri ya eliinden yaplm, yada sertletirilmi, i yzeyi honlanarak ve leblenerek yksek kaliteli hassas yzey elde edilmitir. Pistonlar sifero dkm malzemeden yaplm ve yzeyi talama ile hassas hale getirilmitir. Dkme demir grafit ierdii iin ve grafitin yalama zelliinden dolay, yalanmadan uzun sre alm, motorda herhangi bir mekanik arza meydana gelmemitir. Piston ile silindir arasnda szdrmazlk salamak iin herhangi bir segman yada dier szdrmazlk elemanlarndan biri kullanlmamtr. Piston ile silindir arasndaki alma gaz kaaklarn en aza indirebilmek amacyla alma boluu ok kk seilmi ve 0.02 mm civarndadr. alma boluu ok kk olmasna ramen yine de her evrimde bir miktar alma gaz motorun karterine kamaktadr. Bu mahsuru ortadan kaldrmak iin birletirme portu zerine bir ek-valf yerletirilmitir. ek-valf ok kk alma basnlarda alarak eksilen alma gaznn tamamlanmasn ve her evrimde motor ierisindeki alma gaz miktarnn ayn kalmasn salamaktadr. Motorun ar snmadan dolay skmasn nlemek ve alma gaznn souk silindirde souk kaynak scaklnda kalmasn salamak iin piston gmlekleri ve soutucu zerine su ceketleri yerletirilmitir. Su ceketleri etrafnda soutma suyu dolatrlarak motorun soumas ve souk silindirde alma gaz scaklnn souk kaynak scaklnda kalmas salanmtr. Istc ise paslanmaz elikten yaplm olup st ksmna s

41

transfer alann artrmak amacyla kanatklar yerletirilmitir. Rejeneratr ise 100 M kromnikelli malzemeden yaplm olup, i ap 30 mm ve boyu 25 mmdir ierisinde 90 tabaka rejeneratr malzemesi yerletirilmitir. Biyel kollarnn krank mili balant ucuna ise srtnmeleri azaltmak amacyla rulman yerletirilmitir. Piston pimi geen ksmna ise bronz yuva yerletirilmitir. ekil 5.3te prototip motorun ematik resmi grlmekte ve Tablo 5.1de ise motorun teknik zellikleri verilmitir. Stirling motoru gelitirme program erevesinde yaplan ilk motor gne enerjisi ile atmosferik basnta maksimum 370 d/d motor hzna ulamtr. Motordan elde edilen mekanik g ise 7 W civarnda olmutur. Prototip Stirling motoru gne enerjisinin yan sra elektrik enerjisi, likid petrol gaz ve gaz yayla da baarl olarak altrlmtr. Daha sonraki almalarda arj basnc da uygulanm ve 900 C stc scaklnda atmosferik basnta maksimum motor hz 550 d/d ve motor gc ise atmosferik basnta 16 W, 2.5 bar arj basncnda ise 32 W olarak belirlenmitir. Istc st tarafna s transfer yzey alann geniletmek iin kanatklar yerletirilmi ve yaplan testlerde 1000 C scaklkta 2.5 bar arj basncnda 45 W ve 1100 C scaklkta maksimum motor hz 950 d/d 2.5 bar arj basncnda 65 W olarak belirlenmitir. Motor paralarnn dnme esnasnda meydana gelen atalet kuvvetlerini azaltma almalar yaplmtr. Bu alma srasnda herbir piston-biyel piston iftinde ortalama olarak ktleleri 800 gram azaltlmtr. Yaplan bu son alma ile motor hz atmosferik basnta 1060 d/dya ulam fakat motor gc 60 W civarnda olmutur. Yaplan literatr incelemesinde benzer hava ile alan motorlarla kyaslandnda, imal edilen Stirling motorunun benzerlerinin oundan daha yksek hz ve g rettii grlmektedir.

42

ekil 5.3. Prototip Stirling Motorunun ematik Grnm. Tablo 5.1. Motor zellikleri. Motor tipi Scak silindir hacmi VE Souk silindir hacmi VC Toplam l hacim Silindir ap Piston kursu Faz as Souk kaynak scakl TC alma maddesi st scakl TH Maksimum motor devri arj basnc alma maddesi Maksimum motor gc (V) 129.39 cm3 129.39 cm3 94.6 cm3 52.4 mm 58 mm 90 30 C 1100 C 1060 d/d 3 bar Hava 65 Watt

43

Toplam ayna aklk alan

2 m2

Yaplan motor deneyleri sonunda elde edilen 1100 C scaklkta motor gcnn motor hz ile deiimi ekil 5.4te grlmektedir. Deneyler ilk olarak atmosferik basnta yaplm ve basn kademeli olarak 2, 2.5 ve 3 bara ykseltilmitir. Motor arj basnc artrldka motor gcde artmakta fakat arj basnc 3 bara ykseltildiinde motor gcnde bir miktar azalma meydana gelmektedir. 3 barda meydana gelen bu g dmesinin sebebi motorun alma boluunda bulunan alma gaznn yeteri kadar stlamadndan kaynakland dnlmektedir. ekil 5.5te ise stc scaklnn fonksiyonu olarak motor gcnn deiimi grlmektedir. Grafiktende grlecei gibi motor gc hem stc scaklnn artrlmasyla hemde motorun alma basncnn artrlmasyla artmaktadr. Yaplan prototip Stirling motoru iin ideal alma basnc 2.5 bar olarak ortaya kmaktadr. ekil 5.6 da ise motorun yksz altrlmas durumunda motor hznn stc scakl ile ve arj basnc ile deiimi grlmektedir. ekildende grlecei gibi stc scakl arttka motor hzda artmakta arj basncnn artrlmasyla da motor hz azalmaktadr. Bu alma gaznn piston zerine yapt negatif basntan kaynakland ve alma gaz ktlesinin basnla artan oranda stlamadndan kaynakland dnlmektedir. Motor atmosferik basn artlarnda alt zaman olduka sessiz ve titreimsiz almaktadr. Sessizlik ve titreim iten yanmal motorlarla kyaslanmayacak kadar az olmaktadr. Fakat arj basnc uyguland zaman titreimlerin artt, 2.5 bar basncn zerinde ise olduka fazlalat grlmektedir. Bu esnada grltde ksmen artmaktadr. Motor hz ise bir evrimlik srede gzle grlr bir oranda artmakta ve azalmaktadr.

