Silnik Stirlinga Historia, zasada działania, rodzaje, cechy użytkowe i zastosowanie
Historia silnika Stirlinga Robert Stirling (ur. 25 października 1790 - zm. 6 czerwca 1878)
Silnik wynalazł szkocki duchowny Robert Stirling i opatentował go w 1816 roku. Silnik typu beta został po raz pierwszy użyty do usuwania wody z kamieniołomu. W XIX wieku nie znalazł większych zastosowań w przemyśle. Niemniej jednak w gospodarstwach domowych małe silniki do XX wieku były używane m.in. do pompowania wody. W XX wieku zwiększona niepewność co do paliw kopalnych (głównie ropy naftowej) spowodowała niewielki okres odrodzenia dla silnika Stirlinga. 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. W latach 80. szwedzka firma Kockums zamontowała silniki Stirlinga do kilku okrętów podwodnych, gdzie służą jako źródło energii pracujące bez dostępu do powietrza. W XXI wieku zainteresowanie wzbudziły silniki Stirlinga używające słońca jako źródła ciepła.
Zasada działania
W silniku Stirlinga gaz roboczy 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. 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 wybuchu 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.
Cykl Stirlinga (dla fanów fizyki)
A jak nam nudzi się to:
Rodzaje silników Stirlinga
Silnik Stirlinga typu alfa
Silnik Stirlinga typu alfa jest najbardziej zaawansowany. Składa się z dwóch cylindrów połączonych przewodem, którym przepływa między nimi gaz.
Przykład Silnika Stirlinga typu alfa.
Silnik Stirlinga typu beta
W silniku Stirlinga typu beta znajduje się tylko jeden cylinder, w którym pracują dwa tłoki. O ile w silniku typu alfa oba tłoki były identyczne to tutaj tłok ciepły jest mniejszy i przepuszcza pewną ilość gazu.
Przykładowe zdjęcie silnika Stirlinga typu beta.
Silnik Stirlinga typu gamma
Silnik Stirlinga typu gamma ma właściwie jeden cylinder - podobnie jak typ beta, lecz w typie gamma nie pokrywa się oś wzdłuż której przesuwają się tłoki. Cylinder jest tylko jeden, płaski, ale ma on dobudowany drugi, dużo mniejszy. Są one jednak połączone, więc trudno mówić o nim jako o silniku dwucylindrowym.
Przykład silnika Stirlinga typu gamma.
Cechy użytkowe silnika Stirlinga
Silnik Stirlinga nie ma rozrządu, nie korzysta ze spalania wybuchowego 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. 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 większe wydajności (do 40%) w stosunku do silników spalinowych (ok. 30%.) 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.
Zastosowanie silnika Stirlinga
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. Firma Lockheed Martin wykonywała testowy egzemplarz radioizotopowego (źródłem ciepła jest 2,25 kg izotopu promieniotwórczego) generatora Stirlinga. Znajdujące się w nim dwa silniki Stirlinga napędzają alternator o mocy około 100 watów. Układ ma posłużyć do zasilania sond kosmicznych dalekiego zasięgu. NASA zamierza wykorzystać tę technologię w latach 2012-2013.