Motorul Stirling
Motorul Stirling este o mașină termică cu aer cald cu ciclu închis regenerativ, cu toate că incorect, termenul deseori este utilizat pentru a se face referire la o gamă mai largă de mașini. În acest context, "ciclu închis" înseamnă că fluidul de lucru este într-un spațiu închis numit sistem termodinamic, pe când la mașinile cu "ciclu deschis" cum este motorul cu ardere internă și anumite motoare cu abur, se produce un permanent schimb de fluid de lucru cu sistemul termodinamic înconjurător ca parte a ciclului termodinamic; "regenerativ" se referă la utilizarea unui schimbător de căldură intern care mărește semnificativ randamentul potențial al motorului Stirling. Există mai multe variante constructive ale motorului Stirling din care majoritatea aparțin categoriei mașinilor cu piston alternativ. În mod obișnuit, motorul Stirling este încadrat în categoria motoarelor cu ardere externă cu toate că sursa de energie termică poate fi nu numai arderea unui combustibil ci și energia solară sau energia nucleară. Un motor Stirling funcționează prin utilizarea unei surse de căldură externe și a unui radiator de căldură, fiecare din acestea fiind menținut în limite de temperatură prestabilite și o diferență de temperatură suficient de mare între ele.
Secțiune prin schema unui motor de tip Beta Stirling cu mecanism de bielă rombic
1 (roz) – peretele fierbinte al cilindrului, 2 (cenușiu închis) - peretele rece al cilindrului (cu 3 (galben) racorduri de răcire), 4 (verde închis) – izolație termică ce separă capetele celor doi cilindri, 5 (verde deschis) – piston de refulare, 6 (albastru închis) – piston de presiune, 7 (albastru deschis) - volanți, Nereprezentate: sursa exterioară de energie și radiatorele de răcire. În acest desen pistonul de refulare este utilizat fără regenerator. |
Tipuri de motoare
Inginerii clasifică motoarele Stirling în trei tipuri distincte. Tipul Alfa se referă la cazul când doi sau mai mulți cilindri separați, de diferite temperaturi, sunt legați între ei. Tipul Beta și Gama utilizează un piston de refulare pentru a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece situate in același cilindru.
Alfa Stirling
Un motor de tip Alfa Stirling conține două pistoane de lucru, unul cald și altul rece, situate separat în câte un cilindru. Cilindru pistonului cald este situat în interiorul schimbătorului de căldură de temperatură înaltă iar cel al pistonului rece în schimbătorul de căldură de temperatură scăzută. Acest tip de motor are o putere litrică foarte mare dar prezintă dificultăți tehnice din cauza temperaturilor foarte mari din zona pistonului cald și a etanșării sale.Funcționarea motorului Alfa Stirling
Funcționarea motorului Alfa Stirling poate fi descrisă în patru timpi:
Inginerii clasifică motoarele Stirling în trei tipuri distincte. Tipul Alfa se referă la cazul când doi sau mai mulți cilindri separați, de diferite temperaturi, sunt legați între ei. Tipul Beta și Gama utilizează un piston de refulare pentru a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece situate in același cilindru.
Alfa Stirling
Un motor de tip Alfa Stirling conține două pistoane de lucru, unul cald și altul rece, situate separat în câte un cilindru. Cilindru pistonului cald este situat în interiorul schimbătorului de căldură de temperatură înaltă iar cel al pistonului rece în schimbătorul de căldură de temperatură scăzută. Acest tip de motor are o putere litrică foarte mare dar prezintă dificultăți tehnice din cauza temperaturilor foarte mari din zona pistonului cald și a etanșării sale.Funcționarea motorului Alfa Stirling
Funcționarea motorului Alfa Stirling poate fi descrisă în patru timpi:
- Timpul 1: Cea mai mare parte a gazului de lucru este în contact cu peretele cilindrului cald; ca urmare se încălzește mărindu-și volumul și împingând pistonul spre capătul cilindrului. Dilatarea continuă și în cilindrul rece al cărui piston are o mișcare defazată cu 90° față de pistonul cilindrului cald, însoțită de extragere în continuare de lucru mecanic.
