Załóż konto na portalu i bezpłatnie pobierz wydanie Rynku Instalacyjnego 7-8/2018

Współczesne zastosowania maszyn Stirlinga

Silniki Stirlinga w elektrowni słonecznej
Silniki Stirlinga w elektrowni słonecznej
pl.wikipedia.org

Maszyny Stirlinga zostały pierwotnie zbudowane jako silniki, a wraz z rozwojem tej technologii stosowane są również jako chłodziarki i pompy ciepła. Liczne zalety tego rozwiązania sprawiają, że staje się ono realną alternatywą dla stosowanych obecnie klasycznych technologii.

Rozwój cywilizacji jest ściśle związany z produkcją energii. Od początku rewolucji przemysłowej podstawowym źródłem energii były najłatwiej dostępne paliwa kopalne. Jednak intensywna eksploatacja tych paliw skutkuje z jednej strony szybkim kurczeniem się ich zasobów, z drugiej zaś emisją zanieczyszczeń do środowiska. Dlatego poszukiwania nowych źródeł energii oraz metod jej przetwarzania skierowane są obecnie na odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna czy biopaliwa.

Na przełomie XIX i XX wieku szukano skutecznych technologii umożliwiających sprawne przetwarzanie łatwego do wytworzenia ciepła w pracę mechaniczną. Obok znanych dziś dobrze maszyn parowych opracowanych w XVIII w. oraz wynalezionych w XIX w. silników ze spalaniem wewnętrznym realizujących obiegi Otto i Diesla na początku XIX w. zbudowano ciekawą maszynę termodynamiczną realizującą obieg na zamkniętej porcji gazu. Obieg ten oraz maszyna, w której jest on realizowany, nazwane zostały od nazwiska wynalazcy, szkockiego duchownego Roberta Stirlinga.

Przeczytaj artykuł Soczewki Fresnela - koncentracja promieniowania słonecznego »

Silnik Stirlinga (objęty angielskim patentem nr 4081 z 1816 r.) po raz pierwszy zastosowany został do usuwania wody z kamieniołomu. Pomimo teoretycznej sprawności obiegu równej sprawności obiegu Carnot w późniejszych latach rozwój tej technologii nie przebiegał tak dynamicznie, jak silników o spalaniu wewnętrznym czy maszyny parowej. Głównym powodem były trudności związane z ograniczeniami materiałowymi (częste awarie) oraz jak na owe czasy skomplikowanym (trudnym do opisania) procesem termodynamicznym.

Postęp w dziedzinie inżynierii materiałowej, szczególnie w drugiej połowie XX w., oraz rozwój techniki komputerowej i co za tym idzie możliwość stosowania numerycznych metod obliczeniowych spowodowały, że większość problemów technicznych sprzed ponad 100 lat ma obecnie charakter historyczny. Naukowcy i inżynierowie wracają do koncepcji maszyny Stirlinga, ponieważ jej cechy, takie jak m.in. wysoka sprawność energetyczna, zwarta i względnie prosta konstrukcja, elastyczność w doborze źródła zasilania i obojętny dla środowiska czynnik roboczy, wpisują się niemal idealnie we współczesne uwarunkowania.

Tym sposobem zapomniana, niemal dwustuletnia konstrukcja, która w chwili swojego powstania przerastała możliwości ówczesnej technologii, przeżywa obecnie prawdziwy renesans, w postaci coraz większej liczby wdrożeń komercyjnych w różnych dziedzinach techniki – od urządzeń chłodniczych po silniki przemysłowe.

Produkcja urządzeń realizujących obieg Stirlinga jest jeszcze dosyć droga, głównie dlatego, że oferowane są one w małych seriach. Wysoki koszt wynika ze specyfiki parametrów pracy tych urządzeń (wysokie ciśnienie i temperatura pracy), co przekłada się bezpośrednio na relatywnie wysokie ceny, szczególnie egzemplarzy prototypowych. Producenci dążą do obniżenia kosztów poprzez zastosowanie we współczesnych konstrukcjach nowych materiałów oraz poszukiwanie optymalnych parametrów pracy przy obniżonym ciśnieniu średnim w komorze roboczej.

Silniki Stirlinga w Gazowych kotłach kondensacyjnych »

Przykładem spektakularnego komercyjnego zastosowania może być silnik Stirlinga firmy Kockums o mocy 75 kWe, który znalazł zastosowanie w okrętach podwodnych jako generator mocy [5].

Termodynamiczne podstawy działania oraz budowa maszyny Stirlinga

Silnik Stirlinga jest silnikiem o spalaniu zewnętrznym. Oznacza to, że proces spalania odbywa się poza silnikiem, w przeciwieństwie do silników spalinowych tłokowych, gdzie spalanie odbywa się wewnątrz komory. Ciepło dostarczone z zewnątrz przekazywane jest do czynnika roboczego poprzez wymiennik ciepła, co daje możliwość wykorzystania do napędu urządzenia dowolnego paliwa.

