Silnik Stirlinga

Zasada działania cz. 1  Silnik Stirlinga jest tłokową maszyną roboczą pracującą obiegu zamkniętym dowolnym gazem roboczym (np. hel, wodór, neon, powietrze) oraz regeneracją ciepła przy stałej objętości. Jedną pierwszych wersji takiego silnika skonstruował opatentował w 1816r. Robert Stirling, w którym jako gaz roboczy zastosował powietrze. Silniki tego typu nazywane były silnikami na gorące powietrze. W silniku Stirlinga, gaz roboczy o dużej przewodności i cieple właściwym umieszczony w podgrzewanej strefie, doznaje wzrostu ciśnienia i przepycha tłok roboczy, przekazując mu energię. Następnie tłok nazywany wypornikiem, przemieszcza gaz roboczy do strefy chłodzącej, gdzie gaz zmniejsza swoją objętość, cofając tłok roboczy. Osiągi silnika zależą od sprawności i szybkości transferu ciepła przez gaz roboczy oraz od strat mechanicznych. Im większa porcja gazu, pod większym średnim ciśnieniem roboczym, umieszczona w przestrzeniach o dużej powierzchni nagrzewania i schładzania, tym szybciej i sprawniej przebiega proces przemiany energii. Silnik Stirlinga jest maszyną odwracalną i może produkować energię mechaniczną wykorzystując różnicę temperatur. Może też być maszyną chłodniczą lub grzewczą, wykorzystując pracę mechaniczną. 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.

Zasada działania cz. 2 Urządzenie działa zgodnie z zasadą mówiącą, że podgrzewany gaz rozszerza swoja objętość a schładzany zmniejsza. Przykład : na metalowy kubek została nałożona warstwa gumki (kawałek balonika). Gdy kubek jest podgrzewany balonik zacznie się wybrzuszać, gdy całość zostanie schłodzona będzie on zasysany do środka. Taką właśnie budowę oraz takie zachowanie ma podstawowy element silnika Stirlinga. Na poniższym rysunku przedstawiono proces pojedynczej przemiany cieplnej. Najpierw tłok od dołu zostaje podgrzewany, pływak cieplny się podnosi, zimne powietrze jest wypychane do góry i zarazem wypycha membranę. W pewnym momencie pływak odsłania ściankę chłodzoną i następuje gwałtowne ochłodzenie gazu wewnątrz tłoku, co doprowadza do zmniejszenia objętości gazu i zassania membrany. Energia zostaje przeniesiona na wał napędowy, w silniku stirlinga jednokomorowym podłączenie tłoku wygląda jak na poniższym rysunku.

Zasada działania cz. 3 Cały proces polega na ogrzewaniu i ochładzaniu, na ciągłym dostarczaniu różnicy potencjału ciepła w odpowiednie strefy tłoka. Poniżej został przedstawiony nieco inny schemat (bardziej zaawansowany), oraz rozrysowano wszystkie fazy pracy silnika. Wał napędowy wyposażono w koło zamachowe, jakie dostarcza przeciwsobności całemu układowi. Główną energią tego silnika jest tłok mały, a duży odpowiada za oddzielanie ciepłej powierzchni albo zimnej od gazu w silniku.

Historia Na początku XIX wieku występował równoległy rozwój maszyn parowych oraz silników, w których jako gaz roboczy stosowano powietrze. Silniki te nazywano "silnikami na gorące powietrze". Opracowane wówczas konstrukcje silników, które wykorzystywały zasadę regeneracji ciepła podczas obiegu, można podzielić na dwie grupy: silniki Ericssona - silniki z rozrządem i regeneracją ciepła przy stałym ciśnieniu, silniki Stirlinga - silniki pracujące z zamkniętą przestrzenią roboczą i regeneracją ciepła przy stałej objętości. Różne wersje konstrukcyjne silników należących do drugiej grupy nazywano nazwiskiem konstruktora lub twórcy patentu, np. silniki Beniera, Wenhama, Stirlinga, itp. Jednakże zastosowanie przez firmę Philips w tych silnikach innych gazów roboczych, jak np. helu, wodoru czy azotu, spowodowało, że nazwa "silniki na gorące powietrze" stała się zupełnie nieadekwatna. Z tego względu zaproponowano, aby w odniesieniu do silników pracujących w obiegu zamkniętym z dowolnym gazem roboczym przyjąć jedno wspólne określenie "silniki Stirlinga". Nazwa ta jest powszechnie stosowana do dnia dzisiejszego. Jedną z pierwszych wersji silnika na gorące powietrze, pracującego w obiegu zamkniętym z regeneracją ciepła, była konstrukcja opatentowana przez szkockiego inżyniera Roberta Stirlinga w 1816 roku, przedstawiona poglądowo na poniższym rysunku.

Zastosowania Szereg zalet jakie charakteryzują pracę silników Stirlinga, m.in. wysoka sprawność cieplna, bardzo niski poziom hałasu, niezawodność uruchamiania, bardzo niski poziom emisji szkodliwych składników spalin oraz ogromna różnorodność źródeł energii cieplej, stwarza ogromne perspektywy dla zastosowania tych silników w różnych gałęziach przemysłu. Ponadto odwracalność obiegu Stirlinga pozwala na pracę tych maszyn, praktycznie bez żadnych zmian konstrukcyjnych, jako pomp ciepła lub urządzeń chłodniczych i kriogenicznych. Wszystkie te czynniki powodują, że w wielu ośrodkach badawczych całego świata na szeroką skalę prowadzone są prace badawcze, zmierzające do opracowania i komercyjnego zastosowania maszyn i silników Stirlinga, które w najbliższej przyszłości mogą stać się bardzo konkurencyjne dla tłokowych silników spalinowych oraz tradycyjnych urządzeń chłodniczych. Są używane jako, np.: stacjonarne i przenośne generatory energii elektrycznej, hybrydowe zespoły napędowe pojazdów samochodowych, napęd okrętów podwodnych, pompa sztucznego serca, pompy ciepła i pompy wodne, napęd miniaturowych modeli pojazdów samochodowych.