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

Wybrane aspekty projektowania urządzeń pracujących w obiegu Stirlinga

Projektowanie urządzeń Stirlinga – wybrane aspekty - Mechanizmy robocze
Schemat urządzenia Stirlinga w konfiguracji alfa
Schemat urządzenia Stirlinga w konfiguracji alfa
arch. autora
Ciąg dalszy artykułu...

Mechanizmy robocze

Mechanizm roboczy, którego zadaniem jest realizacja obiegu cieplnego, jest bardzo ważnym elementem urządzenia czy maszyny. Jego cechy konstrukcyjne i eksploatacyjne niejednokrotnie decydują o tzw. dobroci urządzenia. W czasie eksploatacji urządzenia podlega on oddziaływaniu różnorodnych i zmiennych w czasie obciążeń, które są wynikiem oddziaływania czynników zewnętrznych i wewnętrznych.

Spośród dostępnych rozwiązań należy zawsze wybierać te, które będą optymalne pod względem funkcjonalności oraz korzyści technicznych i ekonomicznych.

Projektując mechanizm przeniesienia napędu, należy zwrócić uwagę przede wszystkim na następujące aspekty:

  • obciążenie,
  • stateczność,
  • dobór materiału,
  • elementy związane konstrukcyjnie,
  • względy ekonomiczne.

Szczególnie ważny jest dobór materiału, który w każdym przypadku musi sprostać stawianym wymaganiom technicznym.

Najczęściej spotykanym rozwiązaniem służącym zamianie ruchu postępowo-zwrotnego tłoków na ruch obrotowy jest klasyczny mechanizm korbowy, który może być i jest stosowany we wszystkich odmianach urządzenia Stirlinga.

Siła osiowa działająca w korbowodzie rozkłada się na dwie siły: prostopadłą i równoległą do denka tłoka.

Rys. 5. Schemat mechanizmu Ross-Yoke
Rys. 5. Schemat mechanizmu Ross-Yoke

Siła równoległa jest siłą boczną działającą prostopadle do powierzchni gładzi cylindra. Powoduje ona chwilowe jednostronne dociśnięcie tłoka do gładzi i w ten sposób nadmierne zużywanie się elementów kinematycznych.

W przypadku skojarzenia tłok – cylinder o ograniczonym smarowaniu lub wręcz bezolejowym skutkuje to wzrostem siły tarcia i rozszczelnieniem się układu. Dlatego w maszynach Stirlinga dąży się do eliminacji tej składowej siły lub znacznego jej ograniczenia.

Z tego powodu poszukuje się innych rozwiązań, których celem jest redukcja tych sił i związana z tym poprawa warunków pracy elementu uszczelniającego. Można tutaj wymienić choćby opatentowany w Stanach Zjednoczonych mechanizm Ross-Yoke (rys. 5).

Jest on znacznie bardziej skomplikowany od mechanizmu korbowodowego, a dokładny opis matematyczny jest bardzo złożony.

Działanie mechanizmu polega na tym, że ruch obrotowy wykorbienia r powoduje ruch wahadłowy końców jarzma zawieszonego na wahaczu, do końców którego przymocowane są korbowody z tłokami silnika. Był on stosowany w przeszłości np. w urządzeniach zbudowanych przez firmę Philips i Cambridge University.

Mechanizm Ross-Yoke daje bardzo małą wartość siły bocznej, a równocześnie nie wymaga stosowania wodzików, jakie zastosowano w rozwiązaniach komercyjnych typu Solo Stirling 161 (Solo) lub V160 (United Stirling).

Dokładny model matematyczny mechanizmu Ross-Yoke pozwala określić rozkład sił we wszystkich jego elementach, wyrównoważenie sił masowych, ale również zwymiarowanie oraz dobór elementów samego mechanizmu roboczego [25].

Wadą mechanizmu Ross-Yoke jest to, że jego wymiary determinują wymiary geometryczne silnika. Dotyczy to średnicy cylindrów oraz skoku tłoków.

Te dwa parametry są ściśle powiązane z wymiarami jarzma mechanizmu (rys. 5).

Z innych mechanizmów zastosowanych w silnikach Stirlinga można wymienić m.in. mechanizm romboidalny czy ze skośną tarczą.