- Timpul 2: Gazul de lucru a ajuns la volumul maxim. Pistonul în cilindrul cald începe să împingă cea mai mare parte din gaz în cilindrul rece unde pierde din temperatura acumulată și presiunea scade.
- Timpul 3: Aproape toată cantitatea de gaz este în cilindrul rece și răcirea continuă. Pistonul rece, acționat de momentul de inerție al volantului sau o altă pereche de pistoane situate pe același arbore comprimă gazul.
- Timpul 4: Gazul ajunge la volumul minim și pistonul din cilindrul cald va permite vehicularea spre acest cilindru unde va fi încălzit din nou și va începe cedarea de lucru mecanic către pistonul de lucru.
Schiță de funcționare a motorului Alfa Stirling
Beta Stirling
Un motor de tip Beta Stirling are un singur cilindru în care sunt așezate un piston de lucru și unul de refulare montate pe același ax. Pistonul de refulare nu este montat etanș și nu servește la extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilată având doar rolul de a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece. Când gazul de lucru este împins către capătul cald al cilindrului, se dilată și împinge pistonul de lucru. Când este împins către capătul rece, se contractă și momentul de inerție al motorului, de obicei mărit cu ajutorul unui volant, împinge pistonul de lucru în sensul opus, pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul Alfa în acest caz se evită problemele tehnice legate de inelele de etanșare de la pistonul cald.
Un motor de tip Beta Stirling are un singur cilindru în care sunt așezate un piston de lucru și unul de refulare montate pe același ax. Pistonul de refulare nu este montat etanș și nu servește la extragerea de lucru mecanic din gazul ce se dilată având doar rolul de a vehicula gazul de lucru între schimbătorul de căldură cald și cel rece. Când gazul de lucru este împins către capătul cald al cilindrului, se dilată și împinge pistonul de lucru. Când este împins către capătul rece, se contractă și momentul de inerție al motorului, de obicei mărit cu ajutorul unui volant, împinge pistonul de lucru în sensul opus, pentru a comprima gazul. Spre deosebire de tipul Alfa în acest caz se evită problemele tehnice legate de inelele de etanșare de la pistonul cald.
Funcționarea unui motor Beta Stirling
Funcționarea motorului Beta Stirling
Cei patru timpi de funcționarea a motorului Beta Stirling sunt (pe desen):
Cei patru timpi de funcționarea a motorului Beta Stirling sunt (pe desen):
- Timpul 1->2: Gazul de lucru este încălzit în zona caldă a cilindrului, pe baza absorbției de energie termică de la sursa caldă. Prin încălzire gazul de lucru se dilată. În urma acesteia pistonul de refulare este împins înainte. Odată cu mișcarea pistonului de refulare se va mișca și pistonul de lucru. Cele două pistoane se mișcă defazat cu 90°. Prin urmare în primul timp pistonul de refulare va avea o cursă nesemnificativă (proiecția lungimii manivelei pe orizontală). În acest timp pistonul de lucru cedează lucru mecanic volantului.
- Timpul 2->3: Volantul se mișcă datorită momentului de inerție mai departe. Pistonul de refulare împinge acum gazul de lucru din zona caldă în zona rece unde se va răci. De cele mai multe ori pistonul de lucru preia și rolul regeneratorului: preia o parte din căldura gazului de lucru ce curge din zona caldă spre cea rece. În zona rece gazul de lucru va fi răcit cu ajutorul unui radiator de răcire cu aer sau prin mantaua cilindrului răcit cu ajutorul apei. Poziția pistonului de lucru se schimbă în această fază foarte puțin. Presiunea în interior scade datorită răcirii.
- Timpul 3->4: La motoare Stirling cu presiune internă mare în această fază are loc o compresie, pe când la cele cu presiune internă mică poate avea loc încă cedare de lucru mecanic în timp ce presiunea atmosferică acționează asupra pistonului de lucru. În caz contrar, în timpul compresiei este nevoie de un aport de lucru mecanic, care se preia din momentul de inerție al volantului. La acest timp poziția pistonului de refulare se schimbă doar foarte puțin.
