Silnik Stirlinga to tłokowy silnik cieplny, który wykorzystuje ciepło z zewnętrznego źródła do wytwarzania energii dla cyklu pracy. Ciepło to często uzyskuje się poprzez spalanie zewnętrzne, więc jest to silnik spalinowy.

Ten typ silnika wykorzystuje energię chemiczną uzyskaną ze spalania paliwa do podgrzania substancji roboczej, która następnie wykonuje pracę w silniku. Spalanie odbywa się zawsze poza silnikiem, a substancją czynną jest najczęściej gaz.

Historia silnika Stirlinga w pigułce

Rozwój silnika Stirlinga rozpoczął się na początku XIX wieku, kiedy to szkocki inżynier i duchowny Robert Stirling próbował stworzyć bezpieczniejszą alternatywę dla silników parowych, które słynęły z wybuchów. Silnik Stirlinga został opatentowany w 1816 roku. W kolejnych latach poddano go kilku ulepszeniom w celu zwiększenia wydajności. Bracia Stirling opatentowali również silnik na ogrzane powietrze w 1827 roku.

W XIX i XX wieku silniki Stirlinga cieszyły się zwiększonym zainteresowaniem i innowacjami, szczególnie w okresach niedoborów paliwa lub szybkiego postępu technologicznego. Obecnie silniki Stirlinga po raz kolejny dochodzą do głosu jako ekologiczna alternatywa dla tradycyjnych silników spalinowych.

Budowa silnika Stirlinga

Pod względem konstrukcyjnym silnik Stirlinga ma wiele zalet w porównaniu z innymi silnikami spalinowymi. Silnik jest solidny i ma prostą konstrukcję, co czyni go bardzo niezawodnym.

Silnik ten jest hermetyczny i szczelny, dzięki czemu można go używać np. pod wodą lub w próżni. Ponieważ paliwo nie pali się wewnątrz silnika, nie ma niepotrzebnego hałasu ani wibracji.

Silnik jest zatem cichszy, bardziej wyrafinowany i ma dłuższą żywotność niż klasyczne silniki spalinowe, ponieważ jego części są mniej obciążone. Sprawność silnika Stirlinga jest taka sama, a czasem nawet wyższa niż najlepszych silników Diesla. Jednak jego największą zaletą jest to, że do napędu silnika można stosować różne rodzaje paliwa.

Jak działa jednocylindrowy silnik Stirlinga?

Początkowo gaz ma niską temperaturę, a co za tym idzie, ciśnienie znajduje się pomiędzy dolnym (przeciekowym) a górnym roboczym (szczelnym) tłokiem, które są ze sobą połączone. Dolny tłok przemieszcza się do górnej części cylindra i wyrzuca gaz, który opływa tłok do dolnej części cylindra, która jest ogrzewana przez zewnętrzne źródło ciepła.

Dzięki podgrzaniu wzrasta temperatura gazu wewnątrz butli. W ten sposób gaz zwiększa swoją objętość i ciśnienie oraz rozszerza się w górę, podczas gdy ponownie przepływa wokół nieszczelnego tłoka.

Verwandter Artikel - 

Tłoki silnika: Jak działają?

W górnej części cylindra następuje schłodzenie gazu, zmniejszenie jego objętości i ciśnienia, co powoduje ruch tłoka roboczego w dół, podniesienie nieszczelnego tłoka do góry i powrót gazu do dolnej części cylindra, która jest podgrzewana. Ten cykl ciągle się powtarza.

Jak działa dwu lub więcej cylindrowy silnik Stirlinga?

Zewnętrzne źródło ciepła ogrzewa czerwony cylinder. Gaz w cylindrze zwiększa swoją objętość i ciśnienie, wypychając (czerwony) tłok cylindra do góry. Gdy tłok osiągnie górną granicę cylindra, gaz przepływa przez rurkę do drugiego (niebieskiego) cylindra.

Tam jest schładzany, dzięki czemu zmniejsza się jego objętość i ciśnienie, co powoduje opadanie tłoka, co wpycha schłodzony gaz z powrotem do nagrzanego cylindra.