Wnioski

Optymalizacja procesu termodynamicznego, zmniejszenie ciśnienia roboczego, zmniejszenie prędkości obrotowej oraz zastosowanie nowych materiałów to wyzwania, przed którymi w dalszym ciągu stoją konstruktorzy, a ich spełnienie mogłoby się przyczynić do znacznego obniżenia ceny urządzeń Stirlinga i ich większej popularyzacji.

Już budowane urządzenia Stirlinga mogą być alternatywą dla stosowanych powszechnie silników cieplnych ze spalaniem wewnętrznym oraz chłodziarek realizujących obieg Lindego. W ciągu ostatnich kilku dekad firmy zaprojektowały i zbudowały urządzenia realizujące obieg Stirlinga mogące znaleźć zastosowanie w agregatach kogeneracyjnych, pojazdach, statkach powietrznych, okrętach, gazowych pompach ciepła czy jako dodatkowe źródło mocy w różnych urządzeniach.

Naukowcy wraz z inżynierami wracają do koncepcji maszyny Stirlinga, ponieważ jej cechy, takie jak 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. Powrót do znanej od niemal 200 lat idei obiegu Stirlinga jest możliwy dzięki znacznemu postępowi w inżynierii materiałowej oraz rozwojowi technik komputerowych.

Przykładem spektakularnego zastosowania silników Stirlinga ze względu na ich zalety są okręty podwodne – szwedzkie typu A26 z silnikami Stirlinga MkIV budowane przez stocznię Kockmus oraz okręty japońskie typu Soryu produkowane przez Kawasaki Heavy Industries. Użytkownicy cenią sobie szczególnie łatwość ich utrzymania, bardzo niską awaryjność oraz, co ważne, niski koszt w stosunku do innych napędów alternatywnych mających zastosowanie na okrętach podwodnych.