- Timpul 4->1: Volantul se învârte în continuare și prin aceasta pistonul de refulare se va deplasa în sus. Acest lucru are ca rezultat trecerea gazului din zona superioară rece în zona inferioară caldă (încălzire). Regeneratorul cedează gazului de lucru căldura înmagazinată în timpul 2 preîncălzindu-l. Ciclul se reia de la început.
Schiță de funcționare a motorului Beta Stirling
Legendă: AK – piston de lucru, VK – piston de refulare, HubAK - cursă piston lucru, HubVK - cursă piston refulare, Q(ab) - căldură cedată, Q(zu) - căldură primită, To - temperatura sursei calde, Tu - temperatura sursei reci, 1-2-3-4 – poziția unei particule de gaz în punctele limită de pe diagramele p-V-T;
Dicționar: Keisprozess=Ciclu, Druck=presiune, Schwungrad=Volant
Legendă: AK – piston de lucru, VK – piston de refulare, HubAK - cursă piston lucru, HubVK - cursă piston refulare, Q(ab) - căldură cedată, Q(zu) - căldură primită, To - temperatura sursei calde, Tu - temperatura sursei reci, 1-2-3-4 – poziția unei particule de gaz în punctele limită de pe diagramele p-V-T;
Dicționar: Keisprozess=Ciclu, Druck=presiune, Schwungrad=Volant
Gama Stirling
Un motor de tip Gama Stirling este un Beta Stirling la care pistonul de lucru este montat într-un cilindru separat alăturat de cilindrul de refulare, dar este conectat la același volant. Gazul din cei doi cilindri circulă liber între aceștia. Această variantă produce o rată de compresie mai mică dar este constructiv mai simplă și adeseori este utilizat în motoare Stirling cu mai mulți cilindri.
Funcționarea motorului Gama Stirling
Un motor de tip Gama Stirling este un Beta Stirling la care pistonul de lucru este montat într-un cilindru separat alăturat de cilindrul de refulare, dar este conectat la același volant. Gazul din cei doi cilindri circulă liber între aceștia. Această variantă produce o rată de compresie mai mică dar este constructiv mai simplă și adeseori este utilizat în motoare Stirling cu mai mulți cilindri.
Funcționarea motorului Gama Stirling
- Timpul 1: În timpul acestei faze pistonul de lucru efectuează o cursă minimă, volumul total este minim. În schimb pistonul de refulare efectuează o cursă lungă și gazul de lucru se încălzește.
- Timpul 2: Pistonul de refulare are o cursă scurtă, pe când pistonul de lucru efectuează mai mult de 70% din cursa sa totală. El generează energie mecanică.
- Timpul 3: Pistonul de refulare efectuează cea mai mare parte din cursa sa: gazul este răcit. Pistonul de lucru are o cursă scurtă.
- Timpul 4: Pistonul de refulare rămâne în partea superioară a cilindrului: gazul este complet răcit. Față de acesta pistonul de lucru parcurge cea mai mare parte a cursei sale: comprimă gazul și cedează lucru mecanic în acest scop.
Schiță de funcționare a motorului Gama Stirling
Alte tipuri
Inginerii și inventatorii continuă să fie preocupați de realizarea de noi variante constructive bazate pe ciclul Stirling. O deosebită preocupare înconjoară motorul cu piston rotativ Stirling, având ca scop transformarea puterii preluate din ciclul Stirling direct în mișcare rotativă, analog cu motorul cu piston rotativ cu combustie internă. Până în prezent nu a fost construit nici un prototip, dar există o varietate de concepte, modele, și au fost înregistrate brevete.
Un domeniu deosebit îl reprezintă motoarele Stirling "cu piston liber", între care se enumeră și cele cu piston lichid și cele cu diafragmă.
O variantă de motor Stirling este pompa de apă cu piston lichid utilizând ciclul Stirling. Forma cea mai simplă include gazul de lucru, un lichid și două supape unidirecționale. Lucrul mecanic dezvoltat în acest caz este utilizat pentru pomparea lichidului.
