Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

1

Ćwiczenie

nr 14

Temat ćwiczenia:

Silnik Stirlinga

Konspekt

Nr zespołu:

Wydział, rok, grupa:

Data

Ocena

Nazwisko i imię

Teoria

Wykonanie
ć

wiczenia

Końcowa z ćwiczenia

1.

2.

Elementy układu:

1.

silnik Stirlinga

2.

płytka grzejna z ogniwem Peltiera

3.

moduł pomiarowy z zasilaczem

4.

komputer z kartą pomiarową

5.

termometr pokojowy

6.

czujnik temperatury

7. przewód łączący czujnik obrotów z modułem

pomiarowym

8. pojemnik na wodę

9. woda

1.Informacje wstępne

Silnik Stirlinga opatentował w 1816 roku szkocki duchowny Robert Stirling (urodził się w

roku 1790, w Perthshire, w Szkocji; zmarł 6 czerwca 1878 roku). Cieplny silnik Stirlinga jest

pewnego rodzaju łącznikiem pomiędzy silnikiem parowym a silnikiem spalinowym. Zasada

działania tego mechanizmu polega na dopływie energii cieplnej z zewnątrz, podobnie jak przy

silniku parowym. Silnik Stirlinga - przetwarza energię cieplną np. w energię mechaniczną. W

silniku tym nie ma w nim periodycznie spalanej mieszaniny powietrza z gazowym lub

ciekłym (rozpylonym) paliwem, natomiast w sposób ciągły doprowadzane jest ciepło z

zewnątrz do ogrzewanego czynnika roboczego, którym jest dowolny, sprężony gaz (najlepiej

wodór lub hel, ale może być również powietrze lub argon), a który przepływa między dwoma

cylindrami z tłokami, zwanych pompującym i roboczym. Konstrukcja pierwszego silnika

oparta była o patent z roku 1816. Jest ona do dzisiaj nazywana silnikiem powietrznym, bo

właśnie powietrze było pierwszym czynnikiem roboczym w tej maszynie.Rys.1. W

podstawowej konfiguracji silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów (ciepłego i zimnego),

pomiędzy którymi (przy ich podstawach) znajduje się połączenie. W cylindrach znajduje się

stała ilość gazu. Ponadto w każdym cylindrze jest tłok, a tłoki te są połączone wałem

korbowym tak, aby tłok w cylindrze ciepłym wyprzedzał tłok w cylindrze zimnym o 1/4

cyklu ruchu.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

2

Najpierw gaz ogrzewany w cylindrze ciepłym powiększa swoją objętość, potem jest

przepompowywany do cylindra zimnego, gdzie zmniejsza objętość i w minimum objętości

jest przepompowywany do cylindra ciepłego. Silnik nie wymaga w ogóle spalania - korzysta

wyłącznie z różnicy temperatur pomiędzy cylindrami. W cylindrach tego silnika (a cylinder

może być nawet wspólny dla obu tłoków ) dopływające ciepło – dzięki różnicy temperatur

obu tłoków – zapewnia ich ruch. Rys.2

Ten pochodzący od roboczego może napędzać nie tylko koła pojazdu, ale również elektro-

generator, a ciepło odpadowe układu można wykorzystać w lokalnej ciepłowni.

Wykorzystując dostarczane z zewnątrz ciepło, silnik Stirlinga zamienia cześć dostarczanej

energii cieplnej na energię mechaniczną lub energię elektryczną. Zalety tych silników

wykorzystuje się obecnie jako ciche źródło napędu, do odzyskiwania źródeł ciepła i energii

elektrycznej. Istnieje rozwiązanie korzystające z jednego cylindra i akumulatora ciepła. W

takim rozwiązaniu jeden z końców cylindra jest "zimny", a drugi "ciepły".

Rys.1. Schemat budowy silnika Stirlinga.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

3

W cyklu pracy silnika Stirlinga gaz roboczy jest sprężany jest i oziębiany w zimnej komorze.

Następnie przenoszony jest do komory gorącej, gdzie ulega rozprężeniu, a powstająca w ten

sposób energia napędza tłok. Silnik ten działa wykorzystując różnicę temperatur. Dolna

zimne powietrze

rozprężanie

izotermiczne

sprężanie

izotermiczne

gorące powietrze

zimne powietrze

grzanie

Rys.2. Schemat działania silnika Stirlinga

gorące powietrze

gorące powietrze

zimne powietrze

chłodzenie

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

4

powierzchnia musi mieć inną temperaturę niż górna, w ten sposób jedna z powierzchni jest

dostawcą ciepła, a druga odbiornikiem (chłodnicą).

Potrzeba zbudowania nowego typu maszyny wynikała głównie z uwagi na bezpieczeństwo

robotników, którzy byli narażeni na wybuchy kotłów parowych dostarczających przegrzany

gaz do silników parowych. Silnik Stirlinga miał być więc alternatywą dla istniejących

silników parowych, które były często zawodne i wybuchowe Moc silników przemysłowych

Stirlinga sięgała rzędu 5000 KM.