Literatura

1. Andraka C.E. et al., Solar Heat Pipe Testing of the Stirling Thermal Motors 4-120 Stirling Engine, Paper No. 96306, Proceedings of the IECEC, Washington, D.C., 1996.
2. Nuorkivi A. Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej (CHP). Ciepłownictwo (DH), Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A.
3. Backhaus S., Swift G.W., A thermoaccustic Stirling heat engine, Journal of the Acoustical Society of America” 107:3148-3166, June 2000.
4. Biedermann F. et al., Small-scale CHP Plantbased on a 75kWel Hermetic Eight Cylinder Stirling Engine for Biomas Fuels – Development, Technology and Operating Experiences, 2nd World Conference and Exhibition on Biomas for Energy, Industry and Climate Protection, 10–14 May, Rome, Italy.
5. Borelowski M., Wołek M., Wrona J., Badania właściwości bezsmarowych skojarzeń ślizgowych dla sprężarek chłodniczych, Monografia 225: „Wybrane zagadnienia ochrony powietrza w inżynierii cieplnej”, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej nr 225, Kraków 1998, s. 41–55.
6. Chen N.C.J., Griffin F.P., A Review of Stirling Engine Mathematical Models, Oak Ridge National Laboratory.
7. Thombarea D.G., Verma S.K., Technological development in the Stirling cycle engines, Renewable and Sustainable Energy Reviews”, 2008.
8. Finkelstein T., Organ A., Air engines, The American Society of Mechanical Engineers, New York 2001.
9. Urieli I., Berchowitz D., Stirling Cycle Engine Analysis, Intl. Public Service, 1984.
10. Kirillov N.G., Power Units Based on Stirling Engines: New Technologies Based on Alternative Fuels, „Russian Engineering Research” Vol. 28, No. 2/2008, p. 104–110.
11. Wołek M., Gołąb A., Sprężarki tłokowe nie zanieczyszczające olejem smarnym środowiska, Monografia 195, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, Seria: „Inżynieria Sanitarna i Wodna”, Kraków 1995.
12. Chen N.C.J., Griffin F.P., A Review of Stirling Engine Mathematical Models, Oak Ridge National Laboratory.
13. Organ A., The Regenerator and the Stirling Engine, Mechanical Engineering Publications Limited, London 1997.
14. Petersen H., The properties of helium, Danish Atomic Egergy Commission, Research Establishment Riso Report No. 224.
15. Prymon M., Wrona J., Stirling cycle as an alternative in the construction of refrigeration machinery, „Czasopismo Techniczne” IS. 28, rok 109, No. 4-Ś/2012, p. 157–165.
16. Schnotale J., Wrona J., Gołąb A., Wyniki badań sprężarki tłokowej bezolejowej, Investigation of a non-lubricated reciprocating compressor, X International Conference Air Conditioning Protection & District Heating, Wrocław – Szklarska Poręba, June 2002, p. 509–514.
17. Stirling engine assessment, EPRI, Palo Alto, Ca: 2002, 1007317.
18. Swift G. W., Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators, Los Alamos National Laboratory, Acoustical Society of America, 2002.
19. Finkelstein T., Organ A.J., Air Engine, ASME Press, 2001.
20. Thombarea D.G., Verma S.K., Technological development in the Stirling cycle engines, „Renewable and Sustainable Energy Reviews”, 2008.
21. Walker G., Stirling engines, Oxford 1980.
22. Wołek M., Wrona J., Borelowski M. et al., Nowe materiały skojarzeń ślizgowych bezsmarowych umożliwiające ograniczenie emisji ozonodestrukcyjnych dla jonosfery freonów, Projekt badawczy nr 7S 201 063 05, Politechnika Krakowska, Kraków.
23. Wrona J., Cogeneration unit ACSS1 with Stirling engines as an alternative for generators-powered by internal combustion engines, „Europejski wymiar bezpieczeństwa energetycznego a ochrona środowiska : bezpieczeństwo – edukacja – gospodarka – ochrona środowiska – polityka – prawo – technologie”, Fundacja na rzecz Czystej Energii, Poznań 2014.
24. Wrona J., Stirling machines selected design issues and problem solutions based on the cooling appliance design example, „Aktualne zagadnienia energetyki”, Wrocław 2014.
25. Wrona J., Prymon M., opracowania własne niepublikowane.
26. Yuki Uedaa, Tetsushi Biwaa, Taichi Yazakib, Uichiro Mizutania, Construction of a thermoacoustic Stirling cooler, „Physica” B 329–333 (2003) 1600 –1601.
27. Żmudzki S., Silniki Stirlinga, WNT, Warszawa 1993.
28. Materiały: ThyssenKrupp Marine Systems AB.
29. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/28/WE z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE (Dz. Urz. UE L 140.16 z 5.06.2009).

Czytaj też: Sprawność i koszty eksploatacyjne wybranych systemów c.o. i c.w.u. w budynkach wielorodzinnych >>>

Chcesz być na bieżąco? Czytaj nasz newsletter!
   07.06.2016

Komentarze

(0)

Wybrane dla Ciebie

 


Czym mogą Cię zaskoczyć nowoczesne pompy do wody »

pompy do wody

 



Zadbaj o bezpieczeństwo swoje i swoich pracowników » Szukasz partnera w projektowaniu inżynieryjnym i specjalistycznym? »
bezpieczeństwo instalatora pomoc w projektowaniu
czytam więcej » poznaj go już dziś »

 


Jak projektować instalacje najwyższej jakości »

innowacyjne projektowanie

 



Poznaj bezpieczne systemy do dezynfekcji wody pitnej i basenowej » Jakich zabezpieczeń wentylatorów dachowych potrzebujesz »
czysta woda wentylator dachowy
wiem więcej » spróbuj już dziś »

 


Czy klimatyzacja jest zdrowa »

wentylacja

 



Kompendium wiedzy o procesach wymiany ciepła » Czy ogrzewanie może wpływać na nasze zdrowie »
pompy woda powietrze pompy ciepła
wiem więcej » wiem więcej »

 


Jak dobrze odseparować wodę kanalizacyjna od gruntowej »

studzienka kanalizacyjna

 


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
7-8/2019

Aktualny numer:

Rynek Instalacyjny 7-8/2019
W miesięczniku m.in.:
  • - WT 2021 dla budynków wielorodzinnych
  • - Klimakonwektory, belki i sufity chłodzące
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