Reklama: Chcesz umieścić tutaj reklamę? Zapraszamy do kontaktu »
Powrót do listy artykułów Aktualizowany: 2011-02-15
Silnik Stirlinga
Witam serdecznie!

Zostałem zaproszony do zaprezentowania Wam mojego wynalazku, którego prototyp jest w końcowej fazie budowy.

Będę wdzięczny za wszelkie uwagi i "podpowiedzi"...

Zacznijmy wpierw od podstawowej definicji silnika cieplnego. Polski termodynamik Stanisław Ochęduszko zdefiniował silnik cieplny jako "maszynę, która część dostarczonego ciepła zamienia na pracę mechaniczną i może to czynić bez przerwy".
Z kolei sprawność to skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci.

A teraz trochę historii.
Jak wiemy rewolucja przemysłowa zaczęła się w Anglii od silników parowych. Na początku XIX wieku budowano je coraz większe, o coraz wyższych parametrach - mam na myśli przede wszystkim ciśnienie robocze pary. Niestety - materiałoznawstwo było w powijakch a dysponowano jedynie kutym żelazem, miedzią i jej stopami oraz żeliwem. Nie było jeszcze ani elektryczności ani gazów technicznych - wszystkie te materiały były łączone na śruby lub nitowane. Jak wiemy - Bessemer proces produkcji stali ogłosił dopiero w roku 1856 - więc do tego momentu budowa coraz większych maszyn parowych powodowała bardzo częste wypadki i katastrofy. Corocznie w Anglii, w takich wypadkach ginęły seki pracowników.

W takim to momencie historii przemysłu pojawił się szkocki pastor Robert Stirling. Postanowił rozwiązać ten problem, przez budowę silnika cieplnego o dużej sprawności, ale bez udziału wysokiego ciśnienia i pary wodnej jako medium roboczego. Pomysł swój opatentował w roku 1816.
Rozwiązanie było proste i eleganckie - czyli genialne!

Stirling w swoim silniku wykorzystał znane powszechnie zjawisko fizyczne. Jeżeli zamknięty szczelnie zbiornik podgrzejemy - gaz w środku zwiększy swoje ciśnienie. Jeżeli ten sam zbiornik ochłodzimy - ciśnienie się zmniejszy. Stirling dodał do owego zbiornika ruchomy tłok, nie stykający się ze ściankami pojemnika. Tłok służył tylko do "przepychania" powietrza od ścianki zimnej do ogrzewanej. Po polsku taki rodzaj "luźnego" tłoka nazywamy "wypornikiem" / ang. "displacer/. Należało jeszcze połączyć rurką "zbiornik" z klasycznym siłownikiem pneumatycznym a za pomocą kół zamachowych i korbowodów połączyć tłoczyska wypornika z tłoczyskiem siłownika roboczego, realizującego klasyczne dodatnie sprzężenie zwrotne.

To bardzo eleganckie rozwiązanie dość szybko upowszechniło się na całym świecie. Silniki Stirlinga wykorzystywane były do napędu tokarek, frezarek, wentylatorów, pomp czy szlifierek. Mało kto wie, że pierwsze, prawdziwie "automatyczne" gramofony były napędzane silnikami Stirlinga. Niestety, jak to bywa w technice, mimo swoich zalet - o czym będzie poniżej - silniki te zostały w końcu zastąpione przez silniki spalinowe i elektryczne. Silniki Stirliga produkowane były w wielu ciekawych konfiguracjach aż do lat 20 i 30-stych XX wieku!

Z pewnym żalem pod koniec życia napisał sędziwy Robert Stirling że "gdyby stal bessemerowską wynaleziono 30 lat wcześniej, moje silniki byłyby teraz w powszechnym użyciu"...

Początek lat 50. XX wieku dał małą "iskierkę" w tej dziedzinie. Firma Philips wdrożyła na krótką metę do produkcji przenośny generator prądu zasilany silnikiem Stirlinga. Wyglądało toto jak znane nam współcześnie przenośne generatory napędzane silnikami spalinowymi. Pod zbiornikiem na paliwo, była mała szuflada gdzie mieścił się palnik prymusa zasilanego benzyną. Aby uruchomić silnik, należało rozpalić prymus, odczekać aż silnik osiągnie właściwą różnicę temperatur i pociągnąć za linkę rozrusznika. Urządzenie dawało moc "aż" 200 watów i mimo że było wręcz rewolucyjne w swoim pomyśle, szybko zaniechano jego produkcji.

Teraz znów nastąpi krótki "smrodek dydaktyczny". Wracamy do początku czyli sprawności. Bo najciekawsze jest w silniku Stirlinga to, że cykl jego pracy jest bardzo zbliżony do idealnego cyklu Carnota. W związku z czym jego sprawność jest największa z wszystkich silników cieplnych!
Przepraszam - była do niedawna - bo dopiero od kilku lat, dzięki postępom w materiałoznawstwie oraz za sprawą stosowania elektroniki oraz turbodoładowania silniki spalinowe zarówno benzynowe jak i dieslowskie "wyprzedziły" na tym polu nieznacznie silniki Stirlinga.