Inginerii și inventatorii continuă să fie preocupați de realizarea de noi variante constructive bazate pe ciclul Stirling. O deosebită preocupare înconjoară motorul cu piston rotativ Stirling, având ca scop transformarea puterii preluate din ciclul Stirling direct în mișcare rotativă, analog cu motorul cu piston rotativ cu combustie internă. Până în prezent nu a fost construit nici un prototip, dar există o varietate de concepte, modele, și au fost înregistrate brevete.
Un domeniu deosebit îl reprezintă motoarele Stirling "cu piston liber", între care se enumeră și cele cu piston lichid și cele cu diafragmă.
O variantă de motor Stirling este pompa de apă cu piston lichid utilizând ciclul Stirling. Forma cea mai simplă include gazul de lucru, un lichid și două supape unidirecționale. Lucrul mecanic dezvoltat în acest caz este utilizat pentru pomparea lichidului.
Schiță Motor Stirling cu piston liber
UtilizariAplicații de cogenerare (CHP - Combined Heat and Power) Prin cogenerare, dintr-o sursă de energie preexistentă, de obicei un proces industrial, cu ajutorul unei instalații, pe lângă puterea mecanică sau electrică livrată, se asigură căldură necesară încălzirii. În mod normal sursa de căldură primară constituie intrarea pentru încălzitorul motorului Stirling și ca atare va avea o temperatură mai mare decât sursa de căldură pentru aplicația de încălzire constituită din energia evacuată din motor.
Puterea produsă de motorul Stirling este utilizată adesea în agricultură în diferite procese, în urma cărora rezultă deșeuri de biomasă care la rândul lor pot fi utilizate drept combustibil pentru motor evitându-se astfel costurile de transport și depozitare a deșeurilor. Procesul în general abundă în resurse energetice fiind în ansamblul lui avantajos din punct de vedere economic.
Firma WhisperGen cu sediul în Christchurch/Noua Zeelandă, a dezvoltat o microcentrală cu cogenerare ("AC Micro Combined Heat and Power") bazată pe ciclul Stirling. Aceste microcentrale sunt sisteme de încălzire alimentate cu gaz metan care furnizează și energie electrică în rețea. WhisperGen a anunțat în 2004 că va produce 80000 centrale de acest tip pentru locuințele din Marea Britanie. Un lot 20 de centrale a început testul în Germania în anul 2006.
Generatoare solare de electricitate
Așezat în focarul unei oglinzi parabolice, un motor Stirling poate fi utilizat ca generator de curent electric cu un randament mai bun decât panourile solare cu celule fotovoltaice simple și comparabil cu cel al panourilor solare cu celule fotovoltaice cu concentrator. Pe data de 11 august 2005 Southern California Edison a făcut public un contract privind cumpărarea eșalonată pe 20 ani a 20000 bucăți de motoare Stirling acționate cu energie solară de la firma Stirling Energy Systems în scopul construirii unei centrale solare. Aceste sisteme vor fi montate pe o suprafață de 19 km² cu utilizarea de oglinzi parabolice capabile să se orienteze după soare și să concentreze lumina solară pe motoarele Stirling ce acționează generatoare de curent electric, cu o putere instalată totală de 500 MW.
Instalații frigorifice Stirling - Cryocooler
Orice mașină Stirling poate lucra în regim invers ca pompă de căldură: dacă se introduce lucru mecanic prin acționarea mașinii, între cilindri apare o diferență de temperatură. Una din utilizările moderne este în industria frigului ca instalații frigorifice și criogenice (cryocooler). Componentele principale al unui cryocooler sunt identice cu cele ale mașinii Stirling. Rotirea axului motor va produce comprimarea gazului producând creșterea temperaturii acestuia. Prin împingerea gazului într-un schimbător, căldura va fi livrată. În faza următoare gazul va fi supus unei destinderi în urma căreia se va răci și va fi vehiculat spre celălalt schimbător de unde va prelua căldură. Acest schimbător este situat într-un spațiu izolat termic cum este de exemplu un frigider. Acest ciclu se repetă la fiecare rotație a arborelui. De fapt căldura este extrasă din compartimentul răcit și este disipată în mediul înconjurător. Temperatura în compartiment va scădea din cauza izolației termice care nu permite intrare căldurii. La fel ca la motorul Stirling, randamentul se îmbunătățește prin utilizarea unui regenerator care creează un tampon pentru căldură între cele două capete cu temperaturi diferite. Primul cryocooler bazat pe ciclu Stirling a fost lansat pe piață în anul 1950 de firma Philips și a fost utilizat în stații de producere a azotului lichid. O gamă largă de cryocoolere mai mici sunt produse pentru diferite aplicații cum ar fi răcirea senzorilor. Refrigerarea termoacustică se bazează pe ciclul Stirling creat într-un gaz de către unde sonore de mare amplitudine.
