-1-

LABORATORIUM KONWERSJI ENERGII

1. Opracowanie teorii

Silnik cieplny Stirlinga został opatentowany w 1816 roku przez szkockiego

duchownego Roberta Stirlinga.

Zasada działania tego silnika polega dostarczaniu energii

cieplnej z zewnątrz do ogrzania naszego czynnika roboczego (jest nim dowolny sprężony
gaz, najczęściej wodór, hel lub powietrze) i przetwarzaniu tej energii na energię
mechaniczną lub elektryczną.

Podstawowa konfiguracja silnika to

układ dwóch połączonych ze sobą cylindrów

(ciepłego i zimnego), tak aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o
¼ cyklu ruchu.

Zasada działania silnika jest stosunkowo prosta. Gaz zostaje ogrzewany w cylindrze

ciepłym i powiększą swoją objętość, następnie zostaje przepompowany do cylindra zimnego,
gdzie zmniejszą swoją objętość i przy minimalnej objętości
jest przepompowany do cylindra ciepłego. Dzięki różnicy
temperatur obu cylindrów mamy ruch.

Silnik Stirlinga może również składać się z jednego

cylindra, który zbudowany jest tak, że jeden z końców
cyl

indra jest ciepły a drugi zimny-jedna z powierzchni jest

dostawcą ciepła, a druga odbiornikiem (chłodnicą) Podczas
pracy takiego modelu silnika

czynnik roboczy jest sprężany i

oziębiany w zimnej komorze. Później gaz jest przenoszony
do komory gorącej, gdzie ulega rozprężeniu, a powstająca w
ten sposób energia napędza tłok.

Silnik Stirlinga miał być alternatywą dla często

zawodnych i niebezpiecznych silników parowych. W XIX
wieku i XX siln

ik ten używano do napędu niewielkich

maszyn. Emituje on bardzo mało spalin, jest cichy a także
bardzo wydajny dlatego w dzisiejszych czasach znów
powraca zainteresowanie tym urządzeniem.

Zalety silnika Stirlinga:

-

niezawodność uruchamiania

-niska emisja s

palin dzięki pełnemu spalaniu paliwa

-

minimalny hałas

-

brak osprzętu elektrycznego

-

luźne pasowanie gorącego tłoka

-

brak wrażliwości na warunki pracy(zapylenie powietrza, zmienność temperatur otoczenia,

zwilgocenie itp.)
-

relatywnie długie cykle eksploatacyjne między remontami

-niskie koszty eksploatacji

Wady silnika Stirlinga:

Ćwiczenie nr 14

Temat ćwiczenia:

Silnik Stirlinga

Data wykonania
ćwiczenia:
10.10.2011

Nr zespołu: V

Imię i nazwisko

Wydział Energetyki i Paliw, kierunek Energetyka, III rok, grupa 2

Teoria

Wykonanie
ćwiczenia

Końcowa ocena z
ćwiczenia

1. Marek Biduś

2. Mateusz Gajewski

3. Paweł Miszczyk

-2-

-

konieczność instalacji dużej chłodnicy

-

relatywnie duży ciężar własny silnika

-

wysokie koszty materiałowe

-

najwyższa efektywność silnika przy ciśnieniu 200 atmosfer i temperaturze do 800°C

-

wysokie koszty całkowite dla silnika

-

duże rozmiary elementów silnika

Badania rozwojowe silników Stirlinga podjęły w 1937 roku zakłady Philips, prace

jednak przerwano na skutek wybuchu wojny. Pierwsze współczesne silniki zastosowane w
zespołach wyprodukowano w 1948 roku. Obecnie silnik Stirlinga jest wykorzystywany do
napędzania szwedzkich okrętów podwodnych typu Gottland jako ciche źródło napędu do
pełzania przy zanurzeniu.

W latach 2001-

2002 firma SOLO Sindelfingen rozpoczęła sprzedaż silników Stirlinga

o macach 2-9 kWel oraz 8-

24 kWec. Silniki te mogą być zasilane gazem ziemnym, biogazem

lub brykietami z drewna. Sprzęga się je w elektrociepłowniach przeznaczonych do zasilania
obiektów komunalnych.

Holenderska firma ENATEC CHP p

rodukuje domowe urządzenia do ogrzewania o

mocy 26 kW oraz generator napędzany silnikiem Stirlinga o mocy 1kW. Wykorzystywanym w
tym urządzeniu paliwem jest biomasa.

