1

SILNIK STIRLINGA

2

Podział silników cieplnych

Silnik Stirlinga znajduje się pośród silników spalania zewnętrznego oznacza, że do jego
pracy można wykorzystać dowolne źródło ciepła, którym może być spalanie paliw,
energia geotermalna, słoneczna lub jądrowa.

3

Silnik zewnętrznego spalania

Silnik Stirlinga jako silnik zewnętrznego spalania może korzystać z
dowolnego źródła ciepła, w tym:
-odnawialnego,

- odpadowego,

- lub geotermalnego.
Silniki spalinowe posiadają ograniczenie w tym zakresie i muszą spalać
paliwo.
W przypadku Stirlinga, może to odbywać się w prostszy sposób -
spalanie może być bardziej wydajne i prostsze do zrealizowania.
Silniki Stirlinga charakteryzują się:
-wysoką niezawodnością,

- niską ceną na jednostkę wyprodukowanej energii.
Jednak stosunek ich ceny do mocy zainstalowanej jest wyższy od
silników spalinowych, z uwagi na użycie drogich materiałów oraz
złożoności budowy silnika.

4

Silnik zewnętrznego spalania

Silniki Stirlinga są najczęściej cięższe od spalinowych, gł. z powodu :
-konieczności instalacji dobrych wymienników ciepła,

- małej gęstości mocy.

Posiadają podobną sprawność do silników spalania wewnętrznego,
nadają się do mikrokogeneracji – ponieważ mogą wykorzystywać
dowolne źródło ciepła, nawet o relatywnie niskiej temperaturze.
Dodatkowym atutem jest brak konieczności zaopatrywania w tlen do
spalania, jeżeli wykorzystuje się ciepło pochodzące z innego źródła niż
spalanie.

5

Silnik Stirlinga - zalety

Silnik Stirlinga charakteryzują następujące zalety:
-uszczelnienie tłoka pracującego w części zimnej jest mniej narażone na
szkodliwy wpływ wysokich temperatur,
-nie wymaga on stałego dozoru, pracuje w sposób ciągły w czasie,

- nie posiada zaworów, ciśnienie wewnątrz komory silnika utrzymuje się
niemal na stałym poziomie,
-pracuje bardzo cicho w porównaniu z silnikami spalinowymi,

- startuje wolniej, ale pracuje lepiej w zimnych warunkach, niż silniki
tradycyjne.

-może pracować również jako pompa ciepła.

6

Silnik Stirlinga - wady

Do wad należą:

-duże wymagania materiałowe,

- koszt inwestycyjny,

- rozmiar – głównie ze względu na duże wymienniki ciepła gwarantujące
odpowiednie przekazywanie ciepła od źródeł ciepła do czynnika
roboczego,

-utrudniona jest również regulacja mocy wyjściowej silnika.

Może to wymagać zastosowania dodatkowych mechanizmów komplikujących całą
konstrukcję i podnoszących koszty. Należy wziąć pod uwagę również gaz roboczy w
komorze silnika:

-Wodór jest łatwopalny i z łatwością przedostaje się przez uszczelnienia, a nawet sieci
krystaliczne metali, co spotęgowane jest podwyższonym ciśnieniem w komorze silnika.
- Hel jest gazem drogim, ale daje zbliżone efekty do wodoru. Jest jednak gazem
niepalnym i łatwiejszym w przechowywaniu.
-Możliwe jest stosowanie również innych gazów takich jak powietrze, azot, neon,
amoniak czy metan. Jednak uzyskanie wysokich sprawności i mocy jest trudniejsze w
ich przypadku.

7

Wstęp teoretyczny

Substancją roboczą, zbudowanego w 1816 roku, silnika Stirlinga był gaz (powietrze).
Silnik pobiera ciepło z zewnętrznego źródła, bez spalania wewnętrznego, i dlatego
zyskuje w ostatnich latach zainteresowanie ze względów ekologicznych.
Gaz doskonały w idealnym silniku Stirlinga podlega procesowi kołowemu, który składa
się z dwóch przemian izotermicznych i dwóch izochorycznych (rys.).

A(p1,V1,T1)

B (p2,V2,T1)

C (p3,V2,T2)

Q

1

Q

2

D (p4,V1,T2)

AB - proces izotermicznego rozprężania

BC - proces izochorycznego ochładzania

CD - proces izotermicznego sprężania

DA - proces izochorycznego ogrzewania

Rys. Cykl zamknięty
idealnego silnika Stirlinga.

