Silnik Stirlinga
Silnik Stirlinga to silnik cieplny, który przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, jednak bez procesu wewnętrznego spalania paliwa, a na skutek dostarczania ciepła z zewnątrz, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go ciepłem z dowolnego źródła. Źródłem ciepła może być w szczególności proces spalania jakiegoś paliwa, ale nie jest to konieczne.
Historia
Replika silnika Stirlinga
Silnik wynalazł szkocki duchowny Robert Stirling i opatentował go w 1816 roku (patent angielski nr 4081). W XIX i XX wieku używano go do napędu niewielkich maszyn. Silnik emituje bardzo mało zanieczyszczeń i jest bardzo wydajny. Zbudowane dotychczas prototypy silnika osiągały moc do 500 KM i dobre współczynniki sprawności 35-40% (klasyczne silniki spalinowe mają ten współczynnik na poziomie ok. 20-25%)
Zasada działania
|
1 |
2 |
3 |
4 |
W cyklu pracy silnika Stirlinga czynnik roboczy (jest nim zazwyczaj gaz np. tlen lub wodór) sprężany jest i oziębiany w zimnej komorze. Następnie przenoszony jest do komory gorącej, gdzie ulega rozprężeniu, a powstająca w ten sposób energia napędza tłok. Ponieważ rozszerzanie gazu w wysokiej temperaturze daje więcej energii, niż wymaga sprężenie gazu w niskiej temperaturze, silnik wykorzystuje różnicę i zamienia energię cieplną na mechaniczną. Niezbędne w pracy silnika ciepło może pochodzić ze spalania dowolnej nadającej się do tego celu substancji (np. benzyna, olej napędowy, gaz ziemny). Alternatywą dla spalania jest wykorzystanie innych procesów egzoenergetycznych (w szczególności, reakcji chemicznych lub jądrowych) a także energii słonecznej lub geotermalnej.
Silnik Stirlinga produkuje energię nie na zasadzie wybuchu - jak konwencjonalne silniki wewnętrznego spalania - 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.
Budowa silnika
W podstawowej konfiguracji silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów (ciepłego i zimnego), pomiędzy którymi (przy ich podstawach) znajduje się połączenie. W cylindrach znajduje się stała ilość gazu. Ponadto w każdym cylindrze jest tłok, a tłoki te są połączone wałem korbowym, tak aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o 1/4 cyklu ruchu.
Najpierw gaz ogrzewany w cylindrze ciepłym powiększa swoją objętość, potem jest przepompowywany do cylindra zimnego, gdzie zmniejsza objętość i w minimum objętości jest przepompowywany do cylindra ciepłego. Silnik nie wymaga w ogóle spalania - korzysta wyłącznie z różnicy temperatur pomiędzy cylindrami.
Istnieje rozwiązanie korzystające z jednego cylindra i akumulatora ciepła. W takim rozwiązaniu jeden z końców cylindra jest "zimny", a drugi "ciepły".
Cechy użytkowe silnika
Silnik Stirlinga nie ma rozrządu, nie korzysta ze spalania wybuchowego i nie posiada wydechu, nie ma w nim źródeł hałasu - dzięki temu jest niemal bezgłośny. Podstawową zaletą silnika 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. Wadą silnika Stirlinga są niskie obroty oraz (w przypadku stosowania w pojazdach) konieczność używania dużych chłodnic.
Zastosowania
Próby zastosowania w pojazdach mechanicznych (autobusach) nie wyszły poza stadium eksperymentów.
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.
Najpowszechniejszym zastosowaniem silnika Stirlinga są układy CHP (kogeneracji produkcji ciepła i energii elektrycznej) małej mocy (do 34 kW).
Obecnie firma Lockheed Martin dokonuje ostatnich poprawek w testowym egzemplarzu radioizotopowego (źródłem ciepła jest 2,25 kg izotopu promieniotwórczego) generatora Stirlinga, który powinien być gotowy wiosną 2008 roku. Znajdujące się w nim dwa silniki Stirlinga napędzają liniowy alternator o mocy około 100 watów. Układ ma posłużyć do zasilania sond kosmicznych dalekiego zasięgu. NASA zamierza wykorzystać tę technologię już w latach 2012 - 2013.[
