Współczesne zastosowania maszyn Stirlinga

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.

Stanowią one przestrzeń szkodliwą urządzenia, zatem dąży się do ich minimalizacji. Dlatego do teoretycznej analizy obiegu należy wykorzystać metody uwzględniające opisany powyżej charakter procesów zachodzących w maszynie Stirlinga, takie jak np. analiza Schmidta (izotermiczna) lub analiza adiabatyczna. Stan gazu podczas obiegu w układzie ciśnienie – objętość przedstawiono na wykresie (rys. 2).

Teoretyczna efektywność idealnego obiegu Stirlinga, bez względu na zastosowaną metodę analizy, jest równa efektywności obiegu Carnot i wyższa niż obiegu Diesla czy Otto. Wynika to z izotermicznych przemian, podczas których następuje wymiana ciepła z zewnętrznymi źródłami. W rzeczywistości nie można zbudować idealnej maszyny Stirlinga działającej według przedstawionego na wykresach obiegu (rys. 1 i 2) ze względu na nieodwracalność rzeczywistych przemian energii. Ta sama zasada dotyczy jednak wszystkich obiegów termodynamicznych, przy czym silnik Stirlinga pozostaje jak do tej pory jedyną maszyną cieplną możliwą do zbudowania, która ma sprawność  teoretyczną obiegu Carnot.

Pod względem konstrukcji urządzenia realizujące obieg Stirlinga można podzielić, uwzględniając konfigurację geometryczną, na trzy grupy – alfa, beta, gamma (rys. 3–5) – oraz dodatkową konfigurację, czyli urządzenia termoakustyczne z tzw. falą biegnącą [1–4, 6]. Największą efektywność osiągają urządzenia typu alfa ze względu na najmniejszą liczbę procesów nieodwracalnych oraz najmniejszą przestrzeń szkodliwą. Wadą tej konfiguracji jest konieczność uszczelnienia obydwu tłoków. Z tego względu większość produkowanych urządzeń chłodniczych pracujących w obiegu Stirlinga działa w konfiguracji beta.

Przykładami mogą być: chłodziarka opracowana przez firmę Global-Cooling, która osiąga współczynnik efektywności ziębniczej (COP) równy 2 przy różnicy temperatur 35 K, silniki GPU3 General  Motors [2], MP1002CA Philips [2] czy Allison PD-46 [1]. Badania eksperymentalne ziębiarki Stirlinga w układzie alfa „V-90o” przedstawiono w publikacji [12]. Testy wykonano dla helu oraz argonu przy różnych ciśnieniach napełnienia.

Innym spotykanym obecnie rozwiązaniem wykorzystującym obieg Stirlinga są urządzenia termoakustyczne z falą biegnącą [17]. Stosowane są głównie w kriogenice ze względu na brak tłoków i innych elementów ruchomych zlokalizowanych w okolicy niskotemperaturowych  wymienników ciepła. Pozwala to uniknąć problemów materiałowych, a chłodziarki typu puls-tube mogą osiągać temperatury rzędu 10 K.

Urządzenia termoakustyczne [6] mają zwykle niższą sprawność od odpowiadających im innych urządzeń Stirlinga, co wynika z dyssypacji energii w gazie oraz przewodzenia ciepła (często stosuje się dodatkowe wymienniki ciepła przy „zimnym” końcu urządzenia w celu złagodzenia skutków tego procesu). Jednak w tym przypadku sprawność nie jest najważniejszym parametrem, a głównym celem jest osiągnięcie ekstremalnie niskich temperatur. Silniki termoakustyczne z falą biegnącą są obecnie w fazie prototypów.

Zastosowanie maszyn Stirlinga i perspektywy rozwoju

Silniki

Maszyny Stirlinga zostały pierwotnie zbudowane jako silniki, a wraz z rozwojem tej technologii były również stosowane jako chłodziarki oraz pompy ciepła. Ze względu na wysoką sprawność energetyczną silniki Stirlinga znajdują dziś zastosowanie w kogeneracji i są obiecującym rozwiązaniem dla napędów hybrydowych. Przykładem może tutaj być silnik typu free piston [21], gdzie energia elektryczna produkowana jest przez liniowy generator zamknięty w hermetycznej obudowie silnika i z nim połączony lub silnik wyposażony w wymiennik ciepła montowany bezpośrednio w palenisku [18], o mocy elektrycznej 75 kWe i mocy cieplnej 475 kW.

Zaletą maszyn Stirlinga jest możliwość spalania tanich biopaliw bez konieczności stosowania obiegów pośredniczących, jak w przypadku maszyn parowych, co przyczynia się do znacznego obniżenia ich sprawności. Skojarzone wytwarzanie ciepła charakteryzuje się obecnie najkrótszym czasem zwrotu spośród wszystkich inwestycji w odnawialne źródła energii.

