Jak działa silnik Stirlinga? Zasada i tajemnice wydajności

Czym jest Silnik Stirlinga i jakie są jego podstawowe cechy? Ten silnik to zewnętrznego spalania silnik cieplny, który przekształca energię termiczną w mechaniczną. Wykorzystuje cykliczne sprężanie i rozprężanie gazu roboczego (najczęściej wodoru lub helu) w zamkniętym układzie. Jego działanie opiera się na dostarczaniu ciepła z zewnątrz do jednej strefy cylindra i chłodzeniu drugiej, co generuje różnicę temperatur i ciśnień, wprawiając elementy ruchome (czyli tłoki) w ruch. Jak działa silnik Stirlinga w praktyce? Zrozumienie jego mechanizmu pozwala na lepsze docenienie różnic w porównaniu do innych jednostek, np. poznając jak działa silnik rakietowy.

Historia i rozwój silnika Stirlinga

Jak wygląda historia wynalezienia i rozwoju silnika Stirlinga? Koncepcje maszyn napędzanych pneumatycznie sięgają 1699 roku, a przypisuje się je francuskiemu inżynierowi Guillaume’owi Amontonsowi. Jednak praktyczne zastosowanie długo wyprzedzało możliwości technologiczne tamtych czasów. Pierwszy działający egzemplarz pneumatycznego silnika Stirlinga został zbudowany w 1807 roku przez Sir George’a Caleya. Prawdziwym przełomem okazał się jednak projekt szkockiego duchownego Roberta Stirlinga, który w 1816 roku uzyskał patent na opracowany przez siebie silnik. W tym samym roku opatentował również „Economiser”, urządzenie poprawiające wydajność, które można uznać za prekursora regeneratora ciepła.

Robert Stirling, we współpracy ze swoim bratem Jamesem, inżynierem z zawodu, udoskonalił konstrukcję, co w 1827 roku zaowocowało kolejnym przełomem technologicznym dla silnika z pompą sprężonego powietrza, znacznie zwiększającą ciśnienie w układzie. Celem było stworzenie konkurencyjnej alternatywy dla silników parowych, które, mimo swojej potęgi, były znacznie mniej wydajne (około 10% sprawności) i obarczone ryzykiem eksplozji. W latach 40. XIX wieku, dzięki kolejnym ulepszeniom, silniki Stirlinga osiągały już moc 45-50 koni mechanicznych, znajdując szerokie zastosowanie w niektórych gałęziach przemysłu i gospodarstwach domowych, np. do pompowania wody. To kolejny ważny element historii tego unikatowego silnika. Kto wynalazł silnik Stirlinga?

Jakie są współczesne zastosowania silnika Stirlinga? W XX wieku, szczególnie w obliczu kryzysu naftowego i niepewności związanej z paliwami kopalnymi, silnik Stirlinga przeżył krótki okres odrodzenia. Firma Philips wprowadziła na rynek niewielkie urządzenia wytwarzające moc o wartości 200 W. W latach 70. ponowne zainteresowanie doprowadziło do budowy eksperymentalnych samochodów z napędem silnika Stirlinga o mocy 60 kW. Co więcej, w latach 80. szwedzka firma Kockums z powodzeniem zamontowała te silniki w okrętach podwodnych, gdzie służą jako bezpowietrzne źródło zasilania. W XXI wieku obserwujemy wzmożone zainteresowanie jednostkami micro-CHP (skojarzona produkcja ciepła i elektryczności) oraz wykorzystaniem energii słonecznej jako źródła ciepła dla silników Stirlinga.

Zasada działania: Jak silnik Stirlinga przetwarza ciepło w ruch?

Na jakiej zasadzie działa silnik Stirlinga? Jaka jest szczegółowa zasada działania tego silnika i jego cykl termodynamiczny? Silnik Stirlinga funkcjonuje na zasadzie zewnętrznego spalania, co oznacza, że ciepło jest dostarczane do gazu roboczego (najczęściej wodoru lub helu ze względu na ich właściwości) z zewnątrz, a nie w wyniku jego wewnętrznego spalania. Gaz roboczy jest zamknięty w układzie i nie opuszcza silnika, co eliminuje potrzebę zaworów i upraszcza budowę. Podstawą jego działania jest cykliczne rozprężanie i sprężanie gazu wynikające z różnic temperatur między dwiema strefami: gorącą (źródło ciepła) i zimną (chłodnica).

Proces działania silnika Stirlinga można opisać w czterech fazach, choć jest to ruch ciągły. Początkowo gaz roboczy w podgrzewanej strefie doznaje wzrostu temperatur i ciśnienia. Wysokie ciśnienie powoduje rozprężanie gazu, który wypycha tłok roboczy, wykonując pracę mechaniczną. Następnie element nazywany wypornikiem (displacer) przemieszcza gorący gaz do strefy chłodzącej. W tej zimnej części układu gaz ochładza się, a jego ciśnienie spada, co pozwala tłokowi roboczemu na powrót przy mniejszej pracy. Po tym, wypornik ponownie wtłacza schłodzony gaz w kierunku źródła ciepła, zamykając cykl. Ten cykliczny przepływ gazu między elementami odzysku ciepła do ogrzewania i chłodzenia powtarza się w sposób ciągły, zapewniając nieprzerwane działanie.

Kluczowe dla efektywności silnika Stirlinga jest utrzymanie dużej różnicy temperatur między źródłem ciepła a chłodnicą oraz sprawność transferu ciepła przez gazu roboczego. 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 mocy. Jaka jest ogólna sprawność silnika Stirlinga? Czy wiesz, że ten silnik jest maszyną odwracalną? Może produkować moc mechaniczną z różnicy temperatur. Ale czy silnik Stirlinga może być chłodnicą? Tak, napędzany z zewnątrz, działa również jako pompa ciepła lub chłodnica, wykorzystując moc mechaniczną do tworzenia różnicy temperatur.

Czym różni się silnik Stirlinga od silnika spalinowego? W przeciwieństwie do konwencjonalnych silników spalania wewnętrznego, które działają na zasadzie deflagracji (impulsowego spalania), silnik Stirlinga wytwarza moc w sposób ciągły. Dzięki temu pracuje znacznie ciszej, generuje mniej wibracji i nie wymaga stosowania dużych kół zamachowych dla poprawienia równomierności obrotów tego silnika. To jest kluczowa różnica, która wpływa na charakterystykę działania.

Budowa i typy konstrukcyjne silników Stirlinga

Jakie są elementy budowy silnika Stirlinga i jego konfiguracje? W podstawowej konfiguracji silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów – ciepłego i zimnego – połączonych przewodem u podstawy. W tych cylindrach znajduje się stała ilość gazu roboczego. W każdym cylindrze umieszczony jest element ruchomy, a oba tłoki są połączone wałem korbowym w taki sposób, aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał drugi tłok w cylindrze zimnym o około jedną czwartą cyklu ruchu. Gaz, ogrzewany w cylindrze ciepłym, rozszerza się, następnie jest przepompowywany do cylindra zimnego, gdzie zmniejsza objętość, po czym wraca do cylindra ciepłego. Cały system działa wyłącznie na zasadzie różnicy temperatur między cylindrami, bez potrzeby wewnętrznego spalania.

Istnieje również rozwiązanie korzystające z jednego cylindra, w którym jeden koniec jest „zimny”, a drugi „ciepły”, a wewnątrz znajduje się akumulator ciepła. Taki jednocylindrowy układ, będący w istocie prostym silnikiem Stirlinga, jest często wykorzystywany w modelach edukacyjnych i demonstracyjnych.

Jakie są typy silników Stirlinga? W praktyce wyróżnia się trzy główne typy konstrukcyjne tego silnika:

• Typ Alfa: Składa się z dwóch niezależnych cylindrów z ruchomymi elementami, zazwyczaj ułożonych pod kątem prostym, połączonych przewodem, którym przepływa gaz roboczy. Jeden cylinder jest gorący, drugi zimny. Jest to typ silnika charakteryzujący się stosunkowo wysoką sprawnością, ale wymaga doskonałego uszczelnienia przy wysokich temperaturach.

• Typ Beta: Posiada tylko jeden cylinder, w którym pracują dwa ruchome elementy: roboczy i wypornik (displacer). Wypornik, mniejszy i często przepuszczający gaz, odpowiada za przesuwanie gazu między gorącą a zimną strefą cylindra, podczas gdy element roboczy wykonuje pracę. Ten typ silnika został po raz pierwszy użyty do usuwania wody z kamieniołomu przez Roberta Stirlinga.