44

ekil 5.4. Motor Gcnn Istc Scakl ve arj Basnc ile Deiimi.

ekil 5.5. Istc Scakl ile Motor Gcnn Deiimi.

45

ekil 5.6. Motor Hznn Istc Scakl ve Basn ile Deiimi.

6. YEN TEKNOLOJLERTrk Patent Enstits Patent Bavuru No: 2010/1398 2010 YILINDA PATENT ALINAN MOTOR TP

46

YEN BR STRLNG MOTOR TP

6.1. Teknik Alan Bu bulu, scak hava motoru olarak da bilinen dtan yanmal bir motor bir s makinesi olan ve ayn zamanda s enerjisinin mekanik harekete dnmn salayan stirling motoru ile ilgilidir. Sz konusu bulu, istenilen dairesel hareketi salamak zere bahsedilen krank ile scak blm gaz gei borusu arasnda konumlandrlan biyel kolu, src piston, src mil, pistonlar, pistonlara dorusal hareketi salayan stc eanjr silindir ve bahsedilen krank ile souk blm gaz gei borusu arasnda konumlandrlan biyel kolu, src piston, src mil, pistonlar, ve soutucu eanjr silindir ile ilgilidir. 6.2. nceki Teknik Bilinen stirling motor eitlerinin tamamnda bir biyel koluna bir piston balanm halde alrlar. Stirling motorlarda alma gaz silindir hacmi ierisine dolduunda stma/soutma hz motor verimiyle doru orantl bir kriterdir. 6.3 Buluun Avantajlar: alma gaz hzl stlmakta ve hzl soutulmaktadr. alma gazn hzl stma ve hzl soutma ile motor verimi artmtr.47

-

ime ve szdrmazlk dengesi daha kolay kurulmaktadr. Gl stirling motor imalat bu metodla kolay gereklemektedir.

Yukarda anlatlan amalar salamak zere, krank ile scak blm gaz gei borusu arasnda konumlandrlan biyel kolu, src piston, src mil, pistonlar, pistonlara dorusal hareketi salayan stc eanjr silindir ve krank ile souk blm gaz gei borusu arasnda konumlandrlan biyel kolu, src piston, src mil, pistonlar, ve soutucu eanjr silindir ihtiva etmektedir. Yukarda anlatlan hareketin salanmasdr. 6.4. Para Numaralar: 1- ase 2- Biyel kolu 3- Rejeneratr 4a- Scak blm gaz gei borusu 4b- Souk blm gaz gei borusu 10- Istc eanjr silindir 11- Istc eanjr silindir alma gaz toplanma/dalma blm 12- Istc eanjr silindir alma gaz k boluu 13- Istc eanjr silindir alma gaz k boluklar 14- alma gaz stma alanlar 20- Soutucu eanjr silindir 21- Silindirler birletirici st ksm eleman 22- Soutucu eanjr silindir alma gaz toplanma/dalma blm 23- Silindirler birletirici alt ksm eleman 24- Soutucu eanjr silindir alma gaz k boluu 25- Soutucu eanjr silindir alma gaz k boluklar 26- alma gaz soutma alanlar 30- Src piston silindiri 40- Krank 41- Krank mili 42- Kranklar birletirici mili48

amalar

salamak

zere, stlmas sonucunda genleen,

soutulmasyla younlaan alma gaznn pistonlara etki ederek istenilen dorusal

43- Krank yataklama eleman 50- Src piston 51- Src piston biyel kolu balant mili 52- Src piston kompresyon nleyici hava boluu 53- Src piston-biyel kolu balant mili yuvas 54- Src piston-src mil balant pimi yuvas 60- Src miller 70- Pistonlar 71- Piston-src mil balant pimi yuvas 72- Piston-src mil balant pimleri A- Scak blm B- Souk blm

6.5. Buluu Anlatan ekiller:

ekil 6.1. Bulua Konu Olan Stirling Motorun Genel Boyutlu Grnm

49

ekil 6.2. Bulua Konu Olan Stirling Motorun Silindirleri Kesit Alndktan Sonra Genel Boyutlu Grnm

ekil 6.3. Bulua Konu Olan Stirling Motora Ait Silindirlerin Kesit Grnmleri

50

ekil 6.4. Bulua Konu Olan Stirling Motorun krank, biyel kolu, src silindir, src miller, pistonlar, rejeneratr ve gaz gei borularnn Genel Boyutlu Grnm

ekil 6.5. Bulua Konu Olan Stirling Motora Ait Src Piston, Src Miller ve Pistonlarn Genel Boyutlu Grnm