Przeczytaj także Projektowanie zintegrowane – co nas czeka? »

Ze względu na sprzyjające przepisy prawne jest to bardzo dynamicznie rozwijająca się dziedzina gospodarki energetycznej na świecie. Jednym z rozwiązań technologicznych układów kogeneracyjnych wymienianych przez dyrektywę unijną CHP są właśnie układy z silnikami Stirlinga [8–10]. W dyrektywie szczególnie podkreślono również aspekt ekologiczny stosowania tych układów, a w szczególności redukcję CO2.

W tab. 1 zestawiono emisję CO, CHx i NOx do atmosfery podczas pracy urządzeń napędzanych różnymi silnikami. W przypadku silnika Stirlinga wartości te należą do najniższych. W przypadku układów kogeneracyjnych zastosowanie silnika Stirlinga jest szczególnie korzystne, gdyż jest to jedyna obecnie uzasadniona ekonomicznie technologia umożliwiająca prowadzenie na małą i średnią skalę skojarzonej produkcji energii na bazie paliw stałych (szczególnie biomasy). Zastosowanie biomasy pozwala osiągnąć dużo korzystniejsze wskaźniki ekonomiczne w porównaniu do klasycznie stosowanych instalacji zasilanych gazem ziemnym.

Kotły na biomasę są obecnie urządzeniami w zasadzie automatycznymi, a zasyp zasobnika paliwem wystarcza na długi okres pracy, zależny od wielkości zasobnika i mocy urządzenia. Konkurencyjne (ze względu na osiągane moce) mikroturbiny gazowe, o mocach od 35 do 200 kWe, napędzane są wysokoenergetycznymi paliwami kopalnymi, głównie gazem ziemnym (nie ma możliwości zasilania ich biomasą).

Ciekawym zastosowaniem jest wykorzystanie silnika Stirlinga do budowy baterii słonecznej. W tym przypadku promieniowanie słoneczne skupione jest w wymienniku ciepła stanowiącym dwufazowy termosyfon z sodem jako czynnikiem obiegowym [19, 20]. Instalacje tego typu wykazują znacznie wyższą sprawność niż fotowoltaiczne baterie słoneczne.

W tab. 2 porównano sprawność silnika Stirlinga (na podstawie zbudowanych i wdrożonych już urządzeń) i tradycyjnych silników pracujących według innych obiegów. Zbudowane do tej pory silniki mają szeroki zakres mocy – od kilku kW do ponad 1 MW – i dużą sprawność, najczęściej większą niż silniki ze spalaniem wewnętrznym. W tab. 3 przedstawiono podstawowe dane techniczne wybranych silników Stirlinga zbudowanych w ostatnich kilkudziesięciu latach.

Urządzenia chłodnicze

W 1987 r. w Montrealu podpisano międzynarodowe porozumienie w sprawie przeciwdziałania dziurze ozonowej, na podstawie którego związki zubożające warstwę ozonową oraz przyczyniające się do globalnego ocieplenia są sukcesywnie wycofywane z produkcji i użycia. Dodatkowym skutkiem wymiany czynników ziębniczych na nowe jest często konieczność zmiany konstrukcji samych urządzeń chłodniczych.

Wprowadzone na rynek nowe czynniki, takie jak R134a, miały zastąpić dotychczas stosowane substancje jedynie czasowo. W ostatnich dwóch dekadach większość krajów rozwiniętych zdecydowała się na wycofanie z użycia związków HCFC oraz CFC [11], a laboratoria nadal pracują nad nowymi czynnikami chłodniczymi.

Z dużymi kosztami wiąże się też wycofanie ze stosowania czynnika R22, który wykorzystywany jest obecnie w większości instalacji przemysłowych oraz w klimatyzacji. Alternatywą dla stosowanych obecnie powszechnie obiegów parowych może być wykorzystanie w chłodziarce obiegu gazowegorealizującego obieg Stirlinga. Zastosowany w nich jako czynnik roboczy hel jest bezpieczny pod względem toksyczności i palności (safety group A1) oraz charakteryzuje się ODP (potencjałem niszczenia warstwy ozonowej) równym zeru.

Znacznie mniejsza liczba części ruchomych niż w tradycyjnych ziębiarkach oraz prostszy układ automatyki wpływają na zwiększoną niezawodność i trwałość tego typu urządzeń. Efektem ich wdrożenia do masowej produkcji będzie obniżenie zużycia energii związanej z eksploatacją klimatyzatorów, chłodziarek domowych oraz pomp ciepła, gdyż urządzenia te charakteryzują się wyższym  współczynnikiem efektywności (teoretyczny obieg Stirlinga posiada maksymalną możliwą sprawność termodynamiczną).

Wnioski

Maszyny Stirlinga stanowią realną alternatywę dla stosowanych obecnie technologii jako silniki cieplne oraz urządzenia chłodnicze. W ciągu kilku ostatnich dekad firmy projektujące i budujące urządzenia realizujące obieg Stirlinga podjęły próby jego zastosowania w napędach pojazdów i statków powietrznych oraz w gazowych pompach ciepła, a także jako dodatkowego źródła mocy w innych urządzeniach.

