Silnik Stirlinga

Silnik Stirlinga: zasada działania i dostępne typy

Robert Stirling, szkocki pastor, zgłosił w 1816 roku patent na silnik o spalaniu zewnętrznym, który mógł konkurować z ówczesną maszyną parową. Ponad dwa stulecia później zasada działania pozostała niezmienna: zewnętrzne źródło ciepła powoduje rozszerzenie się gazu zamkniętego w cylindrze, który popycha tłok, a następnie gaz ochładza się i kurczy, aby cykl mógł się powtórzyć. Jest to silnik termodynamiczny o obiegu zamkniętym — bez spalania wewnętrznego, bez wybuchów, bez zaworów. Gaz (powietrze, hel lub wodór, w zależności od modelu) pozostaje w obiegu zamkniętym.

Istnieją trzy konfiguracje. Typ alfa wykorzystuje dwa tłoki w dwóch oddzielnych cylindrach, połączonych wymiennikiem ciepła: jest to najpotężniejsza konfiguracja, stosowana w poważnych zastosowaniach przemysłowych. W typie beta tłok napędowy i element przemieszczający znajdują się w tym samym cylindrze, co zmniejsza gabaryty urządzenia. Typ gamma oddziela element przemieszczający i tłok w różnych cylindrach, które jednak dzielą tę samą objętość gazu: jest to dominująca geometria w modelach biurkowych i edukacyjnych, ponieważ upraszcza produkcję.

Silnik Stirlinga typu LTD: praca przy minimalnej różnicy temperatur

Modele LTD (Low Temperature Differential) stanowią odrębną podkategorię. Uruchamiają się przy różnicy temperatur wynoszącej zaledwie 4–6 °C między stroną gorącą a stroną zimną. W praktyce: wystarczy umieścić podstawę na filiżance herbaty o temperaturze 60 °C, aby zobaczyć, jak obraca się koło zamachowe. Niektóre płaskie modele solarne działają już przy temperaturze 35 °C po stronie gorącej, w zestawieniu z powierzchnią o temperaturze 25 °C po stronie zimnej.

Ta wrażliwość na niewielkie różnice temperatur ma jednak swoją wadę: silniki te wytwarzają niewielki moment obrotowy. Prędkości obrotowe pozostają niskie, zazwyczaj w zakresie od 100 do 400 obrotów na minutę, w zależności od dostępnej różnicy temperatur. Nie wybiera się ich ze względu na moc mechaniczną, ale ze względu na zdolność do wykorzystania rozproszonych źródeł ciepła — przemysłowych odpadów cieplnych, pasywnej energii słonecznej, ciepła ciała w pokazach edukacyjnych.

Wybór silnika Stirlinga: konkretne kryteria przed zakupem

Pierwszym kryterium jest dostępne źródło ciepła. Silnik Stirlinga na alkohol lub świecę wymaga temperatury od 200 do 400 °C po stronie gorącej, aby działać prawidłowo, i wytwarza zauważalny moment obrotowy, często wystarczający do napędzania małej dynamo lub mechanizmu zegarowego. Model LTD zasilany energią słoneczną lub „ciepłem dłoni” sprawdza się lepiej jako urządzenie demonstracyjne niż jako źródło użytecznej energii.

Drugim kryterium jest jakość wykonania. Modele z obrabianego mosiądzu z docieranymi tłokami zachowują szczelność przez długi czas. Ekonomiczne wersje wykonane z zamaku lub surowego aluminium szybko ulegają nieszczelnościom w obszarze cylindra, co zmniejsza ich wydajność. Prosta kontrola: na zimno, podczas powolnego obracania koła ręcznego, opór powinien być równomierny, bez punktów oporu ani nadmiernego luzu.

• Silniki typu gamma z zapłonem świecowym: idealne do pokazów, rozruch w ciągu 30–60 sekund, prędkość obrotowa od 800 do 2 000 obr./min w zależności od obciążenia termicznego.
• Silniki słoneczne typu LTD: odblaskowa płyta chłodząca z aluminium + czarna płyta grzewcza, działają w pełnym słońcu lub przy umiarkowanym źródle ciepła. Niska prędkość obrotowa, ale spektakularny rozruch w temperaturze 40 °C.
• Silniki wielocylindrowe typu alfa: bardziej złożone konfiguracje, rzeczywistą sprawność można zmierzyć za pomocą prostego hamulca, interesujące dla projektów licealnych lub w instytutach technicznych z zakresu termodynamiki stosowanej.