51

ekil 6.6. Bulua Konu Olan Stirling Motora Ait Istc Eanjr Silindir ve Soutucu Eanjr Silindirin Kesit Alndktan Sonra Src Elemanlaryla Boyutlu Grnm

ekil 6.7. Bulua Konu Olan Stirling Motora Ait Istc Eanjr Silindir ve Soutucu Eanjr Silindirin alma Gaz toplanma/dalma Blm Kesit Alnm Boyutlu Grnm

52

ekil 6.8. Eanjr Silindirin Farkl Gzenek Says ve Farkl ekillerde Tasarlanabileceine Dair rneklerin ki Boyutlu Grnm 6.6. Buluun Detayl Aklanmas ekil 6.1de buluun genel grnm boyutlu resimlenmi durumdadr. Bir ase (1), aseye balanm src piston silindiri (30) src piston silindirine balanm stc eanjr silindir (10) alma gaznn stld blmdr. Istlan alma gaz genleerek pistonlara (70) dorusal hareket kazandrr. Rejeneratr (3) alma gaznn stlmasn ve soutulmasna katk salayarak verimin artmas amacyla genellikle iinde tel sarglarn bulunduu elemandr. alma gaznn stc eanjr silindirden (10) soutucu eanjr silindire (20) rejeneratrden (3) geerek aktarlmas scak blm gaz gei borusu (4a) ve souk blm gaz gei borusu (4b) zerinden salanr. Pistonlarda (70) oluan dorusal hareket src elemanlar olan src piston (50) ve src mil (60) vastasyla biyel kolu (2) zerinden dairesel hareketin salayan kranka (40) aktarlr. Kranklarn (40) e hareketi iin kranklar birletirici mili (42) kranklara (40) balanmtr. rnekte soutucu eanjr silindir (20) ayr dairesel silindir grubu olarak tasarlandndan silindirleri birletirmede silindirler birletirici st ksm eleman (21) silindirleri birletirmektedir. ekil 6.2de silindirler kesit alndktan sonra bulu boyutlu resimlenmi durumdadr. stenilen dorusal hareket alma gaznn stc eanjr silindirde (10) stlmas sonucu genleerek pistonlara (70) etki etmesi ve yine soutucu eanjr silindirde (20) soutulan alma gaznn younlamasyla tekrar eden srete salanr. Grup halinde pistonlar (70) pistonlara bal src miller (60) vastasyla src piston (50) zerinden dorusal hareketi53

biyel koluna (2) aktarr. Biyel koluna (2) bal krankta (40) dorusal hareket dairesel harekete dntrlr. Bir s kayna ile stc eanjr silindir (10) ierisinde alma gaz stma alanlarnda (14) alma gaz stlr. Motor alma esnasnda stc eanjr silindir (10) stc eanjr silindir alma gaz k boluklarndan (13) kan alma gazlar stc eanjr silindir alma gaz toplanma/dalma blmnde (11) toplanr, buradan stc eanjr silindir alma gaz k boluundan (12) geerek scak blm gaz gei borusu (4a) vastasyla rejenaratre (3) gelir buradan souk blm gaz gei borusu (4b) vastasyla soutucu eanjr silindir alma gaz k boluundan (24) geerek soutucu eanjr alma gaz toplanma/dalma blmnden (22) soutucu eanjr k boluklarndan (25) geerek alma gaz soutma alanlarnda (26) dolar, burada alma gaz soutulur. Src piston silindiri (30) silindir hacmi ierisinde src piston (50)

konumlandrlmtr. Soutucu eanjr silindir (20) alma gaznn hzl soumas iin blmlere ayrlmtr, alma gaz soutma alanlarna (26) dolan alma gaz hzla sour. Soutucu eanjr silindirde (20) transfer edilen snm alma gaznn havaya aktarlabilmesi iin birbirlerinden ayr tasarlanmtr. Ayr olarak tasarlanm silindirleri silindirler birletirici st ksm eleman (21) ve silindirler birletirici alt ksm eleman (23) birletirmektedir. Istc eanjr silindir (10) kaynaktan ekilen snn muhafazas ve alma gaznn hzl stlmas iin bir blok halinde tasarlanmtr. ekil 6.5 de src elemanlar ve piston grubu boyutlu resimlenmi durumdadr. Src piston-biyel kolu balant mili yuvasnda (53) konumlandrlan src piston biyel kolu balant mili (51) src piston (50) ile biyel kolunu (2) birbirine balar. Src piston kompresyon nleyici hava boluklar (52) src pistonun (50) kompresyon yapmasn nler. Src piston-src mil balant pimi yuvasnda (54) konumlandrlan piston-src mil balant pimi (72) src piston (50) ve src mili (60) birbirine balar. Pistonlarda (70) bulunan piston-src mil balant pimi yuvasnda (71) konumlandrlan piston-src mil balant pimi (72) pistonla (70) src mili (60) birbirine balar. Yukarda detayl anlatm yaplan bir uygulama eklini gsterir tarifname , mevcut bulu zerine herhangi bir kstlama getirmeksizin kolay anlalabilecek trde bir rnek olmas amacyla verilmektedir. Bu rnekte her blmde 6 piston grubu bu piston gruplar iin 6 blm dairesel tasarlanm silindir deerleri verilmektedir. Eanjr silindir ekil 6.8de54