Podstawową barierą dla rozwoju tej technologii jest obecność na rynku rozwiązań konkurencyjnych w postaci dobrze dopracowanych klasycznych technologii. Ze względu na masową produkcję koszty wytwarzania urządzeń klasycznych są bardzo niskie, co utrudnia wejście na rynek nowych produktów. Jednak wyśrubowane wymagania dotyczące emisji gazów cieplarnianych i freonów oraz rosnące ceny energii sprawiają, że w ostatnim dziesięcioleciu znacznie wzrosło zainteresowanie maszynami Stirlinga, o czym świadczą wdrożenia komercyjne, zarówno silników, jak i chłodziarek.

W konstrukcjach urządzeń Stirlinga zaobserwować można ostatnio nowe tendencje – obniżania ciśnienia roboczego i optymalizacji procesu termodynamicznego. Ma to szczególne znaczenie w przypadku silników, gdyż duże ciśnienie robocze i wysoka temperatura źródła ciepła wymagają stosowania drogich i trudnych w obróbce materiałów.

Dodatkowym parametrem, którego wartość można zmienić, jest prędkość obrotowa (częstotliwość tłoka) powodująca duże straty tarcia i skracająca żywotność silnika. Zstosowanie jako czynnika roboczego helu lub wodoru wymaga zwrócenia szczególnej troski na zastosowane uszczelnienia, w celu wyeliminowania „przecieków” gazu. Z tego względu niektóre firmy próbują zastąpić powyższe gazy powietrzem lub azotem, co wiąże się z obniżeniem sprawności maszyn.

Do najważniejszych zalet silnika Stirlinga należą oszczędności wynikające z wyższej sprawności urządzeń oraz możliwość zastosowania różnorodnego paliwa, a także cicha praca, mały wpływ na środowisko i niezawodność działania.

Literatura

1. Martini W.R., Stirling Engine Design Manual, University Press of the Pacific, Honolulu 2004.
2. Organ A.J., The Regenerator and the Stirling Engine, John Wiley & Sons, New York 1997.
3. Finkelstein T., Organ A.J., Air Engine, ASME Press, 2001.
4. Thombarea D.G., Verma S.K., Technological development in the Stirling cycle engines, „Renewable and Sustainable Energy Reviews”, 2008.
5. Majeski J., Stirling Engine Assessment – Report, EPRI 2002.
6. Swift G.W., Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators, Los Alamos National Laboratory, Acoustical Society of America 2002.
7. Kirillov N.G., Power Units Based on Stirling Engines: New Technologies Based on Alternative Fuels, „Russian Engineering Research” Vol. 28, No. 2/2008.
8. Nuorkivi A., Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej (CHP). Ciepłownictwo (DH), Krajowa Agencja Poszanowania Energii S.A.
9. 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 (DzU nr L 140 z 5.06.2009 r.).
10. Dyrektywa 2004/8/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii oraz zmieniająca dyrektywę 92/42/EWG (DzU nr L 52 z 21.02.2004 r.)
11. Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2037/2000 z 29 czerwca 2000 r. w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową (DzU nr L 244 z 29.09.2000 r.).
12. Sun Le’an, Zhao Yuanyang, Li Liansheng, Shu Pengcheng, Performance of a prototype Stirling domestic refrigerator, „Applied Thermal Engineering” No. 29/2009.
13. Tijani M.E.H., Spoelstra S., Study of a coaxial thermoacoustic – Stirling cooler, „Cryogenics” No. 48/2008.
14. Yuki Uedaa, Tetsushi Biwaa, Taichi Yazakib, Uichiro Mizutania, Construction of a thermoacoustic Stirling cooler, „Physica B”, 2003.
15. Shaowei Zhu, Yoichi Matsubara, Numerical method of inertance tube pulse tube refrigerator, „Cryogenics” No. 44/2004.
16. en.wikipedia.org.
17. Swift G.W., Thermoacoustics: A unifying perspective for some engines and refrigerators, Los Alamos National Laboratory, Acoustical Society of America, 2002.
18. Biedermann F., Carlsen H., Obernberger I., Schoch M., Small-scale CHP Plant based on a 75 kWe Hermetic Eight Cylinder Stirling Engine for Biomass Fuels – Development, Technology and Operating Experiences, 2nd World Conferenceand Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protection, Rome 2004.
19. Diver R.B., Andraka C.E., Moreno J.B., Adkins D.R., Moss T.A., Trends in Dish-Stirling Solar Receiver Design, Proceedings of the IECEC, Reno 1990.
20. 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 1996.
21. Backhaus S., Swift G.W., A thermoaccustic Stirling heat engine, „Journal of the Acoustical Society of America”, June 2000.