Silnik Stirlinga

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Silnik Stirlingasilnik cieplny, który przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, jednak bez procesu wewnętrznego spalania paliwa, a na skutek dostarczania ciepła z zewnątrz, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go ciepłem z dowolnego źródła. Źródłem ciepła może być w szczególności proces spalania jakiegoś paliwa, ale nie jest to konieczne.

Silnik Stirlinga

Historia[edytuj | edytuj kod]

Replika silnika Stirlinga
Model silnika Stirlinga

Silnik wynalazł szkocki duchowny Robert Stirling i opatentował go w 1816 roku (patent angielski nr 4081). Silnik typu Beta został po raz pierwszy użyty do usuwania wody z kamieniołomu. Również w odlewni w Dundee silnik znalazł zastosowanie, lecz wkrótce − ze względu na jego dużą awaryjność − zastąpiono go silnikiem parowym[1]. W XIX wieku nie znalazł już większych zastosowań w przemyśle. Niemniej jednak w gospodarstwach domowych do XX wieku małe silniki były używane m.in. do pompowania wody.

W XX wieku zwiększona niepewność co do paliw kopalnych (głównie ropy naftowej) spowodowała krótki okres odrodzenia silnika Stirlinga[2]. W tym czasie firma Philips wypuściła na rynek niewielkie generatory o mocy 200 W, pracujące na olej do lamp, jednak wkrótce wyparły je spalinowe agregaty prądotwórcze. W latach 70. za sprawą kryzysu naftowego zbudowano nawet samochód z napędem Stirlinga o mocy 60 kW.[3] W latach 80. szwedzka firma Kockums zamontowała silniki Stirlinga do kilku okrętów podwodnych, gdzie służą jako źródło energii pracujące bez dostępu do powietrza[4].

W XXI wieku zainteresowanie wzbudziły jednostki tzw. micro-CHP (z ang. Combined Heat and Power), które zarazem ogrzewają i produkują energię elektryczną, oraz silniki Stirlinga używające słońca jako źródła ciepła.

Zasada działania[edytuj | edytuj kod]

1
2
3
4

W silniku Stirlinga gaz roboczy o dużej przewodności i cieple właściwym (wodór, hel) umieszczony w podgrzewanej strefie, doznaje wzrostu ciśnienia i przepycha tłok roboczy, przekazując mu energię. Następnie tłok nazywany wypornikiem, przemieszcza gaz roboczy do strefy chłodzącej, gdzie gaz zmniejsza swoją objętość, cofając tłok roboczy. Osiągi silnika zależą od sprawności i szybkości transferu ciepła przez gaz roboczy oraz od strat mechanicznych. Im większa porcja gazu, pod większym średnim ciśnieniem roboczym, umieszczona w przestrzeniach o dużej powierzchni nagrzewania i schładzania, tym szybciej i sprawniej przebiega proces przemiany energii. Silnik Stirlinga jest maszyną odwracalną i może produkować energię mechaniczną wykorzystując różnicę temperatur. Może też być maszyną chłodniczą lub grzewczą, wykorzystując pracę mechaniczną.

Silnik Stirlinga produkuje energię nie na zasadzie deflagracji – jak konwencjonalne silniki wewnętrznego spalania – ale w sposób ciągły, dzięki czemu wytwarza znacznie mniej hałasu i nie wymaga stosowania dużych kół zamachowych dla poprawienia równomierności obrotów. Mankamentem dotychczasowych konstrukcji silnika Stirlinga było to, że wymagały one instalowania bardzo dużej chłodnicy i dlatego uznano je za nieprzydatne do samochodów, a zwłaszcza samochodów osobowych.

Budowa silnika[edytuj | edytuj kod]

W podstawowej konfiguracji silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów (ciepłego i zimnego), pomiędzy którymi (przy ich podstawach) znajduje się połączenie. W cylindrach znajduje się stała ilość gazu. Ponadto w każdym cylindrze jest tłok, a tłoki te są połączone wałem korbowym, tak aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o 1/4 cyklu ruchu.

Najpierw gaz ogrzewany w cylindrze ciepłym powiększa swoją objętość, potem jest przepompowywany do cylindra zimnego, gdzie zmniejsza objętość i w minimum objętości jest przepompowywany do cylindra ciepłego. Silnik nie wymaga w ogóle spalania – korzysta wyłącznie z różnicy temperatur pomiędzy cylindrami.

