Co to jest silnik Stirlinga? Jak działa silnik Stirlinga?

Co to jest silnik Stirlinga? Jak działa silnik Stirlinga? Jak odkryto silnik Stirlinga? W jakich obszarach jest używany? Jak energia cieplna jest zamieniana na energię ruchu? Szczegóły dotyczące silników Stirlinga znajdują się w naszym artykule.

Co to jest silnik Stirlinga?

Silnik Stirlinga to maszyna, która zamienia energię wytworzoną przez zewnętrzne ogrzewanie zamkniętej komory na energię mechaniczną. Znany również jako silnik na gorące powietrze. Gdy ogrzane powietrze rozszerza się i ściska, silnik zaczyna się poruszać. Został wynaleziony w 1816 roku przez szkockiego księdza, wielebnego Roberta Stirlinga. Silnik został opracowany przez jego brata Jamesa Stirlinga. W czasach wynalazców używano maszyn parowych, które były dość niebezpieczne. Postanowili znaleźć bardziej niezawodną alternatywę. Chcieli zamienić energię cieplną bezpośrednio na energię ruchu.

Co jest w silniku Stirlinga?

• Tłok mocy (wypieracz): Służy do przemieszczania gazu w zamkniętej komorze. Jest powszechnie stosowany w silnikach typu beta i alfa.
• Tłok: Pomaga przekształcać energię cieplną w energię mechaniczną, poruszając się w cylindrach silnika.
• Koło zamachowe: Jest to konstrukcja, do której mocowane są tłoki. Zadaniem tej konstrukcji jest przeniesienie wytworzonej energii mechanicznej na ruchome części.
• Chłodnica: Pomaga schłodzić gaz w zamkniętej komorze. Pomaga w użytkowaniu silnika przez dłuższy czas.
• Podgrzewacz: To najważniejsza część silnika. Służy do podgrzewania gazu w zamkniętej komorze w celu przekształcenia energii cieplnej w energię ruchu.

Ponadto w niektórych typach silników może być stosowany w innych komponentach niż te. Jest to całkowicie w gestii twórców.

Zasada działania silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga działa poprzez wielokrotne podgrzewanie i chłodzenie izolowanej ilości gazu roboczego (zwykle powietrza lub gazów takich jak hel, wodór).

Gaz wykazuje zachowanie określone przez prawa gazowe (w odniesieniu do ciśnienia, temperatury i objętości). Gdy gaz jest podgrzewany, ponieważ znajduje się w izolowanej przestrzeni, jego ciśnienie wzrasta i oddziałuje na tłok napędowy, wytwarzając skok mocy. Gdy gaz jest schładzany, ciśnienie spada, w wyniku czego tłok wykorzystuje część pracy wykonanej podczas suwu powrotnego do ponownego sprężenia gazu. Powstała sieć wytwarza siłę na wrzecionie. Gaz roboczy przepływa okresowo między gorącym i zimnym wymiennikiem ciepła. Gaz roboczy jest uszczelniony w cylindrach tłokowych. Więc nie ma tu spalin. W przeciwieństwie do innych typów silników tłokowych, zawory nie są potrzebne.

Niektóre silniki Stirlinga wykorzystują tłok rozdzielający do przemieszczania gazu roboczego tam iz powrotem między zimnymi i gorącymi zbiornikami. Gaz roboczy porusza się, utrzymując cylindry w różnych temperaturach, dzięki wzajemnemu połączeniu tłoków zasilających wielu cylindrów.

W prawdziwych silnikach Stirlinga pomiędzy zbiornikami umieszczony jest regenerator. Ciepło to jest przenoszone z regeneratora, gdy cykl gazowy zachodzi pomiędzy stroną gorącą i zimną. W niektórych konstrukcjach tłok separatora jest samym regeneratorem. Ten regenerator przyczynia się do wydajności cyklu Stirlinga. Struktura wspomniana tutaj jako regenerator jest w rzeczywistości solidną konstrukcją, która nie zapobiegnie przechodzeniu przez nią części powietrza. Na przykład do tej pracy można użyć stalowych kulek. Gdy powietrze przemieszcza się między zimnym i ciepłym pomieszczeniem, przechodzi przez ten regenerator. Zanim gorące powietrze dotrze do zimnej części, pozostawia na tych kulkach trochę energii cieplnej. Gdy zimne powietrze przechodzi na stronę gorącą, ogrzewa się nieco wcześniej uwolnioną energią cieplną. Innymi słowy, zwiększa wydajność silnika poprzez wstępne podgrzewanie powietrza przed wejściem do gorącej części i wstępne chłodzenie przed wejściem do zimnej części.

