Konstrukcja oraz badanie mechanizmu działania termo-akustycznego silnika Stirlinga

Transkrypt

1 Patrycjusz Sierżęga Politechnika Wrocławska Konstrukcja oraz badanie mechanizmu działania termo-akustycznego silnika Stirlinga Silniki Stirlinga są silnikami cieplnymi spalania zewnętrznego. Istnieją trzy podstawowe typy rozwiązań konstrukcyjnych tych silników (Alpha, Beta, Gamma). Można również spotkać inne nie typowe konstrukcje wśród nich fluidynę lub silnik termo-akustyczny. W artykule autor zamierza przedstawić mechanizm działania silnika termo-akustycznego oraz przedstawić kolejne etapy projektu, budowy oraz uruchomienia rzeczywistego stanowiska badawczego. Autor wskazuje na kluczową rolę precyzyjnego wykonania poszczególnych elementów silnika, w szczególności cylindra, tłoka, decydujących o możliwości jego uruchomienia Słowa kluczowe: termoakustyczny silnik Stirlinga, 1. Wstęp 1.1 Wprowadzenie Przyzwyczajeni jesteśmy do tego, że urządzenia jakimi posługujemy się na co dzień są zasilane prądem elektrycznym. Jak wiadomo do wytworzenia energii elektrycznej z klasycznych surowców takich jak węgiel potrzeby jest szereg zabiegów konwersji energii. Najprościej przedstawia to schemat poniżej. Wskazuje on na istnienie wieloetapowej konwersji energii, generującej na każdym z nich pewne straty. Energia paliwa Energia Energia cieplna mechaniczna Energia elektryczna 1. Kocioł parowy - komora spalania, reaktor 2. Silnik cieplny - turbina parowa 3. Prądnica Rys. 1 Schemat konwersji energii Unia Europejska wymaga od producentów by wprowadzane zostały coraz to nowsze technologie usprawniające proces konwersji energii, a co za tym idzie dbali o środowisko naturalne. Można posunąć się do stwierdzenia, że jedną z metod uzyskania energii elektrycznej może być termo-akustyka. Nie jest ona wykorzystywana w klasycznych elektrowniach jednak zaczęto to zjawisko wykorzystywać w chłodnictwie [2]

2 1.2 Robert Stirling [1]. Robert Stirling urodził się roku. Szkocki duchowny, wynalazca silnika Stirlinga. Jako pierwszy uzyskał patent na silnik zewnętrznego spalania w 1816 roku. W późniejszych latach zaprojektował i wypróbował kilka różnych modeli silników, w którym gazem roboczym było gorące powietrze (czynnik roboczy pracował ze zmiennym ciśnieniem przy stałej objętości). Stąd wzięła się ich nazwa silniki na gorące powietrze. Przez zastosowanie firmy Philips gazu innego niż powietrze tj. wodór czy hel i nazwa ta stała się nieadekwatna do wykonania. Przyjęto jedną ogólna nazwę silniki Stirlinga Silniki te jednak nie znalazły zastosowania, gdyż zostały wyparte przez maszyny parowe, a późniejszym czasie silniki spalinowe. Według szkockiego duchownego na przeszkodzie stanęły względy technologiczne i materiałowe, ponieważ do wykonania zasadniczej części silnika stosowano żeliwo, które na obecny czas miało małą wytrzymałość. Na dwa lata przed swoją śmiercią Robert Stirling napisał: Gdyby stal Bessemera była znana trzydzieści lub czterdzieści lat wcześniej, nie ma cienia wątpliwości, że silniki na gorące powietrze byłyby ogromnym sukcesem. Aktualnie przedstawia on potencjalną możliwość rozwoju w rękach ambitnych i wykształcony mechaników, którzy w sprzyjających okolicznościach mogą osiągnąć zamierzony cel w przyszłości Przewidywania te jednak się nie potwierdziły, gdyż silniki spalinowe poprzez rozwój techniki coraz to dynamiczniej ewoluowały. Oczywiście były prowadzone intensywne badania przez firmę Philips, General Motors Co. i wielu innych w tym również NASA, która z powodzeniem zaprojektowała pojazdy kosmiczne o mocy 25kW. Uważa się, że przy zmniejszaniu się zasobów paliw kopalnych, wzrośnie konkurencyjność silników Stirlinga w różnych dziedzinach gospodarki. Dlatego też szersza powinna być popularyzacja wiedzy na temat Silników Stirlinga. 2. Typy silników Stirlinga [2]. Silniki Stirlinga doczekały się wielu różnych rozwiązań. Poniżej przedstawione są trzy klasyczne rozwiązania. 2.1 Typ Alpha (klasyczny). Układ posiada dwa cylindry, w których poruszają się dwa tłoki, obciążone z jednej strony zmiennym ciśnieniem gazu roboczego p g, a z drugiej strony stałym ciśnieniem gazu p b panującym w tak zwanej przestrzeni buforowej 1. Jak można zauważyć na rysunku, wymagane jest przesunięcie fazowe α tłoków wahające się w okolicach 85 o -120 o. Ważne jest by podczas składania tego typu silnia elementy konstrukcyjne i kinematyczne mechanizmu roboczego i kadłuba silnika muszą być rozmieszczone tak by tłok pracujący w przestrzeni gorącej wyprzedzał ruch tłoka, który pracuje w przestrzeni zimnej o kąt alfa. Przestrzenie cylindrowe ponad tłokami są połączone ze sobą przy pomocy nagrzewnicy H, regeneratora R oraz chłodnicy K. 2.2 Typ Betha (klasyczny). Układ posiada jeden cylinder, w którym współosiowo poruszają się dwa tłoki z wymaganym przesunięciem fazowym o kąt α. Górny tłok porusza się w przestrzeni roboczej silnika przetłaczając gaz dwukrotnie w czasie obiegu między przestrzenią sprężania i rozprężania poprzez zespół wymienników ciepła. Dzięki temu silnik jest obciążany tylko poprzez różnicę ciśnień, wynikającą z przepływu gazu przez wymienniki ciepła i powstałych w wyniku oporów. Zespól wymienników połączony jest z przestrzenią sprężania i rozprężania, a przestrzeń buforowa znajduje się pod tłokiem t. Ruch dolnego tłoka, który jest opóźniony fazowo o kąt α, realizuje sprężanie i rozprężanie czynnika 1 Odpowiada ona za zmniejszenie różnic ciśnień gazu na denku i uszczelnieniach tłoka, przy istniejącej potrzebie stosowania wysokiego ciśnienia gazu w przestrzeni roboczej.

