LABORATORIUM KONWERSJI ENERGII
Data wykonania
Ćwiczenie nr 14
Temat ćwiczenia:
ćwiczenia:
Silnik Stirlinga
Nr zespołu: V
10.10.2011
Wydział Energetyki i Paliw, kierunek Energetyka, III rok, grupa 2
Imię i nazwisko
Teoria Wykonanie Końcowa ocena z
ćwiczenia ćwiczenia
1. Marek Biduś
2. Mateusz Gajewski
3. Paweł Miszczyk
1. Opracowanie teorii
Silnik cieplny Stirlinga został opatentowany w 1816 roku przez szkockiego
duchownego Roberta Stirlinga. Zasada działania tego silnika polega dostarczaniu energii
cieplnej z zewnątrz do ogrzania naszego czynnika roboczego (jest nim dowolny sprężony
gaz, najczęściej wodór, hel lub powietrze) i przetwarzaniu tej energii na energię
mechaniczną lub elektryczną.
Podstawowa konfiguracja silnika to układ dwóch połączonych ze sobą cylindrów
(ciepłego i zimnego), tak aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o
ź cyklu ruchu.
Zasada działania silnika jest stosunkowo prosta. Gaz zostaje ogrzewany w cylindrze
ciepłym i powiększą swoją objętość, następnie zostaje przepompowany do cylindra zimnego,
gdzie zmniejszą swoją objętość i przy minimalnej objętości
jest przepompowany do cylindra ciepłego. Dzięki różnicy
temperatur obu cylindrów mamy ruch.
Silnik Stirlinga może również składać się z jednego
cylindra, który zbudowany jest tak, że jeden z końców
cylindra jest ciepły a drugi zimny-jedna z powierzchni jest
dostawcą ciepła, a druga odbiornikiem (chłodnicą) Podczas
pracy takiego modelu silnika czynnik roboczy jest sprężany i
oziębiany w zimnej komorze. Póz
niej gaz jest przenoszony
do komory gorącej, gdzie ulega rozprężeniu, a powstająca w
ten sposób energia napędza tłok.
Silnik Stirlinga miał być alternatywą dla często
zawodnych i niebezpiecznych silników parowych. W XIX
wieku i XX silnik ten używano do napędu niewielkich
maszyn. Emituje on bardzo mało spalin, jest cichy a także
bardzo wydajny dlatego w dzisiejszych czasach znów
powraca zainteresowanie tym urządzeniem.
Zalety silnika Stirlinga:
-niezawodność uruchamiania
-niska emisja spalin dzięki pełnemu spalaniu paliwa
-minimalny hałas
-brak osprzętu elektrycznego
-luz
ne pasowanie gorącego tłoka
-brak wrażliwości na warunki pracy(zapylenie powietrza, zmienność temperatur otoczenia,
zwilgocenie itp.)
-relatywnie długie cykle eksploatacyjne między remontami
-niskie koszty eksploatacji
Wady silnika Stirlinga:
-1-
-konieczność instalacji dużej chłodnicy
-relatywnie duży ciężar własny silnika
-wysokie koszty materiałowe
-najwyższa efektywność silnika przy ciśnieniu 200 atmosfer i temperaturze do 800�C
-wysokie koszty całkowite dla silnika
-duże rozmiary elementów silnika
Badania rozwojowe silników Stirlinga podjęły w 1937 roku zakłady Philips, prace
jednak przerwano na skutek wybuchu wojny. Pierwsze współczesne silniki zastosowane w
zespołach wyprodukowano w 1948 roku. Obecnie silnik Stirlinga jest wykorzystywany do
napędzania szwedzkich okrętów podwodnych typu Gottland jako ciche z
ródło napędu do
pełzania przy zanurzeniu.
W latach 2001-2002 firma SOLO Sindelfingen rozpoczęła sprzedaż silników Stirlinga
o macach 2-9 kWel oraz 8-24 kWec. Silniki te mogą być zasilane gazem ziemnym, biogazem
lub brykietami z drewna. Sprzęga się je w elektrociepłowniach przeznaczonych do zasilania
obiektów komunalnych.
Holenderska firma ENATEC CHP produkuje domowe urządzenia do ogrzewania o
mocy 26 kW oraz generator napędzany silnikiem Stirlinga o mocy 1kW. Wykorzystywanym w
tym urządzeniu paliwem jest biomasa.
