Silnik Stirlinga

Zasada działania

Silnik Stirlinga jest tłokową maszyną roboczą pracującą w obiegu zamkniętym z dowolnym gazem roboczym (np. hel, wodór, neon, powietrze) oraz z regeneracją ciepła przy stałej objętości. Jedną z pierwszych wersji takiego silnika skonstruował i opatentował w 1816r. Robert Stirling, w którym jako gaz roboczy zastosował powietrze. Silniki tego typu nazywane były silnikami na gorące powietrze.

W przestrzeni roboczej silnika Stirlinga zamknięta jest stała masa gazu roboczego, która uczestniczy w kolejnych cyklach jego pracy. Jeden z przykładów konstrukcji silnika Stirlinga przedstawiony jest na poniższym rysunku. Jest to silnik jednostronnego działania w układzie γ, na konstrukcji którego oparty jest prototypowy silnik SEPS-1 opracowany i zbudowany w Zakładzie Maszyn Cieplnych Okrętowych Wydziału Techniki Morskiej Politechniki Szczecińskiej. W silniku występuje tłok i wypornik, które poruszają się w dwóch oddzielnych cylindrach połączonych ze sobą dwoma kanałami. W jednym z kanałów znajduje się zespół wymienników ciepła: chłodnica K, regenerator R i nagrzewnica H. Wypornik wyprzedzający o kąt α ruch tłoka przemieszcza gaz roboczy między przestrzenią sprężania C a rozprężania E. Pod tłokiem znajduje się przestrzeń buforowa, której zadaniem jest zmniejszenie różnicy ciśnień na uszczelnieniach tłoka, w przypadku stosowania wysokich ciśnień gazu w przestrzeni roboczej.

silnik stirlinga rycina
Rozwiązanie konstrukcyjne silnika Stirlinga w układzie γ:
w – wypornik; t – tłok; pg – ciśnienie gazu; pb – ciśnienie w przestrzeni buforowej;
C – przestrzeń sprężania; E – przestrzeń rozprężania;
H – nagrzewnica; R – regenerator; K – chłodnica;
α – kąt przesunięcia fazowego; ω – prędkość kątowa
W celu zrealizowania obiegu cieplnego należy na przemian doprowadzać i odprowadzać ciepło z przestrzeni roboczej silnika, czyli nagrzewać i chłodzić czynnik roboczy. Realizacja tego procesu następuje w regeneratorze. Ze względu na to, że nie jest możliwa doskonała regeneracja ciepła, w celu zrealizowania odpowiedniej przemiany podczas trwania obiegu cieplnego należy doprowadzić do czynnika roboczego dodatkową ilość ciepła. Ponadto sprężanie i rozprężanie czynnika roboczego powinno przebiegać przy stałej temperaturze, dlatego należy nagrzewać gaz roboczy podczas przemiany rozprężania oraz oziębiać podczas przemiany sprężania. Realizacja tych procesów następuje odpowiednio w nagrzewnicy i w chłodnicy. Zachodzi zatem konieczność podzielenia przestrzeni roboczej silnika Stirlinga na przestrzeń nisko- i wysokotemperaturową oraz zapewnienia przemieszczania całkowitej masy gazu roboczego pomiędzy tymi przestrzeniami.

W rozwiązaniu konstrukcyjnym silnika Stirlinga przedstawionym na rysunku jako mechanizm roboczy zastosowano wodzikowy mechanizm korbowy zbudowany z dwóch wałów korbowych połączonych przekładnią zębatą. Jeden z nich współpracuje z tłokiem, a drugi z wypornikiem. Tłok oddziela niskotemperaturową przestrzeń sprężania od przestrzeni buforowej i zapewnia sprężanie czynnika roboczego, natomiast wypornik oddziela obie przestrzenie robocze, zapewniając przemieszczanie czynnika roboczego pomiędzy nimi. Z kolei oddzielenie przestrzeni roboczej od przestrzeni skrzyni korbowej umożliwiają dławnice trzonów tłoka i wypornika. Takie rozwiązanie wymaga zastosowania uszczelnień poszczególnych elementów mechanizmu roboczego, tj. tłoka i wypornika oraz dławnic trzonów tłoka i wypornika.

Informacje dotyczące silników oraz innych maszyn pracujących według obiegu Stirlinga będą sukcesywnie rozbudowywane, gdyż celem jest propagowanie wiedzy na temat tych bardzo interesujących urządzeń.