Zalety silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga ma wszechstronne zastosowanie i wydajność porównywalną z silnikami iskrowymi czy dieslami. Jak wspomniano, jest to silnik ze spalaniem zewnętrznym, który wytwarza mniej szkodliwych substancji.

Verwandter Artikel - 

Silnik benzynowy i wysokoprężny: Czym się różnią?

Ponieważ żadna substancja nie dostaje się ani nie opuszcza silnika, możliwe jest zastosowanie najodpowiedniejszego wypełnienia cylindrów. Główne zalety silnika Stirlinga to:

1. Wszechstronność paliw: Silniki Stirlinga mogą pracować na praktycznie każdym źródle ciepła, dzięki czemu można je dostosować do szerokiej gamy paliw, w tym do odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna.
2. Wysoka sprawność: Dzięki regeneratorowi i procesom izotermicznym silniki Stirlinga mogą osiągnąć wyższą sprawność cieplną w porównaniu z silnikami spalinowymi.
3. Niska emisja: proces spalania zewnętrznego powoduje niższą emisję i mniejsze zanieczyszczenie, dzięki czemu silniki Stirlinga są rozwiązaniem przyjaznym dla środowiska. Mniej szkodliwych substancji dostaje się do powietrza ze względu na brak oleju w paliwie.
4. Cicha praca: Silnik Stirlinga pracuje z minimalnym hałasem i wibracjami, ponieważ nie ma wewnętrznego spalania ani szybkiego usuwania spalin.

Paliwa do silnika Stirlinga

Jak już wspomniano, ogromną przewagą silnika Stirlinga nad innymi silnikami spalinowymi jest to, że do zasilania silnika można stosować szeroką gamę różnych paliw, takich jak:

• Gaz ziemny (osiąga najlepsze efekty z ekonomicznego, ale i ekologicznego punktu widzenia)
• Paliwa płynne i gazowe
• Paliwa stałe
• Biomasa (zrębki, pozostałości roślinne i inne...) • • • Biogaz (gaz z wysypisk, oczyszczalnie ścieków, gaz koksowniczy)
• Energia słoneczna
• wiele innych...

Poza silnikiem Stirlinga żaden inny silnik nie może wykorzystywać do swojego napędu tak szerokiej grupy różnych źródeł.

Wady silnika Stirlinga

Jak każde inne urządzenie, silnik Stirlinga ma zalety i wady. Do wad tego silnika możemy zaliczyć:

• Niższy stosunek mocy do masy: w porównaniu z silnikami spalinowymi silniki Stirlinga mają niższy stosunek mocy do masy.
• Złożona konstrukcja: silniki Stirlinga mają bardziej złożoną konstrukcję, co prowadzi do wyższych kosztów produkcji i bardziej kłopotliwej konserwacji.
• Złożoność materiałów: Efektywne przenoszenie ciepła między komorą gorącą i zimną jest niezbędne do uzyskania optymalnej wydajności. W związku z tym wymagania stawiane materiałom uszczelniającym są wysokie, a co za tym idzie koszty produkcji.

Wykorzystanie silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga jest używany w szerokim zakresie zastosowań ze względu na swoją wszechstronność i unikalne właściwości:

• Wytwarzanie energii: silnik Stirlinga może generować energię elektryczną w odległych obszarach, wykorzystując ciepło odpadowe lub odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna.
• Kogeneracja: W systemach kogeneracji (CHP) silnik Stirlinga może odzyskiwać ciepło odpadowe z procesów przemysłowych lub budynków, zwiększając efektywność energetyczną.
• Napęd morski: Silnik Stirlinga jest używany w łodziach podwodnych i innych okrętach wojennych ze względu na cichą pracę i oszczędność paliwa.
• Zasilanie statku kosmicznego: Radioizotopowe generatory Stirlinga są wykorzystywane jako źródło zasilania podczas misji w kosmosie, takie jak NASA Advanced Radioisotope Stirling Generator (ASRG).

