Silnik Stirlinga – jak działa i jakie są jego zastosowania

Był rok 1816 i pan Stirling wynalazł swój silnik. Jest to silnik o spalaniu zewnętrznym, ale w przeciwieństwie do silnika parowego ma znacznie większą wydajność, porównywalną nawet z silnikiem o spalaniu wewnętrznym.

Czym jest silnik Stirlinga?

Silnik Stirlinga to silnik wykorzystujący spalanie zewnętrzne. W przeciwieństwie do silnika spalinowego, silnik ten nie potrzebuje mieszanki wybuchowej. Wykorzystuje on różne temperatury gazów do działania w tak zwanym procesie sprężania i rozprężania, gdzie w jednym cylindrze znajduje się gorące powietrze, a w drugim zimne, gdzie powietrze jest wtłaczane przez regulator. Ta różnica temperatur i doładowanie powoduje ruch, więc przekształca energię cieplną w energię ruchu. Silnik Stirlinga wyposażony w dwa cylindry nazywa się Alpha, jego jednocylindrowa wersja to Beta, a z tłokiem umieszczonym we własnym cylindrze, w którym gaz może swobodnie przepływać między cylindrami, to Gamma.

Dla uproszczenia wyobraźmy sobie dwa cylindry, jeden z gorącym powietrzem, a drugi chłodzony zimnym powietrzem. Aby wszystko działało dobrze, potrzebny jest regulator „wymiennika”, który przechowuje energię cieplną i łączy dwa cylindry. Regulując temperaturę i ich różnice, cylindry poruszają się.

Silnik Stirlinga w wersji Alfa

Jak opisano powyżej, wersja Alfa tego typu silnika działa z dwoma cylindrami. Oba cylindry są oczywiście rozdzielone i jeden z nich jest tzw. zimny, a drugi ciepły. W praktyce oznacza to, że podczas pracy silnika ciepły cylinder jest dosłownie zasilany ciepłem (wystawiony na działanie wysokiej temperatury), co podnosi jego temperaturę. Zimny cylinder jest poddawany intensywnemu chłodzeniu. Pomiędzy tymi cylindrami powietrze przepuszczane jest przez regulator. Ze względu na różne wartości cieplne cylindrów oraz, oczywiście, rozprężanie i sprężanie, tłoki poruszają się, generując w ten sposób energię ruchu. Jest to podstawowy model silnika Stirlinga.

Silnik Stirlinga przenosi silnik Beta

Zasada działania silnika Beta jest taka sama jak poprzedniego modelu. Różnica polega jednak na tym, że wersja Beta działa tylko z jednym tłokiem. Działa z gorącym gazem na jednym końcu i zimnym gazem na drugim. Aby umożliwić ruch tłoka, istnieje również „dmuchawa”, która przenosi gazy z jednej strony tłoka na drugą.

Silnik Stirlinga w wersji Gama

Gamma działa podobnie do Bety, ale z tą różnicą, że tłok znajduje się we własnym cylindrze, a gazy swobodnie przepływają między tłokami. Ten typ silnika ma oczywiście niższy stopień sprężania, ale jest prostszy.

Gdzie stosowano silnik Stirlinga

Chociaż silnik Stirlinga charakteryzował się wysoką wydajnością, niestety jego potencjał musiał ustąpić miejsca silnikowi spalinowemu, ze względu na jego prostszą konstrukcję i mniejsze rozmiary, a także wyższą moc wyjściową (biorąc pod uwagę jego rozmiar). Silnik Stirlinga był używany głównie jako zamiennik silników parowych, głównie o mocy do 5 kW.

Chłodnica

Ważnym aspektem dla prawidłowego funkcjonowania tego silnika jest radiator. Radiator jest zwykle podłączony do obwodu, w którym przemieszcza się płyn chłodzący, taki jak płynna „woda”. Jego zadaniem jest chłodzenie środowiska, przez które przepływa i odprowadzanie z niego temperatury. Na przykład w nowoczesnych samochodach obwód chłodzenia silnika jest następnie wykorzystywany do ogrzewania kabiny samochodu. Aby osiągnąć większą wydajność w silniku Stirlinga, konieczne jest, aby różnica między gorącą i zimną komorą była jak największa, co oczywiście wymagałoby dużego medium chłodzącego lub dużej wydajności chłodzenia.

Regenerator

Ten element pozwala silnikowi Stirlinga na zwiększenie wydajności. Nie ma sensu opisywać go w skomplikowany sposób i przybliżać całej fabuły, w końcu jesteśmy entuzjastami motoryzacji, a nie inżynierami. Regenerator ma za zadanie zatrzymywanie ciepła poprzez naprzemienne przepuszczanie przez niego gorącego i zimnego gazu w jednym i drugim kierunku.

Paliwo do silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga ma szeroki zakres paliw. Można zatem powiedzieć, że może być zasilany niemal wszystkim, co generuje ciepło, nawet ze źródeł odnawialnych. To sprawia, że silnik Stirlinga ma najszerszy zakres paliw w historii. Z tego powodu może on osiągać niskie standardy emisji. Kiedy więc może być wykorzystywany jako paliwo?

• Gaz ziemny
• Paliwa stałe
• Energia słoneczna
• Biomasa
• Itp

Interesujące fakty na temat silnika Stirlinga

• Napęd łodzi podwodnych
• Napęd statków kosmicznych
• Wytwarzanie energii

W dobie ekonomistów i poszukiwania alternatywnych źródeł energii, może istnieć wiele innych zastosowań dla tego inżynieryjnego klejnotu. Być może w przyszłości usłyszymy o nim znacznie więcej.

Zdjęcie podglądowe: By Norbert Schnitzler – Own work, CC BY-SA 3.0