Pompe de căldură
O pompă de căldură Stirling se aseamănă foarte mult cu un cryocooler Stirling, diferența constând în faptul că pompa de căldură lucrează la temperatura camerei și rolul ei principal este de a pompa căldură din afara clădirii în interior pentru a asigura o încălzire ieftină. Ca și la alte mașini Stirling și în acest caz căldura trece dinspre zona de destindere spre zona de compresie, totuși spre deosebire de motorul Stirling zona de destindere se află la o temperatură mai scăzută decât cea de compresie, astfel că în loc să se producă lucru mecanic, este necesară furnizarea lui de către sistem pentru a satisface cerințele celei de-a doua legi a termodinamicii. Zona de destindere a pompei de căldură este cuplată termic la o sursă de căldură, care adeseori este mediul înconjurător. Partea de compresie a mașinii Stirling este situată în spațiul ce va fi încălzit, spre exemplu o clădire. În mod obișnuit va exista o izolare a spațiului din clădire de mediul exterior, ceea ce va permite creșterea temperaturii interioare. Pompele de căldură sunt pe departe cele mai eficiente sisteme din punct de vedere energetic.
Energie nucleară
În centralele nucleare există posibilitatea utilizării mașinilor Stirling pentru producerea de energie electrică. Înlocuind turbinele cu abur cu motoare Stirling, se poate reduce complexitatea construcției, se poate obține un randament mai mare, și se pot reduce reziduurile radioactive. Anumite reactoare de îmbogățire a uraniului utilizează prin construcție sodiu lichid ca agent de răcire. Dacă energia termică este utilizată în continuare într-o centrală cu abur este nevoie de schimbătoare de căldură apă/sodiu ceea ce mărește gradul de pericol datorită posibilității reacției violente a sodiului cu apa în caz de contact direct. Utilizarea motorului Stirling face ca apa să poată fie eliminată din ciclu.
Laboratoarele guvernamentale din SUA au dezvoltat un motor Stirling modern sub numele de SRG (Stirling Radioisotope Generator) pentru a putea fi utilizat în explorări spațiale. Este destinat generării de energie electrică pentru sonde spațiale ce părăsesc sistemul solar cu o durată de viață de mai multe decenii. Acest motor utilizează un singur piston de refulare pentru a reduce piesele în mișcare și unde acustice de mare energie pentru transferul de energie. Sursa de căldură este un bloc de combustibil radioactiv, iar căldura reziduală este eliminată în spațiu. Acest ansamblu produce de patru ori mai multă energie din același bloc de combustibil ca și un genearator similar de tip RTG (radioisotope thermoelectric generator).
Motoare de navă
Kockums, constructorul Suedez de nave a construit în cursul anului 1980 cel puțin 8 submarine de clasa Gotland având motoarele de acționare de tip Stirling.
Motoare pentru avioane
Teoretic motoarele Stirling ar prezenta avantaje și ca motoare de avion. Sunt mai silențioase și mai puțin poluante, randamentul crește cu altitudinea (randamentul motoarelor cu ardere internă scade cu altitudinea), sunt mai sigure în funcționare datorită componentelor mai puține și lipsei sistemului de aprindere, produc mai puține vibrații (structura de rezistență va avea o durată mai lungă) și sunt mai sigure putând utiliza combustibil mai puțin explozibil (vezi mai jos "Argument on why the Stirling engine can be applied in aviation").