W wieku XIX i wczesnych latach wieku XX Silnik Stirlinga używano do napędu niewielkich

maszyn. Silnik ten emituje bardzo mało zanieczyszczeń, a jest bardzo wydajny, toteż dziś

znów powraca zainteresowanie tym urządzeniem.

Zbudowane dotychczas prototypy współczesnych wersji silnika osiągały moc do 500 KM i

dobre współczynniki wydajności 35-40% (klasyczne silniki samochodowe mają ten

współczynnik w granicach 20-25%).

Silnik Stirlinga zamienia energię cieplną na mechaniczną, ponieważ rozszerzanie gazu w

wysokiej temperaturze daje więcej energii, niż wymaga sprężenie tego gazu w niskiej

temperaturze . Niezbędne w pracy silnika ciepło pochodzi ze spalania jakiejkolwiek nadającej

się do tego celu substancji - mogą nią być benzyna, olej napędowy, gaz ziemny itp. Paliwem

wykorzystywanego w silniku Stirlinga mogą być nie tylko paliwa gazowe, ale również

paliwa stałe lub ciekłe. Stosowane paliwa są zarówno nieodnawialne (węgiel, ropa, gaz

ziemny), jak i odnawialne: np. biomasa lub energia słoneczna. W tym ostatnim przypadku

energia słoneczna jest wykorzystywana do bezpośredniego napromieniowania podgrzewaczy

silnikowych wypełnionych gazem roboczym (najefektywniej wodorem lub helem).

Ostatnio

opanowano bezpośrednie zastosowanie energii słonecznej do ogrzewania gazu roboczego

(helu lub wodoru) w grzejniku silnika Stirlinga do 650 st. C przy użyciu parabolicznego

lustra. Silnik jest oczywiście sprężony z elektrogeneratorem.

Silnik Stirlinga jest to maszyna cieplna różniąca się ogromnie od samochodowego silnika

wewnętrznego spalania. Silnik Stirlinga produkuje energię nie na zasadzie wybuchu - jak

konwencjonalne silniki wewnętrznego spalania - ale w sposób ciągły, więc np. pojazd

napędzany takim silnikiem jedzie bardzo "gładko", równomiernie. Kolejną ciekawą

możliwością wykorzystania silników Stirlinga jest jego zastosowanie w lokalnych (gminnych)

elektro-ciepłowniach wykorzystujących jako paliwo biomasę, oraz w kogeneracyjnych

agregatach energii elektrycznej o mocy 5-50 kWe, stosowanych do zaspokojenia potrzeb

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

5

mieszkańców

domów jedno- i wielorodzinnych. W tego typu zastosowaniach tego agregaty

kogeneracyjne z silnikami Stirlinga okazują się również bezkonkurencyjne. Silniki takie są

wykorzystywane są również do napędzania np. szwedzkich okrętów podwodnych typu

Gottland jako ciche źródło napędu do „pełzania” w zanurzeniu oraz w generatorach na

jachtach, a także do napędzania podzespołów w satelitach.

W przeciwieństwie do silników Otta i Diesla, przestrzenie robocze w silnikach Stirlinga są

jednorazowo, trwale wypełnione gazem o ciśnieniu 4-15 MPa i szczelnie zamknięte. Dzięki

takiej konstrukcji nie ma w nich zaworów i łańcuchów rozrządu. Dodatkową pozytywną

cechą tego silnika jest fakt, że spaliny nie mają możliwości wnikania do silnika Stirlinga, co

owocuje niskim zużywaniem się jego części oraz relatywnie długimi okresami eksploatacji.

Silniki Stirlinga, jako jednostki napędowe np. w niewielkich agregatach kogeneracyjnych,

wykazują wiele zalet w porównaniu z konwencjonalnymi tego typu urządzeniami:

czasookresy międzyremontowe silników Stirlinga, dzięki hermetycznie zamkniętej obudowie

w odniesieniu do paliwa, wynoszą 5000-8000 godzin, dzięki czemu ich koszty eksploatacyjne

są znacznie niższe od silników Otta i Diesla; emisje szkodliwych dla środowiska spalin są

wielokrotnie niższe z palników silników Stirlinga w porównaniu do Otta i Diesla nawet tych,

które stosują katalizatory.

Te czynniki stanowią ekologiczną oraz ekonomiczną bazę intensywnych działań badawczo-

wdrożeniowych silników Stirlinga nie tylko dla małych agregatów kogeneracyjnych,

stosowanych w budownictwie mieszkaniowym, ale również do napędu niektórych

samochodów.