Dlatego też, z uwagi na jego wysoką sprawność, niewielki hałas oraz fakt iż jest to silnik "na każde paliwo" - bo zewnętrznego spalania - warto się przyjrzeć temu już prawie dwustuletniemu wynalazkowi.

Podstawową wadą silnika Stirlinga jest jego wysoki koszt wytwarzania. Przyczyną jest dość skomplikowana budowa - czyli te wszystkie tłoki, korbowody, mimośrody, fazy rozrządu...
Ale mimo tej wady silniki Stirlinga nadal są przedmiotem badań nie tylko hobbystów i ekologów ale poważnych ośrodków naukowych na całym świecie! Bo silnik taki uniezależnia nas od paliw kopalnych lub stosując "zewnętrzne" spalanie np. ropy, mamy ogromne możliwości wpływania na najekonomiczniejsze jej przetworzenie w pracę silnika!
W ostatnich dwudziestu latach przemysł powoli "wraca" do silników Stirlinga.

Szwedzi zbudowali kilka okrętów podwodnych napędzanych silnikiem Stirlinga. Część "ciepła" tego silnika jest ogrzewana chemiczną reakcją egzotermiczną łączenia chloru z sodem do postaci soli kuchennej.

Prowadzone są prace nad wykorzystaniem omawianych silników w przemysłowych układach kogeneracji, czyli wszędzie tam, gdzie dysponujemy medium o wysokiej temperaturze, a w dalszym cyklu produkcyjnym musimy to medium schłodzić, np. w klasycznej chłodni kominowej.

NASA opracowała silnik według interesującej nas koncepcji ogrzewany reakcją promieniotwórczego pierwiastka. Silniki takie są już montowane do sond kosmicznych, które polecą w odległe od Słońca rejony naszego układu.

Rozpoczęto także produkcję domowych generatorów z klasycznym silnikiem Stirlinga. Gaz dostarczany do domu w celu jego ogrzewania, wpierw ogrzewa silnik, który produkuje energię elektryczną na potrzeby domowe. Mamy więc dwa w jednym - medium energetyczne, którym jest gaz służy i do ogrzewania, i do „świecenia”.

Bardzo ciekawą sprawą jest to, że każdy "klasyczny" silnik Stirlinga może pracować "odwrotnie". To znaczy obieg Carnota jest odwracalny. Czyli silnik napędzany zewnętrznym źródłem mechanicznym, np. energią silnika elektrycznego czy turbiny wiatrowej, niejako "wytwarza" na swych powierzchniach roboczych wysoką i odpowiednio - niską temperaturę. Tak pracujące silniki Stirlinga są obecnie wykorzystywane do osiągania temperatur zbliżonych do zera bezwzględnego. Jest to obecnie najtańszy sposób osiągania niskich temperatur na skalę laboratoryjną i przemysłową!

Ale wróćmy do mojej przygody z tym silnikiem. Zaczęło się to w klasie maturalnej w połowie lat 70-tych. W prenumerowanym przeze mnie „Młodym Techniku” był - chyba jedyny w owym czasie - artykuł na temat silników Stirlinga z dokładnym omówieniem takiego silnika, wykorzystanego przez Philipsa w produkowanym na początku lat 50. przenośnym generatorze prądu. Przy okazji wpadł mi do głowy pomysł, aby w klasycznym silniku Stirlinga wyeliminować wszelkie korbowody i tłoki a spowodować, by działał, wykorzystując tylko ruch obrotowy jego części składowych.
A jak napisałem powyżej, szersze wykorzystanie omawianych silników nie jest możliwe bez zmniejszenia ich kosztów, a więc uproszczenia budowy takiego silnika.

Przez wiele lat, i podczas studiów, i w pracy zawodowej, zdarzało mi się wielokrotnie rysować schematy "mojego silnika" i tłumaczyć zasadę działania wielu osobom. Zawsze kończyło się to na stwierdzeniu, że "to nie będzie działać!". Dlaczego? Bo to jest takie proste, że jakby miało działać, to już byśmy powszechnie używali takich silników!

Po czym, na wiele lat zapomniałem o moim pomyśle.
Jakieś dwa lata temu, zupełnie przypadkowo natrafiłem na stronę poświęconą silnikom Stirlinga. Zacząłem szukać, z wielką ciekawością oczekując, że gdzieś trafię na "mój" pomysł. I im dłużej szukałem, tym bardziej byłem zdumiony, że nigdzie tego znaleźć nie mogę. Jednocześnie rozpocząłem próby "hobbystyczne" niejako, prowadzące do sprawdzenia praktycznego mojego pomysłu.