Idealny cykl silnika Stirlinga ma taką samą teoretyczną wydajność jak silnik cieplny Carnota przy tych samych temperaturach na wlocie i wylocie. Jego sprawność termodynamiczna jest wyższa niż silników parowych. (lub kilka prostych silników spalinowych i wysokoprężnych)

Każde źródło ciepła może zasilać silnik Stirlinga. Silnik spalinowy, spalanie w wyrażeniu często jest mylnie rozumiane. Źródłem ciepła może być spalanie, ale może to być również energia słoneczna, energia geotermalna lub energia jądrowa. Podobnie, źródło zimna używane do wytworzenia różnicy temperatur może być różnymi materiałami poniżej temperatury otoczenia. Chłodzenie można osiągnąć za pomocą zimnej wody lub czynnika chłodniczego. Ponieważ jednak różnica temperatur uzyskiwana ze źródła zimna będzie niewielka, będzie to wymagało pracy z większymi masami, a straty mocy jakie wystąpią w pompowaniu zmniejszą wydajność cyklu.Produkty spalania nie mają kontaktu z wewnętrznymi częściami silnika. Żywotność oleju smarowego w silniku Stirlinga jest dłuższa niż w silnikach spalinowych.

Typy silników Stirlinga

Istnieją 3 główne typy silników Stirlinga. Inne typy silników to ulepszone wersje 3 silników.

• Silnik Stirlinga typu Alpha:

Składa się z dwóch tłoków, koła zamachowego, zamkniętej komory gazowej z tłokami, wymienników ciepła, generatora ciepła i koła zamachowego. Ma on na celu aktywację znajdującego się w nim gazu poprzez podgrzanie źródłem ciepła obszaru tłoka umieszczonego na górze. Ogrzany gaz zaczyna popychać tłok tam iz powrotem, drugi podłączony tłok zaczyna się poruszać, dzięki czemu gorący i zimny gaz są wypierane w komorze. Wytworzona energia jest przekazywana za pomocą koła zamachowego, z którym połączone są te dwa tłoki.

• Silnik Stirlinga typu Beta:

Na jednym wale znajdują się 2 tłoki. Te dwa tłoki są ze sobą połączone. Ogrzewając komorę z tłokiem na dole, gaz w zamkniętej komorze jest podgrzewany i aktywowany. W ten sposób tłok rozpoczyna ruch w górę. Drugi połączony tłok również pomaga w przemieszczaniu się zimnego gazu w komorze. Koło zamachowe, do którego przymocowane są tłoki, przekazuje wytworzoną energię.

• Silnik Stirlinga typu Gamma:

Istnieją dwa oddzielne tłoki. Komora z większym tłokiem jest podgrzewana, a znajdujący się w niej gaz jest aktywowany. W ten sposób tłoki połączone ze sobą kołem zamachowym zaczynają się poruszać.

Zalety silników Stirlinga

• Ponieważ ciepło jest dostarczane zewnętrznie, możemy dokładnie kontrolować mieszankę paliwa i powietrza.
• Ponieważ do dostarczania ciepła wykorzystywane jest ciągłe źródło ciepła, ilość niespalonego paliwa jest bardzo mała.
• Ten typ silnika wymaga mniej konserwacji i smarowania niż typy silników na ich poziomie mocy.
• Są dość proste w budowie w porównaniu do silników spalinowych.
• Mogą pracować nawet przy niskim ciśnieniu, są bezpieczniejsze niż maszyny parowe.
• Niskie ciśnienie pozwala na zastosowanie lżejszych i trwalszych butli.

Wady silników Stirlinga

• Koszt jest wysoki pod względem oszczędności paliwa, ponieważ niezbędne ciepło jest wymagane przy pierwszym uruchomieniu silnika.
• Trudno jest przenieść jego moc na inny poziom.
• Niektóre silniki stirlinga nie mogą się szybko uruchomić. Potrzebują wystarczającej ilości ciepła.
• Generalnie gazowy wodór jest używany w komorze zamkniętej. Jednak gdy cząsteczki tego gazu są dość małe, trudno jest utrzymać go w komorze. W związku z tym ponosimy dodatkowe koszty.
• Chłodniejsza część musi wchłonąć wystarczającą ilość ciepła. W przypadku zbyt dużych strat ciepła spada sprawność silnika.

Obszary zastosowań silników Stirlinga

Silniki Stirlinga są stosowane w silnikach lotniczych małej mocy, silnikach okrętowych, pompach ciepła, połączonych systemach ciepłowniczych. Obecnie jest używany głównie do wytwarzania energii elektrycznej w polach paneli słonecznych.