Stirlingo variklis: veikimo principas, istorija ir taikymai

Stirlingo variklis - tai šilumos variklis, kuriame šiluma paverčiama naudinga mechanine energija judant stūmokliui variklio cilindre. Skirtingai nuo kitų įprastų šiluminių variklių, pavyzdžiui, automobiliuose naudojamų vidaus degimo variklių ir geležinkeliuose naudojamų garo variklių, šiame variklyje kiekvienai stūmoklio eigai pakartotinai naudojamos tos pačios dujos, todėl nėra triukšmingų išmetamųjų dujų. Tos pačios dujos pakartotinai šildomos ir aušinamos variklio cilindre.

Kad jis veiktų, reikia tiekti šilumą karštoms dalims šildyti. Tai gali būti ugnis, taip pat saulės spinduliai, karštos uolienos šalia ugnikalnio arba branduolinė energija. Jis taip pat turi šaltas dalis, kurios vėsina viduje esančias dujas, o šaltį jose palaiko virš jų tekantis oro arba vandens srautas.

Jį 1816 m. išrado škotų dvasininkas, kunigas daktaras Robertas Stirlingas.

Veikimo principas

Stirlingo variklis yra uždaros grandinės, išorinės kaitinimo (external combustion) variklis. Pagrindiniai elementai dažniausiai būna:

• karšta zona (kaitinimo paviršius),
• šalta zona (aušinimo paviršius),
• stūmoklis (power piston), kuris verčia mechaninį darbą,
• displacer'io stūmoklis (displacer), perkeliantis darbo dujas tarp karštos ir šaltos zonų,
• regeneratorius (dažnai šilumos kaupiklis), kuris laikinoje atmintyje saugo šilumą tarp dujų judesių ir ženkliai padidina efektyvumą.

Veikia cikliškai: kai darbo dujos šildomos – jų slėgis kyla ir stūmoklis atlieka darbą; tuomet dujos perkeliamas į šaltą zoną, jos atvėsta, slėgis krenta, ir ciklas kartojasi. Regeneratorius per kiekvieną perėjimą trumpam sugeria dalį šilumos iš karštų dujų ir grąžina ją, kai tos pačios dujos vėl grįžta į karštą zoną.

Darbinės dujos ir konstrukcijos tipai

Dažniausiai naudojamos darbo dujos: helis, vandenilis arba azotas. Helis ir vandenilis dėl aukštesnės šilumos laidumo suteikia didesnę galimą galios tankį, tačiau vandenilis reikalauja papildomų saugumo priemonių.

Pagal geometriją ir išdėstymą įprastai skiriami trys pagrindiniai tipai:

• Alpha – du atskiri stūmokliai (vienas karštoje, kitas šaltoje zonoje); didelė galia, bet sudėtingesnė konstrukcija;
• Beta – vienas stūmoklis su viduje esančiu displacer'iu; kompaktiškas ir populiarus mažose mašinose;
• Gamma – panašus į Beta, bet displacer'is ir stūmoklis montuojami atskirose cilindrese; paprastesnis montavimas.

Regeneratoriaus reikšmė

Regeneratorius – tai šilumos kaupiklis, paprastai metalinis porėtas elementas arba plieniniai vieliniai tinklai, kuris laikinai saugo šilumą tarp dujų persikėlimo ciklų. Geras regeneratorius gali ženkliai pagerinti variklio termodinaminį efektyvumą ir priartinti jį prie idealios Karno ribos.

Istorija ir raida

Stirlingo variklis išrado škotų inžinierius ir dvasininkas Robertas Stirlingas 1816 m. Pirmieji varikliai buvo kuriami kaip saugesnė alternatyva garo mašinoms, turinčioms atviros ugnies ir aukštą sprogimo pavojų. XIX a. laiku buvo statomi pramoniniai modeliai, tačiau didesnį paplitimą apribojo didesnės galios poreikis ir technologinės ribos.

XX a. ir vėliau Stirlingo variklių tyrimai atgijo: ieškota taikymų mažai vibracijai ir tyliai pavarai (pvz., generatoriams, povandeniniams laivams, kosmoso aparatams) bei kaip efektyvios saulės energijos konversijos įrenginių (koncentruotos saulės energijos įrangos) dalis. Buvo išbandytos ir laisvai stūmoklinės (free-piston) konstrukcijos, kurios leidžia integruoti tiesioginius elektros generatorius (lineariniai alternatoriai).