Wiosną 2010 roku zebrałem się na odwagę i zacząłem korespondencję z osobą - nazwijmy ją "Autorytetem od Stirlinga". Podesłałem Autorytetowi rysunki, schematy i informacje. Po dwóch tygodniach oczekiwania dostałem bardzo pochlebną opinię wraz z sugestią szybkiego patentowania mojego rozwiązania z uwagi na jego nowatorstwo.

Beztłokowy rotacyjny silnik według koncepcji Wąsowskiego (wersja nr 2 = WASE2) jest rodzajem silnika cieplnego zewnętrznego spalania. Różnica temperatur na powierzchniach silnika jest przetwarzana na pracę mechaniczną. Ideą pomysłu jest łatwe łączenie szeregowo-równoległe poszczególnych modułów do postaci płaskich paneli. Każdy panel posiada indywidualną prądnicę / alternator/.

Silnik jest niezwykle prosty w budowie, dlatego jego koszt wytwarzania będzie bardzo mały, (wysoki koszt był podstawową wadą dotychczasowych rozwiązań).
Panel może być wykorzystany do odzyskiwania energii traconej w produkcji przemysłowej / kogeneracja/, jako źródło zasilania hybrydowego pojazdu samochodowego, a także jako generator prądotwórczy, który może być łatwo wykorzystany wszędzie tam gdzie dysponujemy różnicą temperatur.



Źródłem ciepła może być każdy rodzaj energii cieplnej: od wszelkich klasycznych paliw organicznych, poprzez energię nuklearną, geotermalną, chemiczną reakcję egzotermiczną.

Silnik Stirlinga potrzebuje chłodzenia - z uwagi na to iż jest to silnik "różnicowy" - czyli jego sprawność zależy od różnicy temperatur na jego powierzchniach roboczych. Chłodzić można wodą, powietrzem lub każdą inną endotermiczną reakcją chemiczną.

Od maja trwała procedura patentowa. W końcu mój wniosek został już przyjęty, zaś obecnie trwa procedura zastrzegania mojego pomysłu w innych krajach, i może też masowa produkcja...

Jednocześnie trwają prace nad wykonaniem "pół-przemysłowego" silnika. Oceniam, iż powinno się udać osiągnąć moc na wyjściu około 800-1000 W. Przy różnicy temperatur około 300 st C. Nie jestem bez prób prototypu określić faktycznej sprawności. Ten pierwszy silnik, posłuży do optymalizacji kilku parametrów, co umożliwi w kolejnych modelach poprawę jego osiągów.

Silnik, nad którym pracuję jest "mutacją" mojego pomysłu silnika sprzed 30 lat. Pierwowzór (WASE1) jest także opatentowany. Pracę nad nim rozpocznę po zdobyciu doświadczeń nad obecnie wykonywanym modelem. WASE1 - w stosunku do WASE2, jest dużo prostszy, zawiera ponad połowę mniej elementów. Powinien być także zdecydowanie tańszy w masowej produkcji. Wymaga jednak ogromnej precyzji wykonania, niemożliwej do osiągnięcia "domowym sposobem".

Wiem że trwają prace nad różnymi, ciekawymi rozwiązaniami tego problemu. Mam nadzieję, że mój pomysł jest krokiem w tym właśnie kierunku. Wydaje mi się iż moje rozwiązanie powinno radykalnie zmniejszyć koszty wytwarzania tych silników. Bo udało mi się z klasycznego silnika Stirlinga usunąć wszystkie skomplikowane tłoki, korbowody - sprowadzając wszystko do ruchu obrotowego, przy jednoczesnej modułowej budowie takiego silnika...
Andrzej Wąsowski

PS1
Teoretycznie jest możliwe, iż odpowiedni panel złożony z "moich" silników, mógłby służyć do ogrzewania czy chłodzenia domów czy hal produkcyjnych. Ale to tylko teoria.
:)

PS2
Dla zaspokojenia ciekawości.
Teoretyczna sprawność silnika Stirlinga to 30-40%
Praktyczna - szczególnie w małych jednostkach - 15-30%

Klasyczny silnik benzynowy ma sprawność 30% - dopiero od niedawna ta sprawność "skoczyła" do 40-54%

Współczesna elektrownia z turbozespołami parowymi ma sprawność rzędu 60% - zakładając dobre jakościowo paliwo i licząc elektrownię jako "całość".
Nie należy tego mylić ze sprawnością poszczególnych elementów elektrowni, których sprawność współcześnie dochodzi do 92% (turbina,kocioł, generator)...

Bo jak do tego doliczymy straty przesyłowe energii elektrycznej oraz straty na wydobycie i dostarczenie paliwa - to wtedy naprawdę zaczynają się ciekawe wnioski...
Autor:
Andrzej Wąsowski
Źródło:
BDT System
Dodał:
BDT-SYSTEM

Czytaj także