3 roboczego, przetłaczanego prze Wypornik odpowiednio w przestrzeni sprężania C (część zimna) i przestrzeni rozprężania E (część gorąca). Rys. 2. Rozwiązanie konstrukcyjne silnika Stirlinga typ α, β, γ. [1] Oznaczenia: w wspornik; t tłok; p g ciśnienie gazu; p b ciśnienie w przestrzeni buforowej; C przestrzeń sprężania; E przestrzeń rozprężania; H nagrzewnica; R regenerator; K chłodnica; α kąt przesunięcia fazowego; ω prędkość kątowa. 2.3 Typ Gamma (klasyczny). Najprostszy i najłatwiejszy do zrobienia w domu typ silnika Stirlinga. Podobnie jak w układzie beta, układ gama posiada dwa cylindry (czasami jest jeden duży, a drugi mały), w którym jeden jest za pomocą kanałów łączących wbudowany zespół wymienników. Uruchomienie tego typu silnika może odbywać się przy nie wielkim dostarczeniu ciepła, w porównaniu z klasycznymi rozwiązaniami Alpha oraz Betha. Wystarczającym źródłem ciepła do uruchomienia maszyny może być kubek gorącej wody. 2.4 Cieczowy silnik Stirlinga Fluidyna. Silnik Stirlinga posiadający dwa tłoki cieczowe nazywa sie fluidyną. Oba tłoki są połączone są ze sobą dwoma słupami cieczy (w najprostszym przypadku są to dwie U-rurki wypełnione cieczą i połączone ze sobą). Ruch tłoków jest ruchem wahadłowym, przy czym jak w każdym silniku Stirlinga, poruszają sie one względem siebie z przesunięciem fazowym. Rys. 3. Cieczowy silnik Stirlinga - Fluidyna