8

Proces AB jest izotermicznym rozprężaniem

p

1

→ p

2

, V

1

→ V

2

przy

stałej temperaturze T

1

= const. Ciśnienie i objętość spełnia równanie:

(1)

Silnik wykonuje pracę kosztem pobranego ciepła, bez zmiany energii
wewnętrznej gazu. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki praca W

1

jest równa ciepłu Q

1

pobranemu ze źródła. Pracę wykonaną przez gaz w

procesie AB można wyznaczyć z zależności:

(2)

2

2

1

1

V

p

V

p







2

1

1

V

V

pdV

W

A(p1,V1,T1)

B (p2,V2,T1)

C (p3,V2,T2)

Q

1

Q

2

D (p4,V1,T2)

9

Z równania Clapeyrona wynika, że przy stałej temperaturze T ciśnienie p
zależy od objętości V zgodnie z równaniem:

(3)

gdzie:
n - jest liczbą moli gazu
R- stałą gazową.

Po podstawieniu do równania (2) mamy:

(4)

.









2

1

1

2

1

1

1

1

ln

V

V

V

V

nRT

V

dV

nRT

W

Q

V

nRT

p



10

Proces BC jest izochorycznym ochładzaniem

w objętości V

2

. Ciśnienie

maleje od p

2

do p

3

, temperatura od T

1

do T

2

. Wydzielone ciepło jest

akumulowane wewnątrz silnika i jest „odzyskiwane” w

procesie DA,

który jest izochorycznym ogrzewaniem

od temperatury T

2

do

temperatury T

1

przy wzroście ciśnienia od p

4

do p

1

w stałej objętości V

1

(rys.1).

Proces CD jest izotermicznym sprężaniem

w temperaturze T

2

.

Praca wykonana nad gazem W

2

, równa ciepłu oddanemu przez gaz, Q

2

,

zgodnie z powyższymi wzorami może być dana wyrażeniem:

(5)









2

1

1

2

2

2

2

2

ln

V

V

V

V

nRT

V

dV

nRT

W

Q

A(p1,V1,T1)

B (p2,V2,T1)

C (p3,V2,T2)

Q

1

Q

2

D (p4,V1,T2)

11

Efektywna praca wykonana przez silnik w jednym zamkniętym cyklu
jest różnicą ilości ciepła pobranego i oddanego przez silnik:

(6)

Sprawność zdefiniowana jako wyrażony w procentach stosunek
wykonanej w jednym cyklu pracy do pobranego przez silnik w tym cyklu
ciepła może być wyrażona w postaci:

. (7)

Powyższy wzór jest identyczny ze wzorem na sprawność silnika
pracującego według idealnego cyklu Carnota.

2

1

Q

Q

W





%

100

T

T

T

%

100

V

V

ln

nRT

V

V

ln

)

T

T

(

nR

%

100

Q

Q

Q

Q

W

1

2

1

1

2

1

1

2

2

1

1

2

1

1























12

Rzeczywisty obieg indukowany pracy silnika Stirlinga różni się od
obiegu teoretycznego.
Ma bardzo łagodne przejście z jednej przemiany do drugiej

13

FAZY W CYKLU PRACY SILNIKA (LAB)

1) Przemiana izotermiczna – ciepło jest dostarczone, pracę wykonuje
silnik

V1 → V2 p1 → p2 przy T1 = const

Ogrzany gaz w cylindrze
ciepłym (poziomy cylinder,
nieszczelny tłok) rozszerza
się i przechodzi do
cylindra zimnego (pionowy
cylinder, szczelny tłok)
wypierając go do góry.

Wykonywana jest w tym czasie praca izotermiczna zmiany
objętości.

14

FAZY W CYKLU PRACY SILNIKA

2) Przemiana izochoryczna – gaz stygnie.

T1 → T2 p3 → p4 przy V2 = const

Tłok w cylindrze zimnym pozostaje prawie w
spoczynku, ponieważ znajduje się w swym
górnym położeniu zwrotnym. Gaz wypełnia
niemal całą objętość cylindra zimnego i zaczyna
się ochładzać. To powoduje spadek ciśnienia w
warunkach zbliżonych do izochorycznych.

15

FAZY W CYKLU PRACY SILNIKA

3) Przemiana izotermiczna – ciepło jest oddawane, pracę wykonuje
układ.
V2



V1 p3



p4 przy T2 = const

tłok ciepły znajduje się w
prawym położeniu zwrotnym
(prawie w bezruchu), gdzie
ogranicza on dopływ ciepła z
palnika. Gaz ciepły i zimny
(pod wpływem ruchu tłoka
zimnego) mieszają się i
oddają ciepło przez radiator
otoczeniu a dodatkowo
zostaje wykonana praca
izotermiczna zmiany
objętości.

Ruch koła zamachowego i
kurczenie się gazu
powodują
przemieszczanie się tłoka
zimnego w dół,

16

FAZY W CYKLU PRACY SILNIKA

4) Przemiana izochoryczna przy dostarczaniu ciepła do

systemu T2



T1 p4



p1 przy V1 = const

Ilość ciepła wydzielonego w trakcie przemiany izochorycznej jest
ciepłem dostarczonym do układu.