Istnieje rozwiązanie korzystające z jednego cylindra i akumulatora ciepła. W takim rozwiązaniu jeden z końców cylindra jest "zimny", a drugi "ciepły".

Charakterystycznym rozwiązaniem silnika Stirlinga jest beztłokowy, rotacyjny silnik WASE 2 wynaleziony przez Andrzeja Wąsowskiego. Zbudowany jest z połączonych dwóch cylindrów z wypornikami, silnika i prostownika pneumatycznego (części ruchome pracują na tej samej osi). Naprzemiennie ocieplany i oziębiany gaz w cylindrach jest prostowany i porusza silnikiem pneumatycznym.

Cechy użytkowe i wady silnika[edytuj | edytuj kod]

Silnik Stirlinga nie ma rozrządu, nie korzysta ze spalania deflagracyjnego i nie ma wydechu, nie ma w nim źródeł hałasu – dzięki temu jest niemal bezgłośny. Jego podstawową zaletą jest to, że cykl Stirlinga jest bardzo zbliżony do cyklu Carnota, co zapewnia mu dużą sprawność[potrzebne źródło]. Ponadto kontrola procesu spalania paliwa może być znacznie lepsza niż w przypadku silnika tłokowego, co umożliwia utrzymanie niskiej toksyczności spalin. W praktyce silniki Stirlinga mogą osiągać bardzo duże wydajności (do 40%) w stosunku do silników spalinowych wewnętrznego spalania (maksymalnie 30%.)[5]

Wadą silnika Stirlinga jest konieczność używania dużych powierzchni wymiany ciepła. Problem łagodzi zastosowanie wysokich ciśnień gazu roboczego, co z kolei sprawia trudności z uszczelnieniem. Ogólnie wadą silnika Stirlinga są koszty budowy, a nie zasada działania[potrzebne źródło].

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Próby zastosowania w pojazdach mechanicznych (autobusach) nie wyszły poza stadium eksperymentów. Był stosowany do napędu torped oraz w przenośnych agregatach prądotwórczych.

Silnik Stirlinga jest wykorzystywany np. do napędzania szwedzkich okrętów podwodnych typu Gotland jako ciche źródło napędu do "pełzania" w zanurzeniu. Rozważa się także stosowanie tego silnika do wytwarzania energii elektrycznej przy wykorzystaniu geotermalnych źródeł ciepła oraz energii słonecznej. W tym ostatnim zastosowaniu jest zdecydowanie sprawniejszy i tańszy od ogniw fotowoltaicznych.

Ostatnio najmodniejszym zastosowaniem silnika Stirlinga są układy CHP (kogeneracji produkcji ciepła i energii elektrycznej) małej mocy (do 34 kW). Generacja skojarzona czyli kogeneracja polega na wytwarzaniu energii elektrycznej i wykorzystaniu ciepła odpadowego, co w sumie daje bardzo wysoką sprawność. Kogeneracja z silnikiem Stirlinga jest nowoczesną, ale drogą inwestycją, gdzie łączna sprawność nie będzie konkurencyjna do np. od dawna stosowanych elektrociepłowni turbinowych czy układów kogeneracyjnych z klasycznym silnikiem spalinowym. Najciekawsza przyszłość rysuje się przed silnikiem Stirlinga w napędzie hybrydowym. Konkretnie w zastąpieniu silnika spalinowego generatorem elektrycznym, hermetycznie zblokowanym z silnikiem Stirlinga. Powyższy układ pozwala uniknąć problemów konstrukcyjnych występujących w silniku produkującym moc mechaniczną, wykazując przy tym zdecydowanie większą sprawność w stosunku do hybrydy typu silnik spalinowy-generator oraz niską toksyczność spalin bez konieczności stosowania katalizatora.

Firma Lockheed Martin dokonywała poprawek w testowym egzemplarzu radioizotopowego (źródłem ciepła jest 2,25 kg izotopu promieniotwórczego) generatora Stirlinga, który miał być gotowy wiosną 2008 roku. Znajdujące się w nim dwa silniki Stirlinga napędzają liniowy alternator o mocy około 100 watów. Układ ma posłużyć do zasilania sond kosmicznych dalekiego zasięgu. NASA zamierza wykorzystać tę technologię już w latach 2012 - 2013[6].

Wikimedia Commons

Przypisy

Literatura[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]