4 3. Zasada działania termo-akustycznego silnika Stirlinga [2], [3]. Fala akustyczna nie jest niczym innym niż lokalną zmianą ciśnienia w przestrzeni, w której się ona porusza. Podczas zmiany ciśnienia mamy do czynienia z dwoma zjawiskami: zmianą temperatury elementu płynu oraz jego jednoczesne przemieszczenie. Jeśli ciśnienie w jakimś obszarze rośnie to oznacza również, iż w tym kierunku podążają elementy gazu, a co za tym idzie wzrost temperatury w tym obszarze. Gdy ciśnienie spadnie w tym obszarze to elementy płynu odpływają z tego obszaru i spada temperatura. A zatem, gdy w jakimś obszarze występuje fala akustyczna element gazu jednocześnie doznaje zmian ciśnienia i temperatury, oraz przemieszczenia się na skutek istniejących prędkości wywołanych zmianami ciśnienia. Ponieważ proces odbywa się cyklicznie (częstotliwość kilkaset razy na sekundę) istnieje możliwość efektywnego przemieszczania ciepła z obszaru o temperaturze niższej do obszaru o wyższej temperaturze. Urządzeniem wykorzystującym zjawisko fali termoakustycznej jest Termo-akustyczny silnik Stirlinga. Powstaje ono w wyniku dostarczenia z zewnątrz ciepła spalanie spirytusu w palniku. Dostarczając ciepło powoduje ono wzrost temperatury płynu jakim jest powietrze oraz jego jednoczesne rozprężenia. Powietrze przemieszczając się w kierunku kryzy, a przechodząc przez nią powoduje wzrost prędkości płynu za kryzą prędkość maleje, ale znów wzrasta ciśnienie powodując wysunięcie tłoka. W tym momencie impuls z zewnątrz powoduje ruch koła zamachowego. Tłok zaczyna przesuwać się w kierunku kryzy co powoduje sprężenie powietrza i jednoczesny wzrost prędkości. Powracające powietrze posiada mniejszą temperaturę. Za kryzą w skutek ciągłego dostarczenia ciepła jest ono ciągle ogrzewane oraz odbierane ciepło od regeneratora. 4. Projekt i budowa stanowiska badawczego. Przystępując do projektu silnika Stirlinga, w którym wykorzystywane jest zjawisko termo-akustyki należy szczegółowo zapoznać się z planami jego wykonania. Literatura dostarcza dokładną analizę różnych rozwiązań konstrukcyjnych dla termoakustycznego silnika Stirlinga [1]. Nawiązano także współpracę z Holenderskim konstruktorem Janem Riddersem, który udostępnił własne dane projektowe oraz materiałowe dla poszczególnych elementów silnika. Plany z Holandii zawierały dokładne wymiary poszczególnych elementów oraz informacje z jakich materiałów zostały wykonane. Poniżej przedstawiony została schemat silnika wykonany przez Holendra (Rys.4). Rys. 4. Termoakustyczni silnik Stirlinga wykonany przez Jana Riddersa [6] Cylinder silnika został wykonany ze szkła kwarcowego. Wewnątrz cylindra zainstalowano kryzę (wykonaną z mosiądzu), oraz regenerator (wełna stalowa). Tuba zamknięta jest tłokiem grafitowym zamocowanym za pomocą tłoczyska do koła zamachowego (mosiądz). Pod wystającą częścią tuby znajduje sie zbiornik z ciekłym paliwem (spirytus). Koło zamachowe, tuba oraz zbiornik zamocowane są na sztywnym

5 płaskowniku, który z kolei przymocowany jest do obrotowej platformy. Aby uruchomić silnik należy rozpalić palnik spirytusowy i następnie odczekać ok 3 minut. Do uruchomienia silnika istnieje potrzeba zainicjowania ruchu tłoka przez kilkukrotny obrót koła zamachowego. Fale termoakustyczne wewnątrz silnika, oraz bezwładny ruch tłoka wywołują ciągłą pracę silnika. Zwiększanie mocy źródła ciepła powoduje zwiększenie częstotliwości ruchu tłoka. Koło zamachowe Tuba Regenerator Kryza Tłok Palnik spirytusowy Mocowanie Podstawa Rys. 5. Projekt termoakustycznego silnika Stirlinga. Rys. 6. Rzeczywisty termoakustyczny silnik Stirlinga. Budowany silnik oraz silnik Ridersa różniły się od siebie w różnych wymiarach elementów składowych oraz zastosowanych materiałów. Koło zamachowe (wykonane z aluminium, a nie mosiądzu) zamocowano w pionie, a nie poziomie;. Nie planowano ruchomej platformy mocującej silnik - konstrukcja silnika przymocowana została na "sztywno". Zastosowano inne materiały do wykonania poszczególnych elementów. Pierwotnie tłok wykonany był z drewna korkowego, ale ulegał on deformacji pod wpływem wilgoci. Wypróbowano również teflon ze względu na mały współczynnik tarcia, nie dało się jednak uniknąć niepożądanych nieszczelności. Ostatecznie zdecydowano się na wykonanie tłoka z grafitu. Regenerator pierwotnie miał postać mieszaniny wiórków aluminiowych i miedzianych. Jednak ostatecznie zdecydowano się na bardzo drobną wełnę stalową. Cylinder ze szkła kwarcowego zastąpiono zwykłym szkłem laboratoryjnym. Temperatura górnego źródła ciepła była zbyt wysoka i nastąpiło odkształcenie tuby. (Rys. 7.) Początkowo także nie ułożyskowano koła zamachowego, co wiązało sie z dużymi stratami energii. Późniejsze ułożyskowanie skutkowało zmniejszeniem sił tarcia i płynniejszą pracą silnika. Rys. 7. Odkształcenie cylindra.