Efektyvumas ir privalumai

• Uždaro ciklo veikimas – nėra išmetamųjų dujų tiesiogiai iš variklio.
• Galima pasiekti aukštą termodinaminį efektyvumą; idealus Stirlingo ciklas yra analogiškas Karno ciklui ir teoriškai gali priartėti prie Karno efektyvumo, ypač naudojant efektyvų regeneratorių.
• Gali veikti su įvairiais šilumos šaltiniais – tinka atsinaujinančiai energijai ir atliekų šilumai.
• Tylus darbas ir mažos vibracijos, ypač free-piston konstrukcijose.
• Galima naudoti ir atvirkščiai – kaip šaldymo arba šilumos siurblių įrenginį.

Trūkumai ir techniniai iššūkiai

• Mažas galios tankis (žemesnė galia vienam tūriui) nei vidinių degimo variklių – reikia didesnių matmenų arba aukštesnių slėgių norint pasiekti didelę galią.
• Efektyvus šilumos mainų valdymas reikalauja geros konstrukcijos – sudėtinga optimizuoti šilumą perduodančias sritis ir regeneratorių.
• Slėgio sandarumas ir ilgaamžiškumas – būtini aukštos kokybės sandarikliai ir medžiagos, ypač kai dirbama su vandeniliu arba esant aukštoms temperatūroms.
• Gamybos kaštai ir medžiagų reikalavimai gali būti didesni nei paprastų vidaus degimo variklių.

Taikymai

Stirlingo varikliai turi įvairių praktinių taikymų:

• Kogeneracija (mikro-CHP) – mažoms pastatų šildymo ir elektros poreikiams, ypač kai norima tylos ir mažų emisijų.
• Saulės koncentravimo elektrinėse – Stirlingo varikliai gali būti varomi tiesiogiai saulės kolektorių (dish-Stirling) karščiu.
• Kosmosas ir radioizotopinės termoelektrinės – dėl aukšto efektyvumo ir patikimumo eksperimentuose naudojami Stirlingo RPS sprendimai.
• Kompaktiški generatoriai ir jachtų ar povandeninių platformų šaltiniai, kur reikalingas tylus ir efektyvus elektros generavimas.
• Šaldymo įrenginiai ir aušinimo sistemos – veikiant atvirkščiai, Stirlingo ciklas gali būti naudojamas kaip šaltkalnis ar šilumos siurblys.

Praktiniai pavyzdžiai ir modernūs sprendimai

Per pastaruosius dešimtmečius keletas bendrovių ir tyrimų grupių kūrė praktinius Stirlingo sprendimus: nuo mažų micro-CHP įrenginių iki didelių saulės-dish elektrinių. Atskiru atveju, laisvai stovintys (free-piston) Stirlingo generatoriai buvo naudojami kaip mažo triukšmo elektros šaltiniai, o regeneratorių technologijos – tobulinamos, kad būtų pasiektas geresnis efektyvumas.

Išvados

Stirlingo variklis yra lanksti, tyliai veikianti ir efektyvi technologija, ypač tinkama situacijoms, kur svarbu naudoti įvairius šilumos šaltinius arba kur reikia minimalios taršos ir triukšmo. Nepaisant to, praktiniai apribojimai – galios tankis, kainos ir mechaninės sudėtingumo klausimai – riboja plačią jo paskirtį kaip masinės transporto priemonės pavaros, tačiau jis išlieka patraukliu sprendimu specializuotoms pramonės, energetikos ir mokslinėms užduotims.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra Stirlingo variklis?

K: Kuo Stirlingo variklis skiriasi nuo kitų šilumos variklių?

K: Ko reikia Stirlingo varikliui veikti?

K: Kokios yra šaltosios Stirlingo variklio dalys ir kaip jos išlaikomos šaltos?

K: Kas išrado Stirlingo variklį?

K: Kokia yra Stirlingo variklio paskirtis?

K: Kokie yra Stirlingo variklio naudojimo privalumai?

Paieška pagal raidę