Problem zastosowania tego silnika w pojazdach mechanicznych, wiąże się z

kłopotami dotyczącymi płynnej regulacji mocy silników Stirlinga.

2. Opis eksperymentu

i zdjęcie stanowiska pomiarowego

Dokonujemy pomiaru prędkości obrotowej śmigła silnika w funkcji malejącej

temperatury. Nasz układ pomiarowy składa się z: komputera połączonego z modułem
pomiarowym,

kubeczka z gorącą wodą(którą przed rozpoczęciem ćwiczenia gotujemy w

czajniku elektrycznym)

, podkładki izolacyjnej, na której kładziemy nasz kubek, przewodów

łączących ze sobą dane elementy(czujnik temp. z gniazdem „Temp.” oraz czujnik obrotów z
gniazdem „czujnik Obr.”) oraz silnika Stirlinga. Poniższe zdjęcia przedstawiają:
to po lewej stronie

nasz układ pomiarowy, a to po prawej silnik Stirlinga.

-3-

Kiedy już wszytko zostanie poprawnie podłączone należy uruchomić komputer,

załączyć zasilanie modułu pomiarowego i uruchomić aplikacje strling.exe znajdującą się na
pulpicie.

Teraz już właściwie można zacząć nasz eksperyment.

G

orącą wodę z czajnika wlewamy do kubeczka i umieszczamy w nim czujnik pomiaru

temperatury tak, aby znajdował się tuż pod silnikiem oraz równolegle do lustra wody.
Następnie uruchamiamy program wciskając ikonkę RUN i lekko popychamy śmigło silnika
zgodnie ze strzałką „Engine on steam (HOT)”. Śmigło zaczyna się kręcić. Ćwiczenie polega
na obserwacji zmian obrotów śmigła silnika w funkcji malejącej temperatury n=f(t) oraz na
narysowaniu wy

kresu obrazującego tą zależność. Gdy śmigło przestanie się kręcić wciskamy

ikonkę STOP w programie w celu zatrzymania zapisu danych.

3. Opracowanie

wyników pomiaru

Na podstawie wyników pomiaru zapisanych przez program zostały opracowane odpowiednie
wykresy(wykresy

zostały umieszczone na osobnych kartkach):



Pierwszy wykres przedstawia charakterystyki obrotów n=f(t) i temperatury T=f(t) w
funkcji czasu.

Obie wielkości (obroty, temperatura) są liniowymi funkcjami czasu.

Momentowi ruszenia towarzyszą najwyższe obroty: 287 [obr/min] i najwyższa
temperatura wody: 78,7 [

°C]

Silnik uległ zatrzymaniu zaraz po spadku obrotów poniżej 70 [obr/min] i temperaturze
wody: 53,5 [

°C]



Drugi wykres przedstawia zależność obrotów w funkcji malejącej temperatury n=f(T).
Po obejrzeniu tego wykresu nasuw

ają się dwa podstawowe wnioski:

-obroty silnika

są liniową funkcją temperatury

-

im wyższa jest temperatura tym wyższe są obroty silnika

Do obliczenia sprawności konwersji energii cieplnej na energię mechaniczną wykorzystujemy
wzór Carnota:

gdzie T

1

– temperatura źródła ciepła [K], T

2

– temperatura chłodnicy [K]

Ponieważ temperatury się zmieniają dlatego też ta sprawność również maleje w czasie
trwania eksperymentu od 0,16 do 0,08

Zmianę sprawności w czasie przedstawia poniższy wykres:

sprawność silnika Stirlinga w czasie η=f(t)

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

czas t [s]

s

p

ra

w

n

o

ś

ć

η

czas t

sprawność η

105

0,16

878

0,12

1300

0,11

1780

0,10

2567

0,09

3038

0,08

-4-

Najwyższa sprawność towarzyszy momentowi startu, po którym sprawność konwersji
systematycznie spada.
Otrzymana sprawność procesu konwersji na pewno nie zachwyca, ale jest związana ze
stosunkową małą różnicą temperatur (40-50K) pomiędzy źródłem ciepła, a chłodnicą. Gdyby
ta różnica temperatur była większa sprawność naszego procesu również byłaby większa.