6 Stosowano różne rodzaje górnego źródła ciepła. Po zastosowaniu zwykłego podgrzewacza tuba pokrywała się sadzą. Palnik gazowy dostarczał zbyt dużej ilości ciepła, powodując odkształcenia cylindra. Najlepszym rozwiązaniem okazał sie palnik spirytusowy, ze względu na łatwość obsługi oraz odpowiednią temperaturę płomienia. Tłok i kryza zostały wykonane z dokładnością do 0.1 mm Ostateczna wersja termoakustycznego silnika Stirlinga zawiera: cylinder wykonany ze szkła kwarcowego tłok wykonany z grafitu kryzę (przewężenie) wykonanego z mosiądzu regenerator wykonany z cieniutkiej wełny stalowej koło zamachowe wykonane z aluminium i obciążone pierścieniem mosiężnym oraz ułożyskowane Schemat stanowiska z termoakustycznym silnikiem Stirlinga wraz z jego elementami składowymi przedstawiono na rysunku 5. Mimo wielokrotnych prób uruchomienia silnika nie uzyskano zadowalającego efektu. Obracanie kołem zamachowym wystarczało do wykonania od kilku do kilkunastu cykli pracy silnika - nie uzyskano w tych warunkach stabilnej pracy silnika. Dopiero po zastosowaniu większej dokładności wykonania poszczególnych elementów składowych silnika umożliwiło uruchomienie oraz stabilną jego pracę. Uzyskana prędkość obrotowa wale (zmierzona tachometrem) w warunkach ustalonych silnika osiągała wartość 2048 obr/min. W obecnej chwili prowadzone są badania dotyczące wyznaczenia sprawności i wydajności silnika. 5. Wnioski. W trakcie realizacji badań przeprowadzono duże ilości prób na stanowisku doświadczalnym. Obserwacje z nich pochodzące oraz dane literaturowe i współpraca z Panem Riddersem zaowocowały następującymi wnioskami: podczas projektowania oraz wykonania elementów stanowiska należy pamiętać o wysokiej dokładności i jakości stosowanych materiałów (wykonanie do 0.01 mm kryzy i tłoka); okazało się, że materiały konstrukcyjne zastosowane przez innych projektantów posiadają optymalne właściwości - próby zmiany materiału tłoka, regeneratora i tuby kończyły się problemami w trakcie uruchomienia silnika; ze względu na zminimalizowanie sił tarcia zastosowano łożysko wybrano palnik spirytusowy jako optymalne źródło ciepła ze względu na temperaturę płomienia i odległości od cylindra; zaobserwowano zależność między rozmiarami cylindra i czasu wstępnego ogrzewania przed uruchomieniem oraz wydajności źródła ciepła; ze względu na charakter silnika Stirlinga (spalania zewnętrznego) do jego napędu można zastosować różne źródła ciepła, mogą to być źródła ciepła odpadowego, źródło ciepła jako efekt reakcji egzotermicznej. Wydaje się być interesujące zastosowanie promieniowania słonecznego jako darmowego górnego źródła ciepła; Bibliografia [1] Żmudzki S., Silniki Stirlinga, WNT Warszawa, 1993 [2] Piecha J., Termoakustyka przyszłością chłodnictwa?, Chłodnictwo & Klimatyzacja 4/2005 i 6/2005 [3] Żmuda A., Silniki i maszyny Stirlinga, [4] Skrzypulec W., Konopka-Cupiał G., Efektywne wykorzystanie energii i czyste środowisko główne kierunki rozwoju w branży chłodniczej i klimatyzacyjno wentylacyjnej, 2008 [5] Backhaus S, Swift G.W, A thermoacoustic-stirling heat engine: Detalied study, J. Acoust Soc. Am 107 (6), June 2000 [6] Ridders J., Thermo Pulse Mobile plany konstrukcyjne, April 2009, [7] Strona miłośników silników Stirlinga