Wersja z 10:13, 23 lut 2015

Co się stało z silnikami Stirlinga?

Od prawie 200lat znane są w technice silniki cieplne zwane od nazwiska swojego wynalazcy silnikami Stirlinga. Ich wynalazca prowadził prace mające na celu budowę możliwie najbardziej sprawnego, czy też optymalnie działającego silnika cieplnego. Stirling podchodził do problemu w dość naukowy sposób. Tzn. silnik (jego teoretyczny obieg) został przeanalizowany i zweryfikowany obliczeniowo jeszcze przed zbudowaniem prototypu. Wszystko w teorii wyglądało bardzo obiecująco. W zasadzie do tej pory przyjmuje się, że powinny to być jedne z najsprawniejszych silników cieplnych. Dlaczego więc nie podróżujemy pojazdami napędzanymi silnikami Stirlinga mimo ich licznych zalet?

Rysunek silnika Stirlinga z oryginalnego patentu z 1816 r. Źródło: Wikimedia Commons, autor: Indian Institute of Technology, copy of image in Robert Stirling's patent of 1816.

Aby uzyskać z silnika tłokowego użyteczną moc, musi on rozwijać odpowiednio duży moment obrotowy lub osiągnąć dużą prędkość obrotową. Silniki Stirlinga nie osiągają dużych prędkości obrotowych, zajmijmy się więc momentem obrotowym. Zasadniczo będzie on zależał od siły działającej na tłok, a ta z kolei od ciśnienia czynnika roboczego w suwie pracy i powierzchni tłoka, na który to ciśnienie działa. To uproszczone rozumowanie pomoże nam zrozumieć problemy konstrukcyjne silników Stirlinga. Żeby silnik był czymś więcej niż modelem na biurku, albo musi być ogromny – mieć dużą średnicę tłoka roboczego, albo na tłok w czasie suwu pracy musi działać duże ciśnienie.

Typowy "biurkowy" model silnika Stirlinga z przełomu XX i XXI w. Średnica kół zamachowych: ok. 30mm. Należy go zaliczyć do grupy tzw. "gadżetów".

Na początku XIX w. silniki były używane głównie do napędu maszyn (np. pompy w kopalniach, centralny napęd maszyn w fabrykach) i silniki mogły być ogromne (średnice cylindrów roboczych większe niż 0,5-1 m były na porządku dziennym). Mimo to, już wtedy ulepszone przez Watta maszyny parowe wygrywały konkurencję z silnikami Stirlinga. Co prawda silniki Stirlinga były prostsze w konstrukcji i obsłudze, ale maszyn parowe, z uwzględnieniem całego systemu (kocioł-maszyna) i wszystkich ich wad były jednak bardziej sprawne (czytaj: tańsze w eksploatacji) i zapewniały większą moc. Nawet w systemach mobilnych takich jak statki i pociągi (w Anglii i Szkocji w połowie XIX w. była już rozwinięta sieć kolejowa) maszyny parowe sprawdzały się znacznie lepiej. Oczywiście tu i tam stosowano silniki Stirlinga, jednak nie zdominowały one rynku. Co więcej, częstokroć zastępowano zainstalowane silniki Stirlinga maszynami parowymi, a te które pozostały, już wtedy rozpatrywano w charakterze ciekawostek i zastosowań niszowych. W Europie chyba najbardziej znanymi silnikami Stirlinga z XIX w. były te stosowane w... pompkach do akwarium.

Ale wróćmy do tematu. Pod koniec XIX w. pojawiły się silniki wewnętrznego spalania zasilane najpierw gazem, a później paliwami płynnymi. W dodatku w napędach pojazdów pojawiły się również silniki elektryczne. W teorii silniki Stirlinga powinny być od nich wszystkich lepsze (cokolwiek to oznacza), więc cały czas świat nauki i techniki był nimi okresowo zainteresowany. Ponieważ budowa ogromnych gabarytowo silników Stirlinga straciła sens jeszcze w XIX w., próbowano budować małe silniki, ale o dużych ciśnieniach czynnika roboczego tak, aby tworzone systemy napędowe były konkurencyjne z silnikami spalinowymi. Szczyt prac nad takimi silnikami przypadł na lata pięćdziesiąte i sześćdziesiąte XX w. Oczywiście napotkano na znaczną grupę problemów, które mniej lub bardziej udało się rozwiązać. Jednak nie uzyskano zadowalającej sprawności i trwałości silników w szczególności w porównaniu do silników Diesla.

Komercyjnie dostępny generator elektryczny napędzany silnikiem Stirlinga firmy Philips z połowy XX w. (1953 r.). Moc elektryczna: ok. 180 W. Wysokość obudowy: ok 0.5 m. Źródło: Wikimedia Commons, autor: Norbert Schnitzler.