resimlenen rneklerde rnein 3 blm veya 12 blmden oluan farkl saylarda bir blok halinde veya ayr ayr hava boluklu, dairesel-yan yana dizilmi veya apraz dorusal gibi bulu aklamasnn muhtelif modifikasyonlara ak olmas gz nne alnarak, mevcut buluun ekte verilen istemler kapsamyla deerlendirilmesini talep edilmektedir. 7.STRLNG MOTORU MALATLARI 7.1. Gamma Tipi Stirling Motoru Bu proje ile meslek liseleri arasnda yaplan proje yarmasnda Mersin il birincilii ve Antalya blge ikincilii kazanmtr. Gamma tipi Stirling motorunda biri stlan dieri soutulan iki silindir ve piston bulunmaktadr. Istlan silindir iindeki piston displacer (yer deitirme pistonu) ok hafif olmaldr. Soutulan ksndaki piston (g pistonu)ar olmaldr nk yksek bir atalete sahip olmas gerekmektedir. Sistem tamamen kapal olmaldr. alma gaz olarak hidrojen, helyum olabilecei gibi hava da kullanlabilir Motorun yapm esnasnda rahatlkla bulunabilecek malzemeler seilmitir. Motorumuz u ksmlardan olumaktadr: Displacer Silindiri Displacer Pistonu G Silindiri G Pistonu Silindir Kapa Soutucu Volan

Fotoraf 7.1. Displacer Silindiri

55

Displacer Silindiri : Silindir piyasada rahatlkla bulabileceimiz balata spreyi kutusundan yaplmtr. Silindir ap : 67 mm Silindir ykseklii ise yaklak 200 mm dir.

Fotoraf 7.2. Displacer Pistonu Displacer Pistonu : ok hafif olmas gereken piston alminyum folyodan imal edilmitir. Hava almas engellenmi ortasndan delinerek 4mm mile kontra somunla sabitlenmitir. Piston ap 54 mm, Piston ykseklii 110 mm dir.

Fotoraf 7.3. G Silindiri G Silindiri : G silindiri olarak bir aracn piston pimini kullanmtr. Boyu uygun ekilde ksaltlm ve bir tarafna delikli bir ember kaynatarak flanl hale getirilmi.56

Silindir ap 19 mm Kursu 30 mm dir. Silindirin bir tarafn kapatp u ksmnada LPG cilerde bulabileceiniz bir rekor taklmtr.

Fotoraf 7.4. G Pistonu G Pistonu : G pistonu olarak bir aracn fren teker pistonu kullanlm. Alminyum malzemeden olmas ve silindire tam uymas tercih sebebiydi. Piston ap 19 mm. Pistona kol takabilmek iin pistonun st ksm delinmi ve pim yardmyla kolu az bolukla pistona taktlmtr.

57

Fotoraf 7.5. Silindir Kapa Silindir Kapa : Silindir kapa displacer silindirinin st ksmn kapatan kapaktr, sk geecek ekilde yaplmtr. Kapan tam ortasnda displacer pistonunun milinin dik olarak hareket etmesi iin klavuz grevi gren para mevcuttur. Bu para hem szdrmaz olmal hem de srtnmesi az olmaldr. Bu sebeple bu para iin en uygun malzeme pirintir. Baka malzemeler bu konuda baarsz oldular. Ayrca iki silindir arasnda hava alverii salayan rekorda kapaktaki yerine yerletirildi. Szdrmazln tam salanmas iin sv conta kullanlmaldr.

Fotoraf 7.6. Soutucu

58

Soutucu : Sistemin alma prensibine baklrsa displacer silindirinin bir ksm stlrken bir ksmda soutulmaktadr. Soutma malzemesi olarak su kullanlm. Soutucu olarak ta yine rahatlkla bulunabilecek kapakl bir teneke kutu kullanmtr. Silindirin stne takabilmek iinde silindir apnda delinmitir.

Fotoraf 7.7. Soutucunun Montaj Edilmi Hali Soutucunun montaj edilmi hali grlmektedir. Suyu szdrmamas iin sv conta kullanlmtr.

59

Fotoraf 7.8. Volan Volan : Sistemin en nemli paralarndan biriside volandr. G pistonunun olduu silindirle balantldr. Disk ap 190 mm, kalnl 6 mm dir. Dier disk ise displacer pistonu ile balantldr. Bu diskin grevi sadece hareket almaktr. Kurs 30 mm olduu iin her iki diskin merkezlerinden 15 mm uzaa delikler deliyoruz ve bu deliklere dzgn yzeyli, dik, 4 mm apnda miller takyoruz. Taklan millerin grevi piston kollarna yataklk etmektir.Daha sonra bu diskleri 6mm apnda bir mil vastasyla uzun bir tahtaya yataklyoruz. Montaj esnasnda dikkat etmemiz gereken husus pistonlar arasnda 90 derece fark olmas gerektiidir. Yani g pistonu en alt noktadayken, displacer pistonu ortada olmaldr.

Fotoraf 7.9. Motorun zerine yerletirilecei platform

60

Fotoraf 7.10. Platformun st ve g silindiri

Fotoraf 7.11. Motorun volannn ve piston kollarnn taklmadan nceki hali

61

Fotoraf 7.12. Kollarn ve volann takldktan sonraki hali

Fotoraf 7.13. Silindirler arasndaki hava alveriini salamak iin rekorlara uygun plastik boru kullanlm 7.2. Beta Tipi Stirling Motoru Paralarn imalat, motor retimi yapan bir fabrikann imalat atlyesinde

gerekletirilmitir. malat srecinde torna, freze, talama, planya tezgahlar ve matkap ile tala kaldrma ilemleri gerekletirilmitir. Tala kaldrlrken para malzemesine uygun olan62

kesici takm ucu kullanlarak yzey kalitesine dikkat edilmitir. Arlkl olarak motor paslanmaz elikten retilmitir. Ayrca titanyum ve alminyum da kullanlmtr. malat yaplan motor paralarna, yzey sertletirme ilemleri uygulanmamtr. Fotoraf 7.14de grlmekte olan yer deitirme pistonu birinci paras tornada ilenmitir. Bu parann toleranslar silindir ierisine boluklu geme yapacak ekilde ayarlanmtr. Dili balantsnda ise sk duruma gre tolerans belirlenmitir. Yer deitirme pistonu birinci paras titanyumdur. Titanyum, talal imalat yntemleri ile kolayca ilenebilmekte ve tala kaldrldnda dzgn bir yzey olumaktadr.