• Typ Gamma: Jest to najprostsza konstrukcja silnika Stirlinga. Posiada dwa oddzielne cylindry, ale ich osie nie pokrywają się. Jeden cylinder zawiera tłok roboczy, a drugi wypornik. Cylindry są połączone, co sprawia, że technicznie nie jest to silnik dwucylindrowy w sensie dwutłokowym na jednej osi. Często stosowany w małych, pokazowych modelach ze względu na łatwość budowy.

Kluczowe zalety i unikalne właściwości silnika Stirlinga

Jakie są zalety i wady silnika Stirlinga? Ten silnik charakteryzuje się szeregiem unikalnych zalet, które odróżniają go od innych silników cieplnych. Przede wszystkim jest niemal bezgłośny, ponieważ nie posiada rozrządu, nie korzysta ze spalania deflagracyjnego ani wydechu, które są głównymi źródłami hałasu w silnikach spalinowych. Jego cykl pracy, zwany cyklem Stirlinga, jest bardzo zbliżony do teoretycznie najbardziej wydajnego cyklu Carnota, co przekłada się na wysoką sprawność termiczną. W praktyce silniki Stirlinga mogą osiągać wydajność do 40%, przewyższając konwencjonalne silniki spalinowe wewnętrznego spalania, których maksymalna sprawność rzadko przekracza 30%.

Dzięki zewnętrznemu procesowi spalania paliwa, kontrola nad nim jest znacznie lepsza niż w silnikach tłokowych. Pozwala to na utrzymanie niskiej toksyczności spalin bez konieczności stosowania zaawansowanych systemów oczyszczania, takich jak katalizatory. Co więcej, silnik Stirlinga może być zasilany praktycznie dowolnym źródłem ciepła – od spalania biomasy, przez gaz ziemny, aż po moc słoneczną, geotermalną, a nawet izotopy promieniotwórcze. Ta elastyczność w doborze paliwa czyni ten silnik atrakcyjnym w kontekście odnawialnych źródeł zasilania i niezależności energetycznej.

Inną znaczącą cechą jest szczelne zamknięcie gazu roboczego, co oznacza, że silnik nie wymaga dostępu do powietrza z otoczenia. Ta właściwość sprawia, że jest idealnym kandydatem do zastosowań w środowiskach, gdzie tlen jest ograniczony, jak na przykład w okrętach podwodnych, gdzie służy jako ciche źródło napędu do „pełzania” w zanurzeniu. Ponadto, brak impulsowego spalania i ciągła praca przekładają się na niskie wibracje i mniejsze obciążenie elementów konstrukcyjnych, co może prowadzić do lżejszych silników i dłuższych okresów międzyobsługowych, zwłaszcza gdy łożyska można umieścić po zimnej stronie, ułatwiając smarowanie. Rezygnacja z zaworów dodatkowo upraszcza konstrukcję i sterowanie tym silnikiem.

Główne wady i bariery w szerokim zastosowaniu silników Stirlinga

Mimo wielu zalet, silnik Stirlinga boryka się z kilkoma fundamentalnymi wadami, które ograniczyły jego szerokie zastosowanie, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym. Jakie są główne wady silnika Stirlinga? Głównym problemem jest konieczność stosowania bardzo dużych powierzchni wymiany ciepła, zarówno po stronie gorącej, jak i zimnej. Regeneratory są nie tylko drogie w produkcji, ale także, aby osiągnąć odpowiednią wydajność przy niewielkiej różnicy temperatur, muszą być spore. To sprawia, że choć sam rdzeń silnika może być kompaktowy, cały układ staje się znacznie większy niż konwencjonalny silnik spalinowy, co utrudnia jego integrację w pojazdach, takich jak samochody osobowe.

Kolejną bolączką jest wysoki koszt budowy, wynikający z precyzji wykonania i materiałów potrzebnych do efektywnego działania i uszczelnienia układu pod wysokim ciśnieniem gazu roboczego. Choć zastosowanie wysokich ciśnień gazu może łagodzić problem dużych powierzchni odzysku ciepła, to z kolei stwarza trudności z utrzymaniem szczelności, co jest kluczowe dla zamkniętego cyklu pracy tego silnika.