Silnik Stirlinga do celów edukacyjnych: zastosowania w fizyce i termodynamice

Silnik Stirlinga pozostaje jednym z nielicznych konwerterów termomechanicznych, które można zbudować, zmierzyć i przeanalizować bez użycia skomplikowanego oprzyrządowania. W liceum lub na studiach zawodowych (BTS) pozwala on na praktyczną pracę nad cyklem Carnota, obliczenie rzeczywistej sprawności w porównaniu ze sprawnością teoretyczną oraz bezpośrednią obserwację wpływu regeneratora na wydajność cyklu.

Dostępne zestawy montażowe charakteryzują się różnym stopniem złożoności. Niektóre wymagają jedynie śrubokręta i godziny montażu; inne wymagają niewielkiej obróbki skrawaniem lub regulacji wysokości elementu przesuwnego w celu optymalizacji przesunięcia fazowego do 90°. Właśnie ta regulacja przesunięcia fazowego odróżnia dobrze zmontowany silnik od modelu, który ma trudności z uruchomieniem: tłok silnika musi osiągnąć górny martwy punkt o ćwierć obrotu później niż element przesuwający, ani więcej, ani mniej.

Rzeczywiste zastosowania i wykorzystanie silników Stirlinga na dużą skalę

Szwedzka marynarka wojenna wykorzystuje silniki Stirlinga w swoich okrętach podwodnych klasy Gotland od 1996 roku do napędu AIP (Air Independent Propulsion), zasilając cykl ciekłym tlenem przechowywanym na pokładzie. Wynik: cichsza praca niż w przypadku silników wysokoprężnych oraz 14-dniowy zasięg podwodny bez konieczności wynurzania się na powierzchnię. Producent Kockums, przejęty przez TKMS w 2014 roku, pozostaje jednym z nielicznych zakładów na świecie produkujących silniki Stirlinga o dużej mocy.

NASA bada zastosowanie termoelektrycznych generatorów Stirlinga w misjach kosmicznych od początku XXI wieku: projekt ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) miał na celu osiągnięcie sprawności na poziomie 38% w porównaniu z 6–7% w przypadku klasycznych generatorów RTG zasilanych plutonem, jednak został zawieszony w 2013 roku z powodu braku finansowania. Projekty te pokazują przydatność tego cyklu w przypadku ciągłych i stabilnych źródeł ciepła, co stanowi dokładne przeciwieństwo silników spalinowych.

Konserwacja i żywotność silnika Stirlinga

Konserwacja ogranicza się do dwóch kwestii. Po pierwsze, smarowanie tłoków: kropla lekkiego oleju mineralnego (typu olej do maszyn do szycia, lepkość 10–15 cSt) nakładana na uszczelkę pierścieniową tłoka co 20–30 godzin pracy. Zbyt gęsty olej zwiększa tarcie i obniża prędkość obrotową; brak oleju powoduje zużycie uszczelki w ciągu kilku godzin. Po drugie, czystość powierzchni grzewczej: osady sadzy z świecy zwiększają opór cieplny i ograniczają przekazywanie ciepła do gazu.

Prawidłowo konserwowany model z obrabianego mosiądzu wytrzymuje kilkaset godzin pracy bez zauważalnego zużycia. Okrągłe uszczelki pozostają głównym elementem zużywającym się; przed zakupem należy sprawdzić, czy dostawca oferuje je jako części zamienne.

Akcesoria kompatybilne z biurkowym silnikiem Stirlinga

Mały generator z magnesem trwałym (typu alternatora rowerowego, 5–12 V w zależności od prędkości obrotowej) można zamontować na osi koła zamachowego za pomocą gumowego łącznika tłumiącego drgania. Wytworzona energia elektryczna może zasilać diodę LED, ładować kondensator lub zasilać multimetr w celu pomiaru rzeczywistej mocy wytworzonej. W przypadku projektów szkolnych to uzupełnienie przekształca wizualną demonstrację w eksperyment oparty na pomiarach ilościowych.