Tłok ciepły przesuwając się w
lewo powoduje sprężanie się
gazu w warunkach niemal
izochorycznych,

tłok w cylindrze zimnym,
dochodzi do swojego dolnego
zwrotnego położenia, a zatem
następuje wzrost temperatury
gazu w związku z wydzielaniem
się ciepła i powrót do fazy I.

17

Działanie silnika Stirlinga z jednym

tłokiem

kolorem czerwonym
oznaczono tłok szczelny,
zwany zimnym

Silnik jest ogrzewany z
prawej strony (symbol
płomienia)

Chłodzenie -radiator oznaczony na niebiesko

Kąt między korbami na kole zamachowym musi wynosić 90 stopni.

Żółty, to tłok, który przepuszcza gaz
(tzw. tłok gorący). Jego celem jest
jednak głównie oddzielenie gazu
zimnego oraz ciepłego i mieszanie ich.

18

Działanie silnika Stirlinga z jednym tłokiem

FAZA 1.
Na skutek ogrzania rozszerza się gaz we wnętrzu silnika (może być to np.
powietrze, hel..). Pcha to tłok zimny.

19

Działanie silnika Stirlinga z jednym tłokiem

Faza 2.
Gaz jest rozprężony i zaczyna działać na niego już niska temperatura. Tłok

zimny jednak nie pozwala na razie przemieszać się gazom o różnej

temperaturze, dlatego objętość gazu nie ulega znaczącej zmianie.

20

Działanie silnika Stirlinga z jednym tłokiem

Faza 3.
Dzięki rozpędowi koła zamachowego zimny tłok powędrował do ścianki cylindra.
Separuje również grzejący wpływ ściany cylindra od gazu. Tym samym gazy o
różnej temperaturze wymieszały się i są chłodzone. Zmniejszenie temperatury
niesie ze sobą zmniejszenie objętości. To oczywiście powoduje że gorący tłok
zostaje wessany do środka.

21

Działanie silnika Stirlinga z jednym tłokiem

Faza 4.

Ostatni z etapów nazywamy sprężaniem. Mały tłok zaczyna poruszać się w lewo, co
w konsekwencji doprowadzi do zwiększenia temperatury i objętości gazu (powrót do
etapu nr 1).

22

Podgrzanie

Silnik dwucylindrowy

23

Rozprężanie

Silnik dwucylindrowy

24

Ochłodzenie

Silnik dwucylindrowy

25

Sprężanie

Silnik dwucylindrowy

26

Działanie silnika Stirlinga

na przykładzie silnika typu



27

Faza I – Ekspansja gazu

Całość porcji gazu znajdującej się
we wnętrzu silnika znajduje się w
cylindrze, w którym następuje jej
podgrzanie (nagrzewnica H).
W wyniku podgrzewania, gaz
rozszerza się i zwiększa ciśnienie
panujące w cylindrze. Powoduje
to przesunięcie tłoków, a tym
samym zwiększenie przestrzeni
ponad tłokiem pracującym w
przestrzeni chłodzenia
(chłodnica K).

K chłodnica
H nagrzewnica
R regenerator

28

Faza II – Transport gazu z nagrzewnicy do

chłodnicy

Większość gazu nadal znajduje
się w części gorącej silnika H,
zostaje on jednak przepychany
przez przewód do części zimnej.
Po drodze nagrzewa wkład
regeneratora R. Koło
zamachowe gwarantuje dalszy
obrót wału korbowego i ruch
tłoków w cylindrach.

29

Faza III – Sprężanie gazu

Większość gazu znajduje się
w cylindrze zimnym.
Następuje odbiór ciepła
od gazu przez chłodnicę K
w wyniku czego następuje
zmniejszenie ciśnienia.
To z kolei prowadzi ruchu
tłoka po stronie zimnej
w górę.

30

Faza IV - Transport gazu z chłodnicy do

nagrzewnicy

W wyniku ruchu tłoka po
stronie zimnej w górę, gaz jest
przepychany przez przewód
z regeneratorem R do części
gorącej silnika. Ciepło
zgromadzone we wkładzie
regeneratora jest oddawane
z powrotem do gazu. Gdy
większość gazu zostanie
przepchnięta do cylindra
po stronie gorącej H, proces
zaczyna się od fazy I.