Dlaczego silnik Stirlinga nie jest powszechnie stosowany w motoryzacji? W kontekście zastosowań mobilnych, ten silnik napotyka na dodatkowe, poważne wyzwania. Jest bardzo wolny w uruchamianiu, ponieważ wymaga znacznego czasu na rozgrzanie do optymalnej temperatury pracy. Ponadto, jego elastyczność jest ograniczona – natychmiastowa reakcja na zmianę obciążenia, typowa dla silników spalinowych, jest praktycznie niemożliwa. Regulacja mocy zajmuje dłuższy czas, co dyskwalifikuje go z zastosowań wymagających dynamicznej zmiany prędkości czy przyspieszenia. Być może największą przeszkodą w zastosowaniach motoryzacyjnych są znaczące straty ciepła generowane podczas ogrzewania otoczenia, co uniemożliwia efektywne wykorzystanie tego silnika w samochodach.

Obszary zastosowań silnika Stirlinga

Mimo wyzwań, silnik Stirlinga znalazł i nadal znajduje unikalne nisze zastosowań, gdzie jego zalety przeważają nad wadami. Jakie są te zastosowania? Historycznie był stosowany w małych agregatach prądotwórczych i do napędu torped. Współcześnie jednym z najbardziej znanych zastosowań są szwedzkie okręty podwodne typu Gotland, gdzie silnik Stirlinga służy jako ciche źródło napędu „pełzającego” w zanurzeniu, działając bez dostępu do powietrza i minimalizując sygnaturę akustyczną.

Duże nadzieje wiąże się z wykorzystaniem silnika Stirlinga do wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Rozważa się jego zastosowanie w systemach wykorzystujących geotermalne źródła ciepła oraz moc słoneczną. Aby lepiej zrozumieć inne metody pozyskiwania energii ze słońca, warto sprawdzić, jak działa fotowoltaika. W przypadku koncentratorów energii słonecznej, gdzie słońce skupia promienie na jednym punkcie, ten silnik bywa sprawniejszy i tańszy od ogniw fotowoltaicznych, oferując efektywną konwersję ciepła w prąd. Jest to szczególnie obiecujące w regionach o dużym nasłonecznieniu.

Kolejnym ważnym zastosowaniem są układy kogeneracji (CHP – Combined Heat and Power) małej mocy, zazwyczaj do 34 kW. Kogeneracja polega na jednoczesnym wytwarzaniu energii elektrycznej i wykorzystaniu ciepła odpadowego, co znacznie zwiększa całkowitą sprawność energetyczną systemu. Chociaż kogeneracja z silnikiem Stirlinga jest nowoczesną, ale często drogą inwestycją, a jej sprawność może nie być konkurencyjna w porównaniu do tradycyjnych elektrociepłowni turbinowych czy układów z silnikami spalinowymi, to zyskuje na znaczeniu w kontekście rozproszonej energetyki i zapotrzebowania na lokalne źródła energii i ciepła.

Przyszłość silnika Stirlinga rysuje się również interesująco w napędach hybrydowych. Koncepcja zakłada zastąpienie silnika spalinowego generatorem elektrycznym, hermetycznie zblokowanym z silnikiem Stirlinga. Taki układ pozwala uniknąć wielu problemów konstrukcyjnych typowych dla tego silnika produkującego bezpośrednio moc mechaniczną. Może on wykazywać większą sprawność w porównaniu do hybryd typu silnik spalinowy–generator oraz generować niską toksyczność spalin, często bez potrzeby stosowania katalizatora. Dodatkowo, firma Lockheed Martin testowała radioizotopowy generator Stirlinga (zasilany izotopem promieniotwórczym) o mocy około 100 watów, przeznaczony do zasilania sond kosmicznych dalekiego zasięgu, co podkreśla jego potencjał w specjalistycznych zastosowaniach.

Tomasz Kozirędzki

Hej, z tej strony Tomasz! Jestem entuzjastą jazdy na rowerze, tak więc prowadzę bloga o tej tematyce. Zapraszam do zapoznania się z informacjami związanymi z rowerami!