Silnik Stirlinga – czym jest i jaka jest zasada działania

Silnik Stirlinga to jeden z najciekawszych wynalazków XIX wieku. Działa na zasadzie podgrzewania i chłodzenia zamkniętej porcji gazu, dzięki czemu może wykorzystywać niemal dowolne źródło ciepła – od palnika, przez skupione promienie słońca, po ciepło odpadowe. Wyjaśniamy, czym jest silnik Stirlinga, jaka jest zasada jego działania i gdzie stosuje się go dziś.

Czym jest silnik Stirlinga?

To silnik cieplny o spalaniu zewnętrznym. W odróżnieniu od silnika samochodowego paliwo nie spala się w cylindrze – ciepło dostarczane jest z zewnątrz przez ściankę. W środku znajduje się stale ta sama porcja gazu roboczego: powietrza, helu lub wodoru. Gaz nie jest wymieniany, a jedynie przepływa między strefą gorącą a zimną.

Silnik opatentował w 1816 roku szkocki duchowny Robert Stirling. Miał być bezpieczniejszą alternatywą dla ówczesnych maszyn parowych, których kotły często eksplodowały.

Schematy odmian alfa, beta i gamma pokazuje hasło Silnik Stirlinga w Wikipedii.

Zasada działania krok po kroku

Działanie silnika Stirlinga opiera się na prostej obserwacji: gaz podgrzany rozpręża się, a ochłodzony – kurczy. Cykl pracy składa się z czterech faz:

1. Podgrzewanie – gaz przepływa do strefy gorącej i odbiera ciepło, jego ciśnienie rośnie.
2. Rozprężanie – gorący gaz pcha tłok roboczy i wykonuje pracę.
3. Chłodzenie – gaz przepływa do strefy zimnej, oddaje ciepło, ciśnienie spada.
4. Sprężanie – zimny gaz jest sprężany przy mniejszym nakładzie pracy, niż sam wykonał przy rozprężaniu. Różnica to użyteczna praca silnika.

Ważnym elementem jest regenerator – wypełnienie z cienkiej siatki lub drutu między strefą gorącą a zimną. Gaz płynący w jedną stronę oddaje mu część ciepła, a wracając – odbiera je z powrotem. Dzięki temu silnik nie marnuje energii na ciągłe podgrzewanie i chłodzenie gazu od zera.

W ujęciu termodynamicznym idealny cykl Stirlinga składa się z dwóch przemian izotermicznych (stała temperatura) i dwóch izochorycznych (stała objętość). Teoretyczna sprawność takiego cyklu z idealnym regeneratorem jest równa sprawności cyklu Carnota – najwyższej możliwej dla danej różnicy temperatur.

Rodzaje silników Stirlinga

• Alfa – dwa osobne cylindry z tłokami: gorący i zimny. Konstrukcja prosta, o dużej mocy z jednostki objętości, ale wymaga dobrych uszczelnień w gorącym cylindrze.
• Beta – jeden cylinder, w którym pracują tłok roboczy i tłok wypornik przesuwający gaz między strefami. To układ zastosowany w oryginalnym silniku Stirlinga.
• Gamma – wypornik i tłok roboczy w osobnych cylindrach. Łatwy do zbudowania, dlatego popularny w modelach edukacyjnych.

Istnieją też silniki z tłokiem swobodnym, w których tłoki nie są połączone wałem korbowym, a energię odbiera się np. prądnicą liniową. Takie układy są szczelne i bardzo trwałe.

Zalety i wady

Zalety: cicha praca, brak wybuchów w cylindrze, możliwość korzystania z dowolnego źródła ciepła (biomasa, słońce, ciepło odpadowe, izotopy), niskie zużycie oleju i niewielka emisja przy dobrze prowadzonym spalaniu na zewnątrz.

Wady: powolna reakcja na zmianę obciążenia (silnik musi się „rozgrzać”), duże i drogie wymienniki ciepła, trudność w uszczelnieniu lekkich gazów jak wodór i hel. Dlatego silnik Stirlinga nie zastąpił silników spalinowych w samochodach, mimo prób podejmowanych w XX wieku.

Gdzie stosuje się silnik Stirlinga?

• Okręty podwodne – szwedzkie jednostki typu Gotland mają napęd niezależny od powietrza z silnikami Stirlinga, co pozwala im długo pływać w zanurzeniu.
• Energetyka słoneczna – w instalacjach z lustrem parabolicznym silnik umieszczony w ognisku zamienia skupione światło na prąd.
• Mikrokogeneracja – domowe urządzenia wytwarzające jednocześnie ciepło i energię elektryczną.
• Chłodnictwo – odwrócony cykl Stirlinga służy w kriochłodziarkach, np. do chłodzenia czujników podczerwieni.
• Badania kosmiczne – NASA rozwijała generatory Stirlinga zasilane ciepłem rozpadu izotopów jako źródło prądu dla sond.

Zobacz też w Marunguli: cieple systemowym i zrzutach ekranu w laptopie.

Pytania i odpowiedzi

Czy silnik Stirlinga może działać od ciepła dłoni?

Tak – bardzo czułe modele niskotemperaturowe (LTD) pracują już przy kilku stopniach różnicy temperatur, np. postawione na kubku z gorącą herbatą lub na dłoni. Ich moc jest jednak symboliczna.

Dlaczego silnik Stirlinga nie jest używany w samochodach?

Wolno reaguje na zmiany obciążenia, potrzebuje czasu na rozgrzanie i wymaga dużych wymienników ciepła. W samochodzie, gdzie moc zmienia się co chwilę, te cechy są dużą wadą.

Jaki gaz jest najlepszy w silniku Stirlinga?

Najwyższe osiągi daje wodór, a potem hel – oba dobrze przewodzą ciepło. Są jednak trudne do uszczelnienia, dlatego w prostych silnikach używa się powietrza.

Na zdjęciu głównym: Niskotemperaturowy silnik Stirlinga na filiżance z gorącym napojem. Fot. Michele M. F. from Milano, Italy, Wikimedia Commons, CC BY-SA 2.0.

Tekst został utworzony przy pomocy sztucznej inteligencji (modeli językowych).