W kolejnych dekadach pojawił się pomysł wymiany czynnika roboczego. Do tej pory pod hasłem „czynnik roboczy” w silnikach Stirlinga rozumieliśmy zwykłe powietrze atmosferyczne. W pewnym momencie inżynierowie i naukowcy zadali pytanie, czy istnieje pod względem właściwości termodynamicznych coś lepszego? Tak. Mniej więcej od lat trzydziestych XX w. był dostępny w handlu w ilościach przemysłowych taki gaz. To hel. Zastosowanie helu jako czynnika roboczego zwiększa znacząco sprawność silników Stirlinga. Zastosowanie nowego czynnika spowodowało jednak zupełnie nowe problemy. Hel nawet w temperaturze pokojowej źle się przechowuje. Tzn. z uwagi na bardzo małe cząsteczki ma on tendencję do przenikania przez większość używanych w technice materiałów ze stalą na czele. W latach 60-tych i 70-tych badano silniki z helem. Ich cechą charakterystyczną widoczną na zdjęciach jest… doczepiona do silnika butla z helem służąca do uzupełniania gazu ulatniającego się z silnika praktycznie przez wszystkie jego elementy. Problem był poważny. Aby zapewnić konkurencyjność z innymi systemami silników (tzn. głównie silnikami spalinowymi) średnie ciśnienie w silnikach Stirlinga wynosiło 20..30 bar, a temperatura części gorącej silników (nagrzewnicy) nierzadko przekraczała 500 stopni Celcjusza (przy różnicy temperatur rzędu 400 stopni). Problemów szczelności silników pracujących „na helu” nie udało się rozwiązać w sposób praktyczny i ekonomiczny do dziś.

Pod koniec XX w. silniki Stirlinga wróciły jeszcze raz. Zarówno NASA, amerykański Departament Stanu jak i Unia Europejska zainwestowały w badania nowych generacji silników Stirlinga. Były one głównie przeznaczone do systemów solarnych (tzn. źródłem ciepła miało być światło słoneczne skupiane na nagrzewnicy silnika przez duże lustro paraboliczne). Wiele z tych silników miało konstrukcję bezkorbową. Ideą pomysłu było to, aby cały silnik wraz z generatorem elektrycznym zamknąć w szczelnej (dla helu) nierozbieralnej obudowie, godząc się na to, aby był on nie serwisowalny przez cały okres eksploatacji. Jednak i tym razem technologia zawiodła. Jeżeli uzyskiwano pozytywne rezultaty, to były one połączone ze zbyt dużymi kosztami. Cóż, najbardziej rozpowszechnionymi silnikami Stirlinga w XX w. pozostały produkowane w Indiach stołowo-biurkowe wentylatory konstrukcyjnie zbliżone do w/w pompek do akwarium...

Jednym z ostatnich pomysłów na wykorzystanie silników Stirlinga było „zejście z parametrów”. Tzn. znaleziono zastosowanie dla silników o gorszych parametrach i zasadniczo mniejszej sprawności niż silniki spalinowe i elektryczne. Mniej więcej na początku XXI w. pojawiła się idea odzyskiwania za pomocą silników Stirlinga energii traconej w procesach grzewczych, np. „wypuszczanej kominem” wraz ze spalinami z pieców CO. Jednak rachunek ekonomiczny nadal był przeciwko stosowaniu takich rozwiązań na szeroką skalę.

Oczywiście pomimo wszelkich problemów technologicznych silniki Stirlinga są produkowane i używane. Są to jednak bardzo specyficzne zastosowania, dzięki którym daje się uzasadnić wysokie koszty produkcji i/lub eksploatacji. Takie silniki pozostają sporą „egzotyka” w świecie techniki i zapewne większość czytelników tego tekstu nigdy takiego silnika nie spotka...

Komercyjnie dostępny generator elektryczny napędzany silnikiem Stirlinga firmy STM z początku XXI w. Moc elektryczna: ok. 38kW lub 65kW. Wysokość obudowy: ok 1 m. Źródło: Wikimedia Commons, autor: W.T.Shymanski.

Przytoczyliśmy powyżej pewien uproszczony rys historyczny trendów konstrukcyjnych silników Stirlinga. Oczywiście pominęliśmy w nim wiele konstrukcji zarówno entuzjastów jak i tych opracowanych w „poważnych” projektach badawczych (dotyczących choćby maszyn z płynnymi tłokami - „fluidyn”, silników termoakustycznych itp.). Nie zmienia to faktu, że od prawie 200 lat inżynierowie i naukowcy próbują zbudować sprawny i niezawodny silnik Stirlinga. Praktycznie, każde kolejne pokolenie inżynierów próbuje rozwiązać problemy tych silników, mając nadzieję, że umożliwi to postęp technologiczny jaki nastąpił w poprzednich 20-25 latach. Niestety wysiłki nadal okazują się nieskuteczne. Muszę przyznać, że najwyraźniej moje pokolenie też próbowało to zrobić i też mu się nie udało.

Zupełnie inna sprawa, że każde pokolenie inżynierów zaczyna swoje działania praktycznie od początku, w praktyce mając znacznie utrudniony dostęp do dokumentacji poprzednio prowadzonych prac... ale to znowu temat na zupełnie inną okazję.

Model silnika Stirlinga w układzie beta zaprojektowany i wykonany przez p. Rafała Chodorowskiego w ramach pracy inżynierskiej na wydziale SiMR Politechniki Warszawskiej (promotor: dr inż. Maciej Tułodziecki). Długość silnika: ok. 35cm.

Autor: dr inż Szymon Dowkontt