Fotoraf 7.14. Yer deitirme pistonu birinci paras Fotoraf 7.15de grlen yer deitirme pistonu ikinci paras ve Fotoraf 7.16daki nc para torna tezgahnda ilenmitir. Piston ierisinde boluklu durumda olacak ekilde toleranslar belirlenmi ve paralar bu toleranslara bal kalnarak ilenmitir. nc para zerindeki kanallar sk balant yapacak ekilde ilenmitir. kinci ve nc para alminyumdur. Alminyum ilenmesi zor bir malzemedir. Tala kaldrlrken dk paso deerleri kullanlmaldr. Aksi takdirde malzeme sarma yapmaktadr. Hassas ilendii takdirde yzey kalitesi yksek olur. Alminyum malzeme ilenirken soutma yaplmas art deildir.

63

Fotoraf 7.15. Yer deitirme pistonu ikinci paras

Fotoraf 7.16. Yer deitirme piston nc paras Fotoraf 7.17de grlen g pistonlar torna tezgahnda ilenmitir. G pistonlar Epoksi malzemeden retilmitir. Epoksi talal ekil verme yntemleri ile kolayca ilenebilmektedir.

64

Fotoraf 7.17. G pistonlar (30-40-50 mm d aplarnda)

Fotoraf 7.18. G pistonu, torna tezgahnda ilenirken Fotoraf 7.19 ve Fotoraf 7.20, yer deitirme pistonu silindiri, planya tezgahnda ilenirken grntlenmitir. Para nce tornada ilenerek silindi i ve d aplar ayarlanmtr. Sonra da planya tezgahna balanarak kanallar almtr. Silindir iine honlama ilemi uygulanmtr. 310 paslanmaz elikten retilmitir. 310 paslanmaz eliin talal imalat yntemleri ile ilenmesi zordur. Bu malzeme ilenirken iyi kalite yksek hz elii veya karbr takmlar kullanlmaktadr. leme srasnda iyi bir soutma gereklidir. Fotoraf 7.21de imal edilmi yer deitirme pistonu silindiri grntlenmitir.

65

Fotoraf 7.19. Yer deitirme pistonunun planya tezgahnda ilenmesi

Fotoraf 7.20. Yer deitirme pistonunun planya tezgahnda ilenmesi

66

Fotoraf 7.21. Yer deitirme pistonu silindiri Fotoraf 7.22de grntlenen g pistonu silindirleri belirtilen toleranslara uygun olarak torna tezgahnda ilemitir. Silindirler zerindeki diler sk balant oluturacak ekilde zenle ilenmitir. Sindir i yzeyleri honlanmtr. Silindir retiminde 304 paslanmaz elik kullanlmtr. 304 paslanmaz elik malzeme ilenirken iyi kalite yksek hz elii veya karbr takmlar kullanlmaktadr. leme srasnda iyi bir soutma gereklidir. ekillendirme zellii ok iyidir.

Fotoraf 7.22. G pistonu silindirleri ( aplar 30-40-50 mm) Fotoraf 7.23de, motor blou birinci paras, Fotoraf 7.24de, blok ikinci paras, Fotoraf 7.25de blok nc para ve Fotoraf 7.26da blok drdnc paras yer almaktadr. Paralar zerindeki dili delikler frezede almtr. Fotoraf 7.27 ve Fotoraf 7.28de blok birinci paras torna tezgahna balanm, zerinden tala kaldrlrken grntlenmitir. Motor blou birinci paras ilenmesi zor olan 310 paslanmaz elikten, dier paralar ise 316 paslanmazdan retilmitir. 316 paslanmaz eliin talal imalat yntemleri ile ilenmesi zor olmasna ramen sl korozyona kar direnlidir. Bu zellii ile yksek scaklk uygulamalarnda tercih edilen bir malzemedir. 316 paslanmaz elik malzeme ilenirken iyi kalite yksek hz elii veya karbr takmlar kullanlmaktadr. Paslanmaz eliin ileme zorluu, uygun takm ucu ile uygun pasolarda tala kaldrarak ve iyi bir soutma yaparak almtr.

67

Fotoraf 7.23. Motor blou birinci paras

Fotoraf 7.24. Motor blou ikinci paras

Fotoraf 7.25. Motor blou nc paras

68

Fotoraf 7.26. Motor blou drdnc paras

Fotoraf 7.27. Motor blou birinci paras torna tezgahna ilenmekte

69

Fotoraf 7.28. Motor blou birinci paras torna tezgahnda ilenirken

Fotoraf 7.29da grlmekte olan rejeneratr, fabrikada retilmemitir. 8 mm ve 4 mm d apl seramik borular 100 mmlik paralara ayrlm ve bu paralar yer deitirme silindiri ile motor blou arasndaki blgeye uygun olarak birbirine yaptrlmtr.

Fotoraf 7.29. Rejeneratr Fotoraf 7.30da soutma ceketi grlmektedir. Soutma ceketi, malat kolayl olmas asndan Ek 15te yer alan llere uygun boyutlarda 316 paslanmaz borudan retilmitir. Tornada, para zerinden sadece 1mm paso kaldrlmtr.

70

Fotoraf 7.30. Soutma ceketi

Fotoraf 7.31de yer alan soutma eleman torna tezgahnda toleranslara uygun olarak ilenmitir. zerindeki kanallar aabilmek iin sadece bu ileme mahsus zel bir kesici takm imal edilmitir. Alminyum malzemeden retilmesi bu kanallarn almasn daha da gletirmitir. Tm tedbirler alnarak para iyi bir yzey kalitesinde imal edilmitir. Fotoraf 7.32 ve Fotoraf 7.33de, soutma eleman torna tezgahna balanm, zerinden tala kaldrlrken grntlenmitir.

Fotoraf 7.31. Soutma eleman

71

Fotoraf 7.32. Soutma eleman torna tezgahnda ilenirken

Fotoraf 7.33. Soutma eleman torna tezgahnda ilenirken Fotoraf 7.34de yer alan motor tablas torna ve freze tezgahnda ilenmi, sonrada talama tezgahnda talanmtr. 316 paslanmaz elikten retilmitir.

72

Fotoraf 7.34. Motor tablas

Fotoraf 7.35de yer alan rod yataklama eleman ve basn sensr balant aparat tornada ilenmitir. Paralar, 316 paslanmaz elikten retilmitir.

Fotoraf 7.35. Rod yataklama eleman ve basn sensr balama aparat

73

Fotoraf 7.36da yer alan yay balama aparatndan tala kaldrma ilemi, planya ve freze tezgahlarnda gereklemitir. Para, 304 paslanmaz elikten retilmitir.

Fotoraf 7.36. Yay balama aparat

Fotoraf 7.37de grlmekte olan yay tablalar tornada ilenmitir. Paralar, 304 paslanmaz elikten retilmitir.

Fotoraf 7.37. Yay tablalar

74

Fotoraf 7.38de grntlenen yay balama aparat toleranslara uygun olarak torna tezgahnda ilenmitir.

Fotoraf 7.38. Yay balama aparat

Fotoraf 7.39da grlen gaz doldurma aparat, tornada ilenmitir. Paralar, 304 paslanmaz elikten retilmitir.

75

Fotoraf 7.39. Gaz doldurma aparat Fotoraf tasarlanmtr. 7.40da, imalat yaplan beta tipi scak hava motoru montaj sonrasnda

grntlenmitir. Motor paralar, kolaylkla monte edilip, sklebilecek bir ekilde

Fotoraf 7.40. Beta tipi scak hava motoru montaj hali

76

Fotoraf 7.41. Beta tipi scak hava motoru montaj hali 7.3. Alfa (V) Tipi Stirling Motoru malat yaplan 98 cm3 sprme hacmine sahip, alfa (V) tipi Stirling motoru Fotoraf 7.42de grlmektedir. ekilde grld gibi birbirinden ayr iki silindir V eklinde yerletirilmitir. alma maddesinin bir evrim oluturacak biimde souk ve scak silindirler arasnda sirklasyon yapmasn salamak iin pistonlar birbirine gre 90'lik faz fark ile hareket ettirilmektedir. Her iki biyel kolu krank mili zerinde bulunan tek bir kol muylusundan hareket almaktadr (Fotoraf 7.43). Motorun teknik zellikleri izelge 7.1de grlmektedir.

77

izelge 7.1. Motorun teknik zellikleri Motor Tipi Sprme Hacmi Faz As alma Maddesi Soutma Sktrma Oran Maksimum Motor Gc Alfa (V) 98 cm3 90o Hava Su soutmal 1,7 / 1 18,13 W (286 d/d motor devrinde )

Fotoraf 7.42. malat yaplan alfa (V) tipi Stirling motoru

78

Fotoraf 7.43. Krank-biyel mekanizmas malat yaplan motorun alma prensibi ekil 7.1de grlmektedir. ekilde grld gibi kol muylusu A noktasnda iken scak silindirin pistonu N'dan aaya dnme pozisyonundadr. Souk silindirin pistonu ise silindirin ortalarnda olup N'ya doru hareket etmektedir. Kol muylusu A noktasndan B'ye geldiinde souk silindirin pistonu N'ya ular. Scak silindirin pistonu da silindirin ortasna gelir. Bu srete souk silindirdeki alma maddesi, hacmi sabit kalmak artyla scak silindire aktarlr. Gei srasnda stcdan s alarak scakln ykselir. Bu ilem sabit hacimde durum deitirme ilemidir. Kol muylusu B noktasndan C'ye giderken her iki piston aaya doru hareket eder. Kol muylusu C'ye geldiinde alma maddesinin ounluu scak silindirde, bir ksm da souk silindirde bulunmaktadr. Bu ilem srasnda alma maddesinin ounluu scak silindirde genilediinden scak silindirin cidarlarndan s alarak scakln korumaya alr. Bu ilem sabit scaklk altnda genileme olarak kabul edilmektedir. Kol muylusu C noktasndan D'ye giderken souk silindirin pistonu AN'ya doru, scak silindirin pistonu ise N'ya doru hareket etmektedir. Scak silindirdeki hacim azalmas kadar souk silindirde hacim genilemesi olmaktadr. Kol muylusu D noktasna geldiinde scak silindirde bulunan alma maddesinin yars hacim sabit kalmak artyla souk silindire aktarlmaktadr. Sonu olarak kol muylusunun C'den D'ye hareketi sabit hacimde soutma ilemini gerekletirmektedir. Kol muylusu D noktasndan A'ya giderken her iki pistonda N'ya doru hareket etmektedir. Kol muylusu A'ya ulatnda scak silindirin hacmi sfr olmakta, souk silindirin hacmi de yarya dmektedir. alma maddesinin hemen hemen tamam79

souk silindir ierisinde sktrldndan, souk silindirin cidarlarna s vererek sabit scaklkta durum deiimi salanmaktadr. Kol muylusu A noktasna vardnda evrim tamamlanm olmaktadr.

