Silnik Stirlinga

Szukając coraz ciekawszych i bardziej efektywnych sposobów na wytwarzanie energii z różnych paliw, inżynierowie sięgają niekiedy po bardzo stare wynalazki. Jednym z nich jest silnik Stirlinga, opatentowany ponad 200 lat temu, w 1816 roku.

Silnik Stirlinga to dość dziwaczny silnik tłokowy. Jego nietypowość polega na tym, że podobnie jak w przypadku maszyny parowej, w samym silniku nie odbywa się proces spalania żadnego paliwa. Wyposażony jest w dwa tłoki i jeden lub dwa cylindry, ciepły oraz zimny, tj. ten, do którego należy dostarczać ciepło i drugi, który trzeba chłodzić. To właśnie ten proces przepływu ciepła przez silnik sprawia, że tłoki poruszają się, przekazując energię na wał korbowy.

Oczywiście źródłem energii może być proces spalania paliwa, ale nie jest to konieczne. Równie dobrze można wykorzystywać w nim energię słoneczną.

Jak działa silnik Stirlinga?

Zasada działania silnika Stirlinga jest pod pewnymi względami podobna bardziej do lodówki, niż do najbardziej rozpowszechnionego silnika spalinowego — diesla lub benzynowego. Występuje w dwóch rodzajach — alfa (dwa osobne cylindry) i beta (jeden cylinder z dwiema sekcjami). 

Czynnikiem roboczym w silniku jest gaz o dużym cieple właściwym oraz wysokim współczynniku przewodzenia ciepła, na przykład wodór lub hel. 

Gaz znajdujący się w ciepłym cylindrze ulega podgrzaniu, a więc zwiększa się jego objętość. Gaz przepycha tłok roboczy, oddając w ten sposób energię mechaniczną. 

Następnie, gaz trafia do drugiego, chłodzonego cylindra (albo do drugiej, chłodzonej części cylindra), w którym oddaje ciepło i zmniejsza swoją temperaturę oraz objętość. Cykl zamyka się, gdy gaz trafi do cylindra ogrzewanego.

Zalety silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga z całą pewnością ma kilka zalet, dzięki którym w najbliższym czasie może zyskać na popularności.

Pierwszą i podstawową jest fakt, że może wykorzystywać niemal dowolne źródło ciepła albo paliwo. Nie ma tu konieczności stosowania paliw o bardzo precyzyjnie regulowanej jakości, jak np. benzyny silnikowe czy gaz LPG lub gaz ziemny. Równie dobrze można do niego dostarczać ciepło ze spalania drewna, biogazu, śmieci, odpadowe ciepło z pieca do gotowania posiłków, czy energię słoneczną.

Drugą zaletą jest możliwość prowadzenia spalania paliwa w sposób bardzo precyzyjnie kontrolowany i ciągły. W przeciwieństwie do silników spalania wewnętrznego, gdzie mamy bardzo mało czasu (rzędu 1/10 sekundy) i możliwości technicznych na zapewnienie odpowiednio dokładnego i czystego spalania. W przypadku silnika Stirlinga możemy spaliny oczyścić równie skutecznie, jak w elektrowni czy ciepłowni. 

Z technicznego punktu widzenia, zaletą jest z całą pewnością dużo prostsza pod pewnymi względami konstrukcja, np. silnik pozbawiony jest mechanizmu rozrządu. Silnik jest niemal bezgłośny, co w przypadku niektórych zastosowań również może mieć niebagatelne znaczenie.

Zastosowania silnika Stirlinga

Silnik Stirlinga w przyszłości będzie najpewniej znajdował coraz szersze zastosowania, dzięki wspomnianym wyżej zaletom.

Ważne jest to, że nie jest to urządzenie pozbawione wad. Do nich należy m.in. problem z uszczelnieniem cylindrów, a silnik Stirlinga jest tym sprawniejszy, im wyższe ciśnienie gazu w nim panuje. To zaś bezpośrednio przekłada się na większe kłopoty z uszczelnieniem. 

Spodziewam się rosnącej popularności takich silników do wytwarzania energii elektrycznej. Ciekawostką pod tym kątem jest agregat prądotwórczy Philips MP1002CA z lat 1950-tych. Udało mi się dokopać do jego instrukcji obsługi. Agregat ważył ok. 30 kg w stanie suchym, wytwarzał prąd zmienny o napięciu 220 V i częstotliwości 50 Hz. Osiągał moc 180 W przy spalaniu 0,4 litra nafty na godzinę. Ponieważ nafta ma wartość opałową rzędu 9,8 kWh/l, łatwo można wyliczyć, że sprawność tego agregatu jest rzędu 5%.