31

Działanie Silnika Stirlinga w układzie mikroCHP

32

Działanie Silnika Stirlinga w układzie mikroCHP

Układy skojarzone z gazowymi silnikami spalinowymi mają najczęściej
postać gotowych modułów, obejmujących silnik, generator, zespół
wymienników ciepła, układ odprowadzania spalin i układ wyciszania
hałasu. Bardzo dużym zainteresowaniem cieszą się układy skojarzone
małej mocy, w których rolę napędu dla generatora pełni silnik Stirlinga.
Silnik Stirlinga przetwarza ciepło na energię mechaniczną bez
wybuchowego procesu spalania. Ciepło doprowadzane jest do czynnika
roboczego, którym jest gaz, poprzez nagrzewanie zewnętrznej ścianki
nagrzewnicy. Wskutek dostarczania ciepła z zewnątrz możliwe jest
zasilanie silnika energią pierwotną praktycznie z dowolnego źródła:
związki ropopochodne, węgiel, drewno, wszelkiego rodzaju paliwa
gazowe, biomasa, a nawet energia słoneczna. Silnik Stirlinga
doskonale nadaje się do napędzania generatorów w układach
kogeneracyjnych zasilających małe obiekty.

33

Działanie Silnika Stirlinga w układzie mikroCHP

Palnik (piec) dostarczający ciepło do procesu może pracować korzystając
z różnych paliw (m.in. naturalny gaz, biogaz, butan, torf, benzyna,
alkohol). Zewnętrzne spalanie ułatwia kontrolę procesu spalania i
powoduje, że proces ten jest czystszy i wydajniejszy. Jednym z
istotniejszych elementów pracujących w obiegu jest regenerator, który
przejmuje ciepło od czynnika roboczego w czasie jego przepływu z
przestrzeni ogrzewanej do chłodzonej.
Silnik Stirlinga pracuje w układzie stałego połączenia z zewnętrznym
źródłem ciepła o temperaturze Th, co zapewnia doprowadzenie energii
napędowej na wiele sposobów. W układach tych źródłem ciepła są
głównie spaliny wytworzone w procesach spalania paliw. Natomiast
ciepło z obiegu odprowadzane jest do źródła o niskiej temperaturze Tc.
Ostatecznie sprawność obiegu zależy od różnicy temperatury między
źródłami (Th – Tc). Obecnie na rynku znajduje się szereg agregatów
kogeneracyjnych z wykorzystaniem silnika Stirlinga.

34

Działanie Silnika Stirlinga w układzie mikroCHP

Układy te charakteryzują się wysoką sprawnością zarówno elektryczną
(20÷30)% jak i cieplną (60÷70)% co sprawia, że ich sprawność
całkowita szacowana jest w ok. 90%. Czynnikiem roboczym tych
silników jest hel, wodór lub powietrze. Do zalet stosowania układów
CHPH można zaliczyć: wysoką sprawność całkowitą układu, niski
poziom hałasu (możliwość montażu urządzenia w domu), zmniejszenie
emisji CO2 (aspekty ekologiczne), możliwość wytwarzania energii
elektrycznej przy braku zapotrzebowania na ciepło, oszczędność paliwa
w porównaniu z układami rozdzielonego wytwarzania energii
elektrycznej i ciepła, nadwyżki energii mogą być sprzedane do sieci oraz
wzrost bezpieczeństwa energetycznego (dodatkowe źródło zasilania),
niskie obroty (kompensowane w dużym stopniu z możliwością dokładnej
kontroli procesu spalania paliwa), co umożliwia utrzymanie niskiej
toksyczności spalin. Nie można zapomnieć o wadach tych silników.
Aktualnie niski poziom rozwoju technologii oraz wysoki jednostkowy
nakład inwestycyjny, powstrzymują od seryjnej produkcji.

35

OCENA SPRAWNOŚCI UKŁADÓW mikroCHP

Analizę opłacalności inwestycji należy rozpocząć od określenia
zapotrzebowania na moc cieplną i ciepło. Zapotrzebowanie na moc cieplną
służy do doboru urządzeń, a zapotrzebowanie na ciepło wykorzystywane jest w
celu określenia zużycia paliwa w układzie. Całkowite zapotrzebowanie na
ciepło

Q

jest sumą zapotrzebowania na ciepło grzejne

Q

g

oraz ciepło potrzebne

do przygotowania ciepłej wody użytkowej

Q

CWU

.

Sprawność układu można zapisać poniższym wzorem:

Jest to stosunek produkowanej energii elektrycznej

Q

el

, ciepła potrzebnego

do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz

Q

g

– ciepło grzejne, przez

ilość paliwa pierwotnego, wymaganego do poprawnego funkcjonowania
urządzenia. W celu właściwego doboru urządzeń energetycznych należy określić
średnie i maksymalne zapotrzebowanie na moc cieplną w sezonie grzewczym.

36

Konstrukcja silnika Stirlinga w zastosowaniu praktycznym

37

Silnik Stirlinga jest zasilany poprzez spalanie pellet czyli granulatu ze sprasowanej
biomasy, charakteryzującego się wysoką wartością opałową oraz niską wartością
popiołu.
Silnik pracuje z dowolnym gazem roboczym (np. hel, wodór, neon, powietrze).