 

Historia
Na początku XIX wieku występował równoległy rozwój maszyn parowych oraz silników, w których jako gaz roboczy stosowano powietrze. Silniki te nazywano „silnikami na gorące powietrze”. Opracowane wówczas konstrukcje silników, które wykorzystywały zasadę regeneracji ciepła podczas obiegu, można podzielić na dwie grupy:

* silniki Ericssona – silniki z rozrządem i regeneracją ciepła przy stałym ciśnieniu,
* silniki Stirlinga – silniki pracujące z zamkniętą przestrzenią roboczą i regeneracją ciepła przy stałej objętości.

Różne wersje konstrukcyjne silników należących do drugiej grupy nazywano nazwiskiem konstruktora lub twórcy patentu, np. silniki Beniera, Wenhama, Stirlinga, itp. Jednakże zastosowanie przez firmę Philips w tych silnikach innych gazów roboczych, jak np. helu, wodoru czy azotu, spowodowało, że nazwa „silniki na gorące powietrze” stała się zupełnie nieadekwatna. Z tego względu zaproponowano, aby w odniesieniu do silników pracujących w obiegu zamkniętym z dowolnym gazem roboczym przyjąć jedno wspólne określenie „silniki Stirlinga”. Nazwa ta jest powszechnie stosowana do dnia dzisiejszego.

Jedną z pierwszych wersji silnika na gorące powietrze, pracującego w obiegu zamkniętym z regeneracją ciepła, była konstrukcja opatentowana przez szkockiego inżyniera Roberta Stirlinga w 1816 roku, przedstawiona poglądowo na poniższym rysunku.

 Schemat oryginalnego silnika Stirlinga z 1816r. - patent angielski nr 4081

Schemat oryginalnego silnika Stirlinga z 1816r. – patent angielski nr 4081

Robert Stirling wraz ze swym bratem Jamesem udoskonalał konstrukcję swojego silnika wielokrotnie, jednakże bez większego sukcesu handlowego, przy silnej konkurencji ze strony maszyn parowych oraz wynalezionych w latach późniejszych tłokowych silników spalinowych. Robert Stirling uważał, że przeszkodą były względy technologiczne i materiałowe, ponieważ zasadnicze elementy silnika wykonywane byłe z żeliwa, które charakteryzowało się stosunkowo małą wytrzymałością, jak na istniejące potrzeby. Niewielka sprawność i trudności w eksploatacji silnika Stirlinga wynikały z konieczności stosowania grubych ścianek żeliwnych, które stwarzały znaczny opór cieplny. Na dwa lata przed śmiercią, w 1876 roku, Robert Stirling pisał:

„Gdyby stal Bassemera była znana trzydzieści lub czterdzieści lat wcześniej, nie ma cienia wątpliwości, że silnik na gorące powietrze byłby ogromnym sukcesem. Aktualnie przedstawia on potencjalną możliwość rozwoju w rękach ambitnych i wykształconych mechaników, którzy w sprzyjających okolicznościach mogą osiągnąć zamierzony cel w przyszłości.”
Jak pokazał czas, przewidywania Roberta Stirlinga nie sprawdziły się, a zdobycze nauki i techniki zapewniły dynamiczny rozwój tłokowych silników spalinowych. Silniki Stirlinga pozostawały natomiast przez długie lata w zapomnieniu.

Zasilanie.
Silnik Stirlinga, jako silnik o zasilaniu zewnętrznym, pozwala na zastosowanie do jego napędu różnych źródeł energii cieplnej. W przestrzeni roboczej tego silnika zamknięta jest stała masa sprężonego gazu roboczego, którym może być hel, wodór, a nawet powietrze. Przekazywanie energii cieplnej od zewnętrznego źródła ciepła do czynnika roboczego, która następnie zamieniana jest na pracę mechaniczną, realizowane jest poprzez wymianę ciepła w specjalnie ukształtowanej przestrzeni, nazywanej nagrzewnicą. Zasilanie energią cieplną może zatem odbywać się bezpośrednio od źródła energii lub za pomocą układów pośrednich, takich jak np. rura ciepła lub wymiennik parowy, co pozwala na swobodne wykorzystywanie dowolnej postaci wysokotemperaturowej energii cieplnej o dostatecznie dużej koncentracji mocy. W systemach zasilania energią cieplną silników Stirlinga wykorzystywane są m.in. następujące źródła energii:

* paliwa energetyczne – w komorze spalania może następować spalanie paliw w postaci związków ropopochodnych, paliw stałych w postaci węgla czy drewna, paliw gazowych oraz wszelkich paliw alternatywnych, a nawet metali (aluminium, lit, sód, magnez),
* akumulatory energii cieplnej – przejmują i magazynują energię cieplną, by w odpowiednim momencie przekazać ją silnikowi cieplnemu,
* energia promieniotwórcza – rozpad promieniotwórczy paliwa jądrowego (np. wzbogaconego izotopu uranu U235) powoduje wydzielanie energii cieplnej, która przetwarzana jest na energię elektryczną metodą dynamiczną, opierającą się na przetworzeniu energii cieplnej na energię mechaniczną, a następnie energii mechanicznej na energię elektryczną,
* energia słoneczna – energia ta skupiana jest na elementach nagrzewnicy silnika za pośrednictwem koncentratora,
* energia geotermalna – wykorzystanie energii cieplnej wód geotermalnych,
* biomasa – przetwarzana na paliwa ciekłe (olej, alkohol) lub wykorzystywana w procesach bezpośredniego spalania biopaliw stałych (drewno, słoma) oraz gazowych w postaci biogazu (gaz wysypiskowy, gaz z fermentacji osadów ściekowych, gaz z fermentacji beztlenowej odchodów zwierzęcych),
* energia odpadowa – energia spalin wylotowych spalinowych silników dużej mocy, np. napędu głównego statku.

Istotnym jest fakt, że praktycznie tę samą konstrukcję silnika Stirlinga można zasilać w energię cieplną pochodzącą z dowolnego z tych źródeł. W celu uzyskania wysokiej sprawności i dużej koncentracji mocy, system zasilania w energię cieplną powinien zapewnić odpowiednio wysoką temperaturę w gorącej części silnika (nagrzewnicy).

Zastosowanie.
Szereg zalet jakie charakteryzują pracę silników Stirlinga, m.in. wysoka sprawność cieplna, bardzo niski poziom hałasu, niezawodność uruchamiania, bardzo niski poziom emisji szkodliwych składników spalin oraz ogromna różnorodność źródeł energii cieplej, stwarza ogromne perspektywy dla zastosowania tych silników w różnych gałęziach przemysłu. Ponadto odwracalność obiegu Stirlinga pozwala na pracę tych maszyn, praktycznie bez żadnych zmian konstrukcyjnych, jako pomp ciepła lub urządzeń chłodniczych i kriogenicznych. Wszystkie te czynniki powodują, że w wielu ośrodkach badawczych całego świata na szeroką skalę prowadzone są prace badawcze, zmierzające do opracowania i komercyjnego zastosowania maszyn i silników Stirlinga, które w najbliższej przyszłości mogą stać się bardzo konkurencyjne dla tłokowych silników spalinowych oraz tradycyjnych urządzeń chłodniczych.

Przegląd publikacji prezentowanych na cyklicznych konferencjach poświęconych maszynom pracującym według obiegu Stirlinga, m.in. International Stirling Engine Conference (ISEC) czy European Stirling Forum, czasopisma Stirling Machine World, jak również wielu monografii poświęconych tym urządzeniom, pozwala na pewne usystematyzowanie głównych obszarów zastosowania silników i maszyn Stirlinga, z których najważniejsze to:

* energetyka:
– stacjonarne i przenośne generatory energii elektrycznej,
– systemy skojarzonej produkcji ciepła i energii elektrycznej,
– systemy przetwarzania energii słonecznej,

* przemysł samochodowy:
– napęd główny pojazdów samochodowych,
– hybrydowe zespoły napędowe pojazdów samochodowych,

* przemysł morski:
– napęd okrętów podwodnych,
– pomocnicze zespoły napędowe i prądotwórcze,
– systemy utylizacji ciepła spalin wylotowych silników okrętowych,
– generatory do ładowania akumulatorów łodzi żaglowych,
– napęd małych robotów podwodnych,

* przemysł kosmiczny:
– pomocnicze źródła energii w systemach elektroenergetycznych pojazdów kosmicznych,

* medycyna:
– pompa sztucznego serca,

* urządzenia chłodnicze, klimatyzacyjne i kriogeniczne,

* pompy ciepła i pompy wodne,

* modelarstwo:
– napęd miniaturowych modeli pojazdów samochodowych,
– napęd miniaturowych modeli jednostek pływających.

Przedstawione przykłady głównych obszarów zastosowania maszyn i silników Stirlinga oraz wybranych ich konstrukcji nie wyczerpują oczywiście całości zagadnienia, gdyż istnieje wiele prototypowych urządzeń działających według obiegu Stirlinga przeznaczonych do rozmaitych zastosowań, jednak pozwalają one przybliżyć ich atrakcyjność oraz skalę prowadzonych nad nimi badań.

Źródła:

Żmudzki S.: Silniki Stirlinga. WNT, Warszawa 1993.
Żmudzki S.: Tendencje w budowie i zastosowaniu silników Stirlinga. Materiały Sympozjum Naukowego „Problemy rozwojowe silników cieplnych”. Politechnika Szczecińska, Szczecin 1994.
American Stirling Company – www.stirlingengine.com

Post Author: swistak

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Potwierdz, że nie jesteś botem. *