Motoare de automobil
În industria de automobile neutilizarea motoarelor Stirling pentru acționarea autovehiculelor, adesea se argumentează prin raportul putere/greutate prea mic și un timp de pornire prea lung. Alături de proiecte de la Ford și American Motor Companies la NASA s-au construit cel puțin două automobile acționate exclusiv cu motoare Stirling.
Problemele cele mai mari rezidă în timpul de pornire lung, răspunsul lent la accelerare, oprire și sarcină la care nu s-a găsit o rezolvare aplicabilă imediat. Mulți consideră că acționarea hibridă ar elimina aceste neajunsuri, dar deocamdată nu a fost construit niciun vehicul pe această bază. Vehiculele proiectate la NASA au fost denumite MOD I și MOD II. În cazul lui MOD II s-a înlocuit un motor normal cu aprindere prin scânteie dintr-un Chevrolet Celebrity hatchback cu 4 uși din 1985. În raportul publicat în 1986 la anexa A se precizează că atât pe autostradă cât și în oraș consumul a scăzut de la 5,88 l/km la 4,05 l/km, respectiv de la 9,05 l/km la 7,13 l/km.
Timpul de pornire al vehiculului de la NASA a fost de 30 s, în timp ce automobilul pilot de la Ford utilizând un preîncălzitor electric din zona de aer cald a reușit să pornească doar în câteva secunde.
Energia geotermală
Capacitatea motoarelor Stirling de a converti energia geotermală în electricitate și apoi producerea de hidrogen cu ajutorul acestuia, constituie după părerea multora cheia trecerii de la utilizarea combustibililor fosili la economia bazată pe hidrogen. Această părere se bazează pe cercetările laboratoarelor din Los Alamos asupra posibilității de utilizare a motoarelor Stirling așezate pe roci fierbinți, respective roci topite și apa de mare ca mediu de răcire, cu potențial energetic aproape nelimitat. Cu toate că actualmente cea mai fezabilă pare utilizarea energiei solare, multe previziuni se bazează pe forări de mare adâncime și dezvoltarea metodelor de lucru cu roci topite ceea ce ar putea avea ca rezultat creșterea exponențială a generării de energie pe mii de ani fără poluarea mediului.
Motoare pentru diferențe mici de temperatură
Motoarele Stirling pentru diferențe mici de temperatură (Low Delta T) funcționează pe gradiente mici de exemplu diferența dintre temperatura palmei și cea a camerei sau cea a camerei și a unui cub de gheață. De obicei pentru simplificare sunt construite în configurația Gama și fără generator. Sunt nepresurizate funcționând aproape de presiunea atmosferică. Puterea debitată este mai mică de 1W și au doar rol demonstrativ. Se comercializează ca jucării.
Puterea produsă de motorul Stirling este utilizată adesea în agricultură în diferite procese, în urma cărora rezultă deșeuri de biomasă care la rândul lor pot fi utilizate drept combustibil pentru motor evitându-se astfel costurile de transport și depozitare a deșeurilor. Procesul în general abundă în resurse energetice fiind în ansamblul lui avantajos din punct de vedere economic.
Firma WhisperGen cu sediul în Christchurch/Noua Zeelandă, a dezvoltat o microcentrală cu cogenerare ("AC Micro Combined Heat and Power") bazată pe ciclul Stirling. Aceste microcentrale sunt sisteme de încălzire alimentate cu gaz metan care furnizează și energie electrică în rețea. WhisperGen a anunțat în 2004 că va produce 80000 centrale de acest tip pentru locuințele din Marea Britanie. Un lot 20 de centrale a început testul în Germania în anul 2006.
Generatoare solare de electricitate
Așezat în focarul unei oglinzi parabolice, un motor Stirling poate fi utilizat ca generator de curent electric cu un randament mai bun decât panourile solare cu celule fotovoltaice simple și comparabil cu cel al panourilor solare cu celule fotovoltaice cu concentrator. Pe data de 11 august 2005 Southern California Edison a făcut public un contract privind cumpărarea eșalonată pe 20 ani a 20000 bucăți de motoare Stirling acționate cu energie solară de la firma Stirling Energy Systems în scopul construirii unei centrale solare. Aceste sisteme vor fi montate pe o suprafață de 19 km² cu utilizarea de oglinzi parabolice capabile să se orienteze după soare și să concentreze lumina solară pe motoarele Stirling ce acționează generatoare de curent electric, cu o putere instalată totală de 500 MW.