Silnik może być bowiem zasilany nie tylko paliwami ciekłymi i gazem, tak jak w przypadku klasycznych tłokowych silników, ale również paliwami stałymi, takimi jak biomasa czy węgiel. Na bazie silników Stirlinga produkuje się również baterie słoneczne o sprawności dochodzącej do 45%.

Z punktu widzenia termodynamiki maszyna Stirlinga to urządzenie realizujące obieg określany teoretycznie jako zespół czterech przemian termodynamicznych (dwie izotermy i dwie izochory – rys. 1). W obiegu tym zamknięta w przestrzeni roboczej masa gazu przemieszcza się cyklicznie przy równoczesnych zmianach ciśnienia. Proces ten realizowany jest w idealnej maszynie Stirlinga przy założeniu, że cylindry są jednocześnie wymiennikami ciepła, a regenerator jest urządzeniem odwracalnym. Bilans energetyczny takiego idealnego regeneratora podczas jednego cyklu wynosiłby zero (Q2–3 – Q4–1).

Przedstawienie w taki sposób pracy urządzenia opiera się na założeniu, że pewna porcja gazu przemieszcza się w przestrzeni roboczej, przechodząc kolejno przemiany termodynamiczne. W przypadku rzeczywistej maszyny Stirlinga taka analiza jest niefizyczna i prowadzi do błędów nawet w przypadku czysto teoretycznych rozważań.

W rzeczywistym urządzeniu gaz roboczy zamknięty jest w przestrzeni składającej się z cylindrów oraz wymienników ciepła, w tym regeneratora. Podczas pracy urządzenia gaz przemieszcza się w przestrzeni roboczej i poddawany jest przemianom. Nigdy jednak nie dochodzi do sytuacji, w której opuszcza on całkowicie którykolwiek element przestrzeni roboczej. Innymi słowy, czynnik roboczy pozostaje podczas cyklu we wszystkich składowych przestrzeniach komory roboczej w temperaturze od nich zależnej.

   19.12.2011
Scentralizowana produkcja energii elektrycznej w elektrowniach, zwłaszcza spalających paliwa kopalne, w tym węgiel, jest kosztowna i obarczona dużymi stratami na przesyle. Średnia sprawność wytwarzania wynosi... więcej »
dr inż.  Marek  Prymon
dr inż.  Marek  Prymon
Politechnika Krakowska, Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza Wydział Inżynierii Środowiska więcej »
dr inż.  Jan Wrona
dr inż.  Jan Wrona
Politechnika Krakowska, Instytut Inżynierii Cieplnej i Ochrony Powietrza Wydział Inżynierii Środowiska więcej »

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Jak odzyskać 40% ciepła z wody prysznicowej »

 



Jak działają panele fotowoltaiczne » Projektujesz istalacje gazowe? To rozwiązanie jest dla Ciebie »
czytam więcej » spróbuj już dziś »

 


Rodzaje i zastosowanie kluczy płaskich »

 



Poznaj zalety pompy woda-powietrze » Kto wyznacza nowe standardy w projektowniu instalacji? »
pompy ciepła innowacyjne projektowanie instalacji
czytam więcej » czytam więcej »

 


Poznaj sprawdzone metody na pomiar spalin w zamkniętym pomieszczeniu »

pomiar spalin

 



Jakie produkty pomogą ci w walce o czyste powietrze » Czy da się wykonać serwis pompy ciepła bez problemów? »
program czyste powietrze serwis pompy ciepła
 czytam więcej » czytam więcej »

Dodaj komentarz
Nie jesteś zalogowany - zaloguj się lub załóż konto. Dzięki temu uzysksz możliwość obserwowania swoich komentarzy oraz dostęp do treści i możliwości dostępnych tylko dla zarejestrowanych użytkowników naszego portalu... dowiedz się więcej »

Co Szperacz wyszperał ;-)

źle wykonana instalacja

Sztywniactwo i niechlujstwo - zobacz i skomentuj »

Dla tych, którzy szukają bardziej elektryzujących wrażeń Szperacz ma dziś coś specjalnego - rozdzielnia w toalecie.

zaślepka


TV Rynek Instalacyjny


 tv rynek instalacyjny
4/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 4/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - Smart Buldings
  • - Budynki niemal zeroenergetyczne
Zobacz szczegóły
Dom Wydawniczy MEDIUM Rzetelna Firma
Copyright © 2011 - 2012 Grupa MEDIUM Spółka z ograniczoną odpowiedzialnością Spółka komandytowa, nr KRS: 0000537655. Wszelkie prawa w tym Autora, Wydawcy i Producenta bazy danych zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów zabronione. Korzystanie z serwisu i zamieszczonych w nim utworów i danych wyłącznie na zasadach określonych w Zasadach korzystania z serwisu.
realizacja i CMS: omnia.pl