ekil 7.1. malat yaplan alfa (V) tipi Stirling motorunun alma prensibi Pistonlar yksek grafitli dkme demirden segmansz olarak imal edilmitir. Srekli bir yalama gerektirmemektedir ve scakla bal genleme katsays dktr. Hassas olarak talanm ve silindire 0,02 mm bolukla altrlmtr. Her iki pistonda biyel aracl ile krank mili zerindeki ayn kol muylusuna balanmtr. Biyeller 1040 malzemeden yaplm olup, biyel aya ve bana bronz bur aklm ve burlar honlanarak muylu apna altrlmtr. Krank mili 4260 malzemeden tek para olarak imal edilmitir. Muylu yzeyi hassas olarak talanm ve sertletirilmitir. Deneylerde s kayna olarak 1C hassasiyetinde, 1200Cye kadar stma yapabilen ve zerinde scakl 5Cde snrlayan termik reglatr bulunan bir elektrikli bir stc kullanlmtr. Soutma, silindirin zerine yerletirilen su ceketi ile salanmtr. k scakl 25C olacak ekilde soutma sisteminde su dolatrlmtr. Moment lmnde 0,003 Nm hassasiyetinde lm yapabilen, prony tip bir lm tertibat kullanlmtr. Motor80

devrinin llmesinde, 0,1 d/d hassasiyetine sahip, DT-2234A model dijital takometre kullanlmtr. Deney tesisatnn ematik resmi ekil 7.2de grlmektedir. Motorda mekanik ve termal problemler giderildikten ve srekli alma artlar salandktan sonra performans karakteristiklerini elde etmek iin deneyler yaplmtr. Deneyler, 800, 900 ve 1000C stc scaklklarnda yaplmtr. Her bir stc scaklnda, arj basnc 1 bardan 3,5 bara kadar 0,5 bar aralklarnda deitirilmitir. Balangta stc scakl 800Cye ayarlanm, bu scaklkta arj basnc 1 bardan balayarak her bir lmde 0,5 bar arttrlarak 3,5 bara kadar deneyler devam etmitir. Istc scakl srasyla 900 ve 1000Cye ayarlanarak stc scakl ve arj basnc parametre kabul edilerek devre bal moment lmleri yaplmtr.

ekil 7.2. Deney dzeneinin ematik grnm

81

7.3.1. Deney Sonularnn Deerlendirilmesi ekil 7.3de 1000 C stc scaklnda motor devrine bal olarak motor gc deiimi, 1, 1,5, 2, 2,5, 3 ve 3,5 bar arj basnc iin verilmitir. Her arj basnc iin, motor gc devre bal olarak bir maksimuma kadar artmakta ve bu noktadan sonra azalmaktadr. Gteki azalmann sebebi, artan motor devri ile alma maddesine olan s transferinin yetersiz kalmasdr. ekilde grld gibi, motor gc 1000 C stc scaklnda 3 bar basnca kadar artmakta, bu basn deerinin zerine kldnda azalmaktadr. Bunun sebebi, artan arj basnc ile alma maddesi ktlesinin artmas ve stcnn yetersiz kalmasdr. Maksimum motor gc, 1000 C stc scaklnda, 3 bar arj basncnda, 286 d/d motor devrinde 18,13 W olarak elde edilmitir. Motor bu artlarda srekli olarak alabilmektedir.

ekil 7.3. 1000C stc scaklnda ve farkl arj basnlarnda devre bal olarak motor gcnn deiimi ekil 7.4de 800, 900 ve 1000 C stc scaklklar iin arj basncna bal olarak motor gc deiimi verilmitir. Her bir stc scakl iin, motor gc arj basncna bal olarak bir maksimuma kadar artmakta ve bu noktadan sonra azalmaktadr. arj basncndaki art ile motor gcnn artmas alma maddesi ktlesinin artmasndandr. Belli bir arj basncndan sonra stc scakl yetersiz kalmakta ve evrim st scakl dmektedir. nk artan arj basnc ile alma maddesi ktlesi artmakta ve yeterli stma salanamamaktadr. Buna bal olarak motor gc de dme eilimi gstermektedir. Ayrca82

stc scaklndaki arta bal olarak maksimum gcn meydana geldii arj basnc da artmaktadr. Maksimum motor gc, 800 C stc scaklnda 2,5 bar arj basncnda meydana gelirken, 1000 C stc scaklnda 3 bar arj basncnda meydana gelmektedir.

ekil 7.4. Farkl stc scaklklarnda, arj basncna bal olarak motor gcnn deiimi

ekil 7.5de, 3 bar arj basncnda ve farkl stc scaklklarnda motor devrine bal olarak motor gc deiimi verilmitir. ekilde grld gibi motor gc, stc scaklndaki arta bal olarak artmaktadr. Bunun sebebi, alma maddesine evrim bana transfer edilen s miktarnn artmasdr. Ayrca soutucu scakl sabit olduuna gre, stc scaklnn artmas ile evrimin st ve alt scaklklar arasndaki fark da artmaktadr. Malzemenin dayanm snr ve yksek scaklklarda malzemede meydana gelen genleme gibi sebeplerle stc scakl belirli bir deerin zerine karlamamaktadr. Deneylerde stc scakl maksimum 1000 Cye kadar karlm ve en yksek motor gc ve devri bu scaklkta elde edilmitir. Istc scaklnn arttrlmas ile elde edilen bir baka nemli zellik de maksimum gcn meydana geldii motor devrinin ykselmesidir.