Przyszłe innowacje

Silniki Stirlinga mają odegrać znaczącą rolę w przejściu na czystsze i wydajniejsze rozwiązania energetyczne. Potencjalne obszary przyszłych innowacji obejmują:

• Energia słoneczna: skoncentrowane systemy energii słonecznej mogą wykorzystywać silniki Stirlinga do przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną, oferując odnawialne zasoby.
• Odzysk ciepła odpadowego: Rozwój zaawansowanych materiałów i konstrukcji może jeszcze bardziej poprawić wydajność silników Stirlinga, czyniąc je atrakcyjną opcją odzyskiwania ciepła odpadowego i oszczędności energii.
• Zastosowanie w motoryzacji: chociaż nie jest to jeszcze rozpowszechnione, integracja silników Stirlinga z systemami pojazdów hybrydowych może pomóc w zmniejszeniu zużycia paliwa i emisji.

Ciekawe fakty o silniku Stirlinga

• Pierwszy opatentowany silnik: Silnik Stirlinga był pierwszym opatentowanym silnikiem, który otrzymał patent w 1816 r., jeszcze przed silnikiem spalinowym.
• Innowacja w zakresie bezpieczeństwa: Silnik Stirlinga został pierwotnie opracowany jako bezpieczniejsza alternatywa dla silników parowych podatnych na eksplozje spowodowane parą pod wysokim ciśnieniem.
• Szwedzkie okręty podwodne: Szwedzka Marynarka Wojenna od 1996 roku stosuje silniki Stirlinga na swoich okrętach podwodnych typu Gotland, wykorzystując cichą pracę i wydajność tych silników.
• Philips Electronics: W latach pięćdziesiątych firma Philips Electronics opracowała gamę silników Stirlinga do użytku w radiach i innych małych urządzeniach, przyczyniając się do popularyzacji tej technologii.
• Najdłużej działający silnik Stirlinga: Najdłużej nieprzerwanie działający silnik Stirlinga znajduje się na Uniwersytecie Canterbury w Nowej Zelandii. Ta lokomotywa, znana jako Canterbury Ringbom, działa od 1986 roku.

Często zadawane pytania dotyczące silnika Stirlinga

P: Czy silnik Stirlinga może być używany w samochodzie?

Odpowiedź: Silnik Stirlinga nie jest jeszcze szeroko stosowany w samochodach ze względu na niższy stosunek mocy do masy i złożoność. Można go jednak zintegrować z systemami pojazdów hybrydowych, aby poprawić efektywność paliwową i zmniejszyć emisje.

Pytanie: Jak wypada wydajność silnika Stirlinga w porównaniu ze sprawnością silnika spalinowego?

Odpowiedź: Silnik Stirlinga może osiągnąć wyższą sprawność cieplną w porównaniu z silnikami spalinowymi, często osiągając sprawność 30-40% lub więcej, podczas gdy silniki spalinowe mają zazwyczaj sprawność około 20-25%.

Pytanie: Jakie są główne czynniki wpływające na wydajność silnika Stirlinga?

Odpowiedź: Wydajność silnika Stirlinga zależy od kilku czynników, w tym różnicy temperatur między komorą gorącą i zimną, konstrukcji regeneratora, gazu roboczego i strat mechanicznych w silniku.

P: Jak uruchamia się silnik Stirlinga?

Odpowiedź: Silnik Stirlinga wymaga do uruchomienia zewnętrznego źródła ciepła. Gdy gaz roboczy nagrzeje się i zacznie się rozprężać, silnik uruchomi się i będzie pracował tak długo, jak utrzymywane jest źródło ciepła.

P: Jaki gaz roboczy jest używany w silniku Stirlinga?

Odpowiedź: Gaz roboczy w silniku Stirlinga może się różnić w zależności od konkretnej konstrukcji i zastosowania. Powszechnie stosowane gazy to powietrze, wodór, hel i azot.

Wniosek

Silnik Stirlinga oferuje unikalne połączenie wszechstronności paliwa, wysokiej wydajności i niskiej emisji, co umożliwia szeroki zakres zastosowań. Wraz z postępem technologicznym potencjał silnika Stirlinga będzie wzrastał, podobnie jak jego zastosowanie w różnych dziedzinach.

Zobacz działający silnik Stirlinga w pomniejszonej wersji: