LABORATORIUM KONWERSJI ENERGII

Ćwiczenie nr 14	Temat ćwiczenia: Silnik Stirlinga		Data wykonania ćwiczenia: 10.10.2011
Nr zespołu: V
Imię i nazwisko	Wydział Energetyki i Paliw, kierunek Energetyka, III rok, grupa 2
		Teoria	Wykonanie ćwiczenia	Końcowa ocena z 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 przetwarzaniutej 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 ¼ 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. Później 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

-luźne 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:

-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 źródło 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 zmodułem 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.

Kiedy już wszytko zostanie poprawnie podłączone należy uruchomić komputer, załączyć zasilanie modułu pomiarowego i uruchomićaplikacje 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 silnikasą 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 źródła 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:

czas t	sprawność η
105	0,16
878	0,12
1300	0,11
1780	0,10
2567	0,09
3038	0,08

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 źródłem ciepła, a chłodnicą. Gdyby ta różnica temperatur była większa sprawność naszego procesu również byłaby większa.

-1-

---