Instalații frigorifice Stirling - Cryocooler
Orice mașină Stirling poate lucra în regim invers ca pompă de căldură: dacă se introduce lucru mecanic prin acționarea mașinii, între cilindri apare o diferență de temperatură. Una din utilizările moderne este în industria frigului ca instalații frigorifice și criogenice (cryocooler). Componentele principale al unui cryocooler sunt identice cu cele ale mașinii Stirling. Rotirea axului motor va produce comprimarea gazului producând creșterea temperaturii acestuia. Prin împingerea gazului într-un schimbător, căldura va fi livrată. În faza următoare gazul va fi supus unei destinderi în urma căreia se va răci și va fi vehiculat spre celălalt schimbător de unde va prelua căldură. Acest schimbător este situat într-un spațiu izolat termic cum este de exemplu un frigider. Acest ciclu se repetă la fiecare rotație a arborelui. De fapt căldura este extrasă din compartimentul răcit și este disipată în mediul înconjurător. Temperatura în compartiment va scădea din cauza izolației termice care nu permite intrare căldurii. La fel ca la motorul Stirling, randamentul se îmbunătățește prin utilizarea unui regenerator care creează un tampon pentru căldură între cele două capete cu temperaturi diferite. Primul cryocooler bazat pe ciclu Stirling a fost lansat pe piață în anul 1950 de firma Philips și a fost utilizat în stații de producere a azotului lichid. O gamă largă de cryocoolere mai mici sunt produse pentru diferite aplicații cum ar fi răcirea senzorilor. Refrigerarea termoacustică se bazează pe ciclul Stirling creat într-un gaz de către unde sonore de mare amplitudine.
Pompe de căldură
O pompă de căldură Stirling se aseamănă foarte mult cu un cryocooler Stirling, diferența constând în faptul că pompa de căldură lucrează la temperatura camerei și rolul ei principal este de a pompa căldură din afara clădirii în interior pentru a asigura o încălzire ieftină. Ca și la alte mașini Stirling și în acest caz căldura trece dinspre zona de destindere spre zona de compresie, totuși spre deosebire de motorul Stirling zona de destindere se află la o temperatură mai scăzută decât cea de compresie, astfel că în loc să se producă lucru mecanic, este necesară furnizarea lui de către sistem pentru a satisface cerințele celei de-a doua legi a termodinamicii. Zona de destindere a pompei de căldură este cuplată termic la o sursă de căldură, care adeseori este mediul înconjurător. Partea de compresie a mașinii Stirling este situată în spațiul ce va fi încălzit, spre exemplu o clădire. În mod obișnuit va exista o izolare a spațiului din clădire de mediul exterior, ceea ce va permite creșterea temperaturii interioare. Pompele de căldură sunt pe departe cele mai eficiente sisteme din punct de vedere energetic.
Energie nucleară
În centralele nucleare există posibilitatea utilizării mașinilor Stirling pentru producerea de energie electrică. Înlocuind turbinele cu abur cu motoare Stirling, se poate reduce complexitatea construcției, se poate obține un randament mai mare, și se pot reduce reziduurile radioactive. Anumite reactoare de îmbogățire a uraniului utilizează prin construcție sodiu lichid ca agent de răcire. Dacă energia termică este utilizată în continuare într-o centrală cu abur este nevoie de schimbătoare de căldură apă/sodiu ceea ce mărește gradul de pericol datorită posibilității reacției violente a sodiului cu apa în caz de contact direct. Utilizarea motorului Stirling face ca apa să poată fie eliminată din ciclu.
