SILNIK STIRLINGA
1
Podział silników cieplnych
Silnik Stirlinga znajduje się pośród silników spalania zewnętrznego oznacza, że do jego
pracy można wykorzystać dowolne z
ródło ciepła, którym może być spalanie paliw,
2
energia geotermalna, słoneczna lub jądrowa.
Silnik zewnętrznego spalania
Silnik Stirlinga jako silnik zewnętrznego spalania może korzystać z
dowolnego z
ródła 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
3
złożoności budowy silnika.
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 z
ródło ciepła, nawet o relatywnie niskiej temperaturze.
Dodatkowym atutem jest brak konieczności zaopatrywania w tlen do
spalania, jeżeli wykorzystuje się ciepło pochodzące z innego z
ródła niż
spalanie.
4
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.
5
Silnik Stirlinga - wady
Do wad należą:
-duże wymagania materiałowe,
- koszt inwestycyjny,
- rozmiar  głównie ze względu na duże wymienniki ciepła gwarantujące
odpowiednie przekazywanie ciepła od z
ródeł 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
6
ich przypadku.
Wstęp teoretyczny
Substancją roboczą, zbudowanego w 1816 roku, silnika Stirlinga był gaz (powietrze).
Silnik pobiera ciepło z zewnętrznego z
ródła, 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.).
AB - proces izotermicznego rozprężania
BC - proces izochorycznego ochładzania
A(p1,V1,T1)
CD - proces izotermicznego sprężania
Q1
DA - proces izochorycznego ogrzewania
D (p4,V1,T2)
B (p2,V2,T1)
C (p3,V2,T2)
Q2
Rys. Cykl zamknięty
7
idealnego silnika Stirlinga.
Proces AB jest izotermicznym rozprężaniem p1 p2, V1 V2 przy
stałej temperaturze T1 = const. Ciśnienie i objętość spełnia równanie:
(1)
p1V1 =� p2V2
Silnik wykonuje pracę kosztem pobranego ciepła, bez zmiany energii
wewnętrznej gazu. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki praca W1
jest równa ciepłu Q1 pobranemu ze z
ródła. Pracę wykonaną przez gaz w
procesie AB można wyznaczyć z zależności:
A(p1,V1,T1)
V2
(2)
Q
D (p4,V1,T2)
1
B (p2,V2,T1)
W1 =� pdV
��
C (p3,V2,T2)
V1
Q
2
8
Z równania Clapeyrona wynika, że przy stałej temperaturze T ciśnienie p
zależy od objętości V zgodnie z równaniem:
(3)
nRT
p =�
V
gdzie:
n - jest liczbą moli gazu
R- stałą gazową.
Po podstawieniu do równania (2) mamy:
V2
V2
dV
Q1 =� W1 =� nRT1 =� nRT1 ln
��
(4)
V V1
V1
.
9
Proces BC jest izochorycznym ochładzaniem w objętości V2. Ciśnienie
maleje od p2 do p3, temperatura od T1 do T2. Wydzielone ciepło jest
akumulowane wewnątrz silnika i jest  odzyskiwane w procesie DA,
który jest izochorycznym ogrzewaniem od temperatury T2 do
temperatury T1 przy wzroście ciśnienia od p4 do p1 w stałej objętości V1
(rys.1). Proces CD jest izotermicznym sprężaniem w temperaturze T2.
Praca wykonana nad gazem W2, równa ciepłu oddanemu przez gaz, Q2,
zgodnie z powyższymi wzorami może być dana wyrażeniem:
V2
(5)
V2
dV
Q2 =� W2 =� nRT2 =� nRT2 ln
��
V V1
V1
A(p1,V1,T1)
Q
D (p4,V1,T2)
1
B (p2,V2,T1)
C (p3,V2,T2)
Q
10
2
Efektywna praca wykonana przez silnik w jednym zamkniętym cyklu
jest różnicą ilości ciepła pobranego i oddanego przez silnik:
(6)
W =� Q1 -� Q2
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:
V
2
nR(T -� T )ln
1 2
W Q -� Q V T -� T
1 2 1 1 2
. (7)
h� =� =� ��100% =� ��100% =� ��100%
V
Q Q T
2
1 1 1
nRT ln
1
V
1
Powyższy wzór jest identyczny ze wzorem na sprawność silnika
pracującego według idealnego cyklu Carnota.
11
Rzeczywisty obieg indukowany pracy silnika Stirlinga różni się od
obiegu teoretycznego.
Ma bardzo łagodne przejście z jednej przemiany do drugiej
12
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
13
objętości.
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.
14
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
Ruch koła zamachowego i
zimnego) mieszają się i
kurczenie się gazu
oddają ciepło przez radiator
powodują
otoczeniu a dodatkowo
przemieszczanie się tłoka
zostaje wykonana praca
zimnego w dół,
izotermiczna zmiany
objętości.
15
FAZY W CYKLU PRACY SILNIKA
4) Przemiana izochoryczna przy dostarczaniu ciepła do
systemu T2 �� T1 p4 �� p1 przy V1 = const
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.
Ilość ciepła wydzielonego w trakcie przemiany izochorycznej jest
16
ciepłem dostarczonym do układu.
Działanie silnika Stirlinga z jednym
tłokiem
kolorem czerwonym
oznaczono tłok szczelny,
Chłodzenie -radiator oznaczony na niebiesko
zwany zimnym
Silnik jest ogrzewany z
prawej strony (symbol
płomienia)
Żółty, to tłok, który przepuszcza gaz
(tzw. tłok gorący). Jego celem jest
jednak głównie oddzielenie gazu
zimnego oraz ciepłego i mieszanie ich.
Kąt między korbami na kole zamachowym musi wynosić 90 stopni.
17
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.
18
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.
19
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.
20
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).
21
Silnik dwucylindrowy
Podgrzanie
22
Silnik dwucylindrowy
Rozprężanie
23
Silnik dwucylindrowy
Ochłodzenie
24
Silnik dwucylindrowy
Sprężanie
25
Działanie silnika Stirlinga
na przykładzie silnika typu a�
26
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
27
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.
28
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.
29
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.
30
Działanie Silnika Stirlinga w układzie mikroCHP
31
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 z
ródła:
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.
32
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
z
ródłem ciepła o temperaturze Th, co zapewnia doprowadzenie energii
napędowej na wiele sposobów. W układach tych z
ródłem ciepła są
głównie spaliny wytworzone w procesach spalania paliw. Natomiast
ciepło z obiegu odprowadzane jest do z
ródła o niskiej temperaturze Tc.
Ostatecznie sprawność obiegu zależy od różnicy temperatury między
z
ródłami (Th  Tc). Obecnie na rynku znajduje się szereg agregatów
kogeneracyjnych z wykorzystaniem silnika Stirlinga.
33
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 z
ródło 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
34
nakład inwestycyjny, powstrzymują od seryjnej produkcji.
OCENA SPRAWNOŚCI UKA
ADÓW 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 Qg oraz ciepło potrzebne
do przygotowania ciepłej wody użytkowej QCWU.
Sprawność układu można zapisać poniższym wzorem:
Jest to stosunek produkowanej energii elektrycznej Qel, ciepła potrzebnego
do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz Qg  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.
35
36
Konstrukcja silnika Stirlinga w zastosowaniu praktycznym
Silnik Stirlinga jest zasilany poprzez spalanie pellet czyli granulatu ze sprasowanej
biomasy, charakteryzującego się wysoką wartością opałową oraz niską wartością
popiołu.
37
Silnik pracuje z dowolnym gazem roboczym (np. hel, wodór, neon, powietrze).