Grafika - Zasada działania silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga

Silnik Stirlinga jest tłokową maszyną roboczą pracującą w obiegu zamkniętym z dowolnym gazem roboczym (np. hel, wodór, neon, powietrze) oraz z regeneracją ciepła przy stałej objętości. Jedną z pierwszych wersji takiego silnika skonstruował i opatentował w 1816r. Robert Stirling, w którym jako gaz roboczy zastosował powietrze. Silniki tego typu nazywane były silnikami na gorące powietrze.

W przestrzeni roboczej silnika Stirlinga zamknięta jest stała masa gazu roboczego, która uczestniczy w kolejnych cyklach jego pracy. Jeden z przykładów konstrukcji silnika Stirlinga przedstawiony jest na poniższym rysunku. Jest to silnik jednostronnego działania w układzie γ, na konstrukcji którego oparty jest prototypowy silnik SEPS-1 opracowany i zbudowany w Zakładzie Maszyn Cieplnych Okrętowych Wydziału Techniki Morskiej Politechniki Szczecińskiej. W silniku występuje tłok i wypornik, które poruszają się w dwóch oddzielnych cylindrach połączonych ze sobą dwoma kanałami. W jednym z kanałów znajduje się zespół wymienników ciepła: chłodnica K, regenerator R i nagrzewnica H. Wypornik wyprzedzający o kąt α ruch tłoka przemieszcza gaz roboczy między przestrzenią sprężania C a rozprężania E. Pod tłokiem znajduje się przestrzeń buforowa, której zadaniem jest zmniejszenie różnicy ciśnień na uszczelnieniach tłoka, w przypadku stosowania wysokich ciśnień gazu w przestrzeni roboczej.

Rozwiązanie konstrukcyjne silnika Stirlinga w układzie γ:
w – wypornik; t – tłok; p_g – ciśnienie gazu; p_b – ciśnienie w przestrzeni buforowej;
C – przestrzeń sprężania; E – przestrzeń rozprężania;
H – nagrzewnica; R – regenerator; K – chłodnica;
α – kąt przesunięcia fazowego; ω – prędkość kątowa

W celu zrealizowania obiegu cieplnego należy na przemian doprowadzać i odprowadzać ciepło z przestrzeni roboczej silnika, czyli nagrzewać i chłodzić czynnik roboczy. Realizacja tego procesu następuje w regeneratorze. Ze względu na to, że nie jest możliwa doskonała regeneracja ciepła, w celu zrealizowania odpowiedniej przemiany podczas trwania obiegu cieplnego należy doprowadzić do czynnika roboczego dodatkową ilość ciepła. Ponadto sprężanie i rozprężanie czynnika roboczego powinno przebiegać przy stałej temperaturze, dlatego należy nagrzewać gaz roboczy podczas przemiany rozprężania oraz oziębiać podczas przemiany sprężania. Realizacja tych procesów następuje odpowiednio w nagrzewnicy i w chłodnicy. Zachodzi zatem konieczność podzielenia przestrzeni roboczej silnika Stirlinga na przestrzeń nisko- i wysokotemperaturową oraz zapewnienia przemieszczania całkowitej masy gazu roboczego pomiędzy tymi przestrzeniami.

W rozwiązaniu konstrukcyjnym silnika Stirlinga przedstawionym na rysunku jako mechanizm roboczy zastosowano wodzikowy mechanizm korbowy zbudowany z dwóch wałów korbowych połączonych przekładnią zębatą. Jeden z nich współpracuje z tłokiem, a drugi z wypornikiem. Tłok oddziela niskotemperaturową przestrzeń sprężania od przestrzeni buforowej i zapewnia sprężanie czynnika roboczego, natomiast wypornik oddziela obie przestrzenie robocze, zapewniając przemieszczanie czynnika roboczego pomiędzy nimi. Z kolei oddzielenie przestrzeni roboczej od przestrzeni skrzyni korbowej umożliwiają dławnice trzonów tłoka i wypornika. Takie rozwiązanie wymaga zastosowania uszczelnień poszczególnych elementów mechanizmu roboczego, tj. tłoka i wypornika oraz dławnic trzonów tłoka i wypornika.

Informacje dotyczące silników oraz innych maszyn pracujących według obiegu Stirlinga będą sukcesywnie rozbudowywane, gdyż celem pracowników Zakładu jest propagowanie wiedzy na temat tych bardzo interesujących urządzeń.

Opracowanie

dr inż. Arkadiusz Zmuda

e-mail: arkadiusz.zmuda@zut.edu.pl

Wszelkie prawa zastrzeżone.
Kopiowanie i publikowanie jakichkolwiek elementów
zawartych na tych stronach bez zgody autora surowo zabronione.