83

ekil 7.5. Farkl stc scaklklarnda ve 3 bar arj basncnda, devre bal motor gc deiimi

ekil 7.6. Istc scaklna bal olarak farkl arj basnlarnda maksimum motor gcnn deiimi ekil 7.6da stc scaklna bal olarak motor gc deiimi verilmitir. Grafikler oluturulurken her stc scakl ve arj basnc iin en yksek g deeri alnmtr. ekilde grld gibi stc scaklndaki arta bal olarak evrim bana alma maddesine transfer edilen s miktarnn artmas ile motor gc artmaktadr.84

8.SONU VE NERLER Endstrinin geliimi ile birlikte artan enerji ihtiyac fosil yaktlar kullanlarak giderilmeye allmtr. Giderek artan bu ihtiyaca karlk tkenmeye balayan fosil yakt kaynaklar, bu yaktlarn kontrolsz kullanm sonucu meydana gelen evre kirlilii ve zellikler 1970 li yllarda meydana gelen enerji krizi hkmetleri ve bilim evrelerini tkenmeyen ve temiz enerji kaynaklarn aratrmaya yneltmitir. Yaplan aratrmalar neticesinde yenilebilir enerji kaynaklarnn kullanmn salayan eitli sistemler gelitirilmitir. lkemizdeki yenilenebilir enerji kaynaklarnn en nemlisi gnetir. Gnmzde kurutma, su ve mekan stma gibi alanlarda gne enerjisi yaygn olarak kullanlsa da enerji retim amal gne enerjisi teknolojilerinin kullanlmas salanamamtr. lkemizdeki enerji ihtiyac gz nne alndnda gne enerjisi teknolojisi gelitirilerek, bu enerjiyi ihtiya olan dier enerjilere evirecek makineler zerine yaplan almalar yaygnlatrmak gerekmektedir. Bu almada ilk olarak gemiten gnmze stirling motorlar zerine yaplan almalara yer verilmitir. Stirling motorunun stnlkleri ve olumsuz yanlar anlatlm ve buna paralel olarak uygulama alanlar belirtilmitir. Stirling motorunun temel prensipleri tantlmtr. Buna ek olarak Stirling evriminin teorik analizine ve termodinamik analiz yntemlerine yer verilmitir. Stirling motorlarnn mekanik dzenlemelerine gre snflandrmas yaplm ve farkl motor tiplerine gre alma prensibi zerinde durulmutur. Stirling motoru imalat yaplrken kullanlacak boyut toleranslar belirtilmi ve imalat sreci anlatlmtr. Stirling motorlarnda szdrmazlk problemi zlerek, optimum alma scakl ve basnc belirlenebilir. Bu alma ortamn saladktan sonra motorda alma akkan olarak hava yerine helyum, azot veya hidrojen kullanldnda daha yksek verim elde edilecektir. Ayrca motorda l hacimler mmkn olduu kadar azaltlmal, sktrma oran mmkn olduu kadar arttrlmaldr. Geni kapsaml uygulama alanlarna sahip olan, stirling motorlar birok alternatif enerji kayna kullanlarak altrlabildiinden ve evreci bir motor olduundan gelecein motorlar olarak grlmektedir. Gnmzde yaplan birok aratrma ve dizayn almalarnn dorultusu, scak hava motorlarnn her trl alana adaptasyonunu salayacak yndedir.85

KAYNAKLAR [1] Prasac, T. , 2002, Gne Enerjisi ile alan, Stirling Motorlu Elektrik Enerjisi retim Sistemi Yksek Lisans Tezi, Gazi niversitesi. [2] Demiralp, M., 2000 , Gama Tipi Bir Stirling Motorun Tasarm ve malat Doktora Tezi, Gazi niversitesi. [3] nar, C., 2001, Gama tipi bir Stirling motorunun tasarm, imali ve performans analizi, Doktora Tezi, Gazi niversitesi. [4] Akhan, H., 2007, Gne Enerjili Bir Scak Hava Motoru Tasarm Yksek Lisans Tezi, Trakya niversitesi. [5] [6] [7] Urieli, I., Berchowitz, D. M.,1984, Stirling Engine Analysis, Bristol: Adam Hilger Walker, G., 1980, Stirling Engines, Cllarendon Pres, Oxford Organ, A. J., The Regenerator and the Stirling engines

[8] Rix, D. H., 1995, Thermodynamic and Detail Design of a 0.5 kW Stirling Engine for Domestic Scale Cogeneration, Journal of Power and Energy. [9] Walker, G., 1962, An optimisation of the principal design parameters of Stirling cycle machines., Journal of Mechanical Engineering Science [10] Walker G., Senft, J.R., 1985, Free Piston Stirling Engines, New York, Berlin;springer. Verlag. [11] Can INAR Gazi niversitesi, Teknik Eitim Fakltesi, Makine Eitimi Blm Otomotiv Anabilim Dal [12] http://www.motormekanik.blogspot.com [13] http://www.obitet.gazi.edu.tr [14] www.tez2.yok.gov.tr

86