Problem zastosowania tego silnika w pojazdach mechanicznych, wiąże się z
kłopotami dotyczącymi płynnej regulacji mocy silników Stirlinga.
2. Opis eksperymentu i zdjęcie stanowiska pomiarowego
Dokonujemy pomiaru prędkości obrotowej śmigła silnika w funkcji malejącej
temperatury. Nasz układ pomiarowy składa się z: komputera połączonego z modułem
pomiarowym, kubeczka z gorącą wodą(którą przed rozpoczęciem ćwiczenia gotujemy w
czajniku elektrycznym), podkładki izolacyjnej, na której kładziemy nasz kubek, przewodów
łączących ze sobą dane elementy(czujnik temp. z gniazdem  Temp. oraz czujnik obrotów z
gniazdem  czujnik Obr. ) oraz silnika Stirlinga. Poniższe zdjęcia przedstawiają:
to po lewej stronie nasz układ pomiarowy, a to po prawej silnik Stirlinga.
-2-
Kiedy już wszytko zostanie poprawnie podłączone należy uruchomić komputer,
załączyć zasilanie modułu pomiarowego i uruchomić aplikacje strling.exe znajdującą się na
pulpicie. Teraz już właściwie można zacząć nasz eksperyment.
Gorącą wodę z czajnika wlewamy do kubeczka i umieszczamy w nim czujnik pomiaru
temperatury tak, aby znajdował się tuż pod silnikiem oraz równolegle do lustra wody.
Następnie uruchamiamy program wciskając ikonkę RUN i lekko popychamy śmigło silnika
zgodnie ze strzałką  Engine on steam (HOT) . Śmigło zaczyna się kręcić. Ćwiczenie polega
na obserwacji zmian obrotów śmigła silnika w funkcji malejącej temperatury n=f(t) oraz na
narysowaniu wykresu obrazującego tą zależność. Gdy śmigło przestanie się kręcić wciskamy
ikonkę STOP w programie w celu zatrzymania zapisu danych.
3. Opracowanie wyników pomiaru
Na podstawie wyników pomiaru zapisanych przez program zostały opracowane odpowiednie
wykresy(wykresy zostały umieszczone na osobnych kartkach):
�� Pierwszy wykres przedstawia charakterystyki obrotów n=f(t) i temperatury T=f(t) w
funkcji czasu. Obie wielkości (obroty, temperatura) są liniowymi funkcjami czasu.
Momentowi ruszenia towarzyszą najwyższe obroty: 287 [obr/min] i najwyższa
temperatura wody: 78,7 [�C]
Silnik uległ zatrzymaniu zaraz po spadku obrotów poniżej 70 [obr/min] i temperaturze
wody: 53,5 [�C]
�� Drugi wykres przedstawia zależność obrotów w funkcji malejącej temperatury n=f(T).
Po obejrzeniu tego wykresu nasuwają się dwa podstawowe wnioski:
-obroty silnika są liniową funkcją temperatury
-im wyższa jest temperatura tym wyższe są obroty silnika
Do obliczenia sprawności konwersji energii cieplnej na energię mechaniczną wykorzystujemy
wzór Carnota:
gdzie T1  temperatura z
ródła ciepła [K], T2  temperatura chłodnicy [K]
Ponieważ temperatury się zmieniają dlatego też ta sprawność również maleje w czasie
trwania eksperymentu od 0,16 do 0,08
Zmianę sprawności w czasie przedstawia poniższy wykres:
sprawność silnika Stirlinga w czasie �=f(t)
czas t sprawność �
0,20
0,18
105 0,16
0,16
878 0,12
0,14
1300 0,11
0,12
1780 0,10
0,10
2567 0,09
0,08
0,06
3038 0,08
0,04
0,02
0,00
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
czas t [s]
-3-
sprawność �
Najwyższa sprawność towarzyszy momentowi startu, po którym sprawność konwersji
systematycznie spada.
Otrzymana sprawność procesu konwersji na pewno nie zachwyca, ale jest związana ze
stosunkową małą różnicą temperatur (40-50K) pomiędzy z
ródłem ciepła, a chłodnicą. Gdyby
ta różnica temperatur była większa sprawność naszego procesu również byłaby większa.
-4-