Laboratoarele guvernamentale din SUA au dezvoltat un motor Stirling modern sub numele de SRG (Stirling Radioisotope Generator) pentru a putea fi utilizat în explorări spațiale. Este destinat generării de energie electrică pentru sonde spațiale ce părăsesc sistemul solar cu o durată de viață de mai multe decenii. Acest motor utilizează un singur piston de refulare pentru a reduce piesele în mișcare și unde acustice de mare energie pentru transferul de energie. Sursa de căldură este un bloc de combustibil radioactiv, iar căldura reziduală este eliminată în spațiu. Acest ansamblu produce de patru ori mai multă energie din același bloc de combustibil ca și un genearator similar de tip RTG (radioisotope thermoelectric generator).
Motoare de navă
Kockums, constructorul Suedez de nave a construit în cursul anului 1980 cel puțin 8 submarine de clasa Gotland având motoarele de acționare de tip Stirling.
Motoare pentru avioane
Teoretic motoarele Stirling ar prezenta avantaje și ca motoare de avion. Sunt mai silențioase și mai puțin poluante, randamentul crește cu altitudinea (randamentul motoarelor cu ardere internă scade cu altitudinea), sunt mai sigure în funcționare datorită componentelor mai puține și lipsei sistemului de aprindere, produc mai puține vibrații (structura de rezistență va avea o durată mai lungă) și sunt mai sigure putând utiliza combustibil mai puțin explozibil (vezi mai jos "Argument on why the Stirling engine can be applied in aviation").
Motoare de automobil
În industria de automobile neutilizarea motoarelor Stirling pentru acționarea autovehiculelor, adesea se argumentează prin raportul putere/greutate prea mic și un timp de pornire prea lung. Alături de proiecte de la Ford și American Motor Companies la NASA s-au construit cel puțin două automobile acționate exclusiv cu motoare Stirling.
Problemele cele mai mari rezidă în timpul de pornire lung, răspunsul lent la accelerare, oprire și sarcină la care nu s-a găsit o rezolvare aplicabilă imediat. Mulți consideră că acționarea hibridă ar elimina aceste neajunsuri, dar deocamdată nu a fost construit niciun vehicul pe această bază. Vehiculele proiectate la NASA au fost denumite MOD I și MOD II. În cazul lui MOD II s-a înlocuit un motor normal cu aprindere prin scânteie dintr-un Chevrolet Celebrity hatchback cu 4 uși din 1985. În raportul publicat în 1986 la anexa A se precizează că atât pe autostradă cât și în oraș consumul a scăzut de la 5,88 l/km la 4,05 l/km, respectiv de la 9,05 l/km la 7,13 l/km.
Timpul de pornire al vehiculului de la NASA a fost de 30 s, în timp ce automobilul pilot de la Ford utilizând un preîncălzitor electric din zona de aer cald a reușit să pornească doar în câteva secunde.
Energia geotermală
Capacitatea motoarelor Stirling de a converti energia geotermală în electricitate și apoi producerea de hidrogen cu ajutorul acestuia, constituie după părerea multora cheia trecerii de la utilizarea combustibililor fosili la economia bazată pe hidrogen. Această părere se bazează pe cercetările laboratoarelor din Los Alamos asupra posibilității de utilizare a motoarelor Stirling așezate pe roci fierbinți, respective roci topite și apa de mare ca mediu de răcire, cu potențial energetic aproape nelimitat. Cu toate că actualmente cea mai fezabilă pare utilizarea energiei solare, multe previziuni se bazează pe forări de mare adâncime și dezvoltarea metodelor de lucru cu roci topite ceea ce ar putea avea ca rezultat creșterea exponențială a generării de energie pe mii de ani fără poluarea mediului.
Motoare pentru diferențe mici de temperatură
Motoarele Stirling pentru diferențe mici de temperatură (Low Delta T) funcționează pe gradiente mici de exemplu diferența dintre temperatura palmei și cea a camerei sau cea a camerei și a unui cub de gheață. De obicei pentru simplificare sunt construite în configurația Gama și fără generator. Sunt nepresurizate funcționând aproape de presiunea atmosferică. Puterea debitată este mai mică de 1W și au doar rol demonstrativ. Se comercializează ca jucării.