Do zalet silnika Stirlinga w porównaniu z silnikami tłokowymi Otta i Diesla należą:

- niezawodność uruchamiania, gdyż rozruch obejmuje praktycznie wzniecenie płomienia

określonego paliwa,

- łatwość zapewniania całkowitego spalania paliwa, a tym samym ograniczania do minimum

zawartości spalin,

- niska emisja spalin dzięki pełnemu spalaniu paliwa,

- minimalny hałas, przy czym dobrze zmontowany silnik pracuje bezszmerowo,

- brak konieczności stosowania tzw. osprzętu elektrycznego (zwłaszcza układu zapłonu, np.

iskrowego,

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

6

- luźne pasowanie gorącego tłoka, przepompowującego czynnik roboczy,

- duża swoboda kształtowania konstrukcji silnika-brak jest jakichkolwiek zaworów, co

ś

wiadczy o wyjątkowej prostocie konstrukcji,

- brak wrażliwości na warunki pracy (np. silne zapylenie powietrza, opady atmosferyczne i
zawilgocenie, zmienność temperatur otoczenia itp.),

- relatywnie długie cykle eksploatacyjne między remontami,

- niskie koszty eksploatacji.

Do wad silnika Stirlinga należy zaliczyć:

- konieczność instalowania bardzo dużej chłodnicy, gdyż w silniku tym istnieje potrzeba

intensywnego schładzania czynnika roboczego przepływającego do komory nad tłokiem

roboczym, co ma to znaczący wpływ na sprawność,

- relatywnie duży ciężar własny silnika, jeżeli ciśnienie czynnika roboczego przewyższa 2

MPa, (co również oddziałuje na sprawność całego układu.)

- często wysokie koszty materiałowe – silnik musi być wykonywany z materiałów o bardzo

wysokiej jakości,

- najwyższa efektywność silnika uzyskiwana przy zastosowaniu do jego napełnienia helu

albo wodoru i przy parametrach pracy silnika: ciśnieniu ok. 200 atmosfer i w

temperaturze do 800 stopni Celsjusza.

- wysokie koszty całkowite dla silnika- szacuje się iż są one dwukrotnie wyższe, niż tej samej

mocy silnika wysokoprężnego,

- niska sprawność wielu rozwiązań konstrukcyjnych silnika Stirliga- poniżej 20%,

Wada ta jest kompensowana w dużym stopniu możliwością dokładnej kontroli procesu

spalania paliwa, co umożliwia dodatkowo utrzymanie niskiej toksyczności spalin.

- nieprzydatne do samochodów, zwłaszcza osobowych – duże rozmiary elementów silnika.

Cechą charakterystyczną obiegu czynnika roboczego (gazu) w silniku Stirlinga jest

izotermiczne doprowadzanie ciepła ze spalin przez ściankę cylindra, dzięki czemu gaz

roboczy się rozpręża i wykonuje pracę użyteczną. Potem następuje izotermiczne

odprowadzenie do otoczenia niewykorzystanego ciepła od schłodzonego czynnika roboczego,

ulegającemu sprężaniu.

Najczęściej stosowany jest tak zwany silnik Stirlinga Jest on bliski realizacji maszyny

cieplnej Carnota, idealnego silnika cieplnego.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

7

Cykl Stirlinga składa się więc z czterech etapów:

I. izotermicznego odwracalnego rozprężania, podczas którego gaz pozostaje w kontakcie

termicznym ze źródłem o temperaturze wyższej;

II. izochorycznego ochładzania do temperatury chłodnicy (gaz pozostaje w kontakcie

termicznym z chłodnicą o temperaturze niższej niż chwilowa temperatura gazu - etap ten

jest procesem nieodwracalnym);

III. izotermicznego odwracalnego sprężania, podczas którego gaz pozostaje w kontakcie

termicznym z chłodnicą o temperaturze;

IV - izochorycznego ogrzewania do temperatury źródła Tg zauważmy, że gaz pozostaje w

kontakcie termicznym ze źródłem o temperaturze wyższej niż chwilowa temperatura gazu -

etap ten jest procesem nieodwracalnym). Rys.3

.

Rys.3. Schemat przemian zachodzących w silniku Stirlinga

Cykl Stirlinga wymaga, aby nastąpiła seria zdarzeń ,które powodują zmianę ciśnienia w

silniku, sprawiając, że pracuje. Wynika to z właściwości gazów, które umożliwiają działanie

silnika:

- w wyniku zwiększenia temperatury gazu w stałej objętości -ciśnienie wzrośnie.

-sprężenie gazu powoduje wzrost temperatury.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

8

Cztery fazy cyklu Stirlinga

.1.Gaz

w

cylindrze

po

lewej

stronie

jest

podgrzewany, przez co wzrasta jego objętość, a

zatem ciśnienie.

To powoduje ruch tłoka do dołu. W

tej części cyklu Stirlinga jest wykonywana praca.

2.W wyniku działania koła zamachowego i wału

korbowego tłok po lewej(„ciepły ”)idzie do góry,

podczas gdy tłok po prawej („zimny ”) przemieszcza

się w dół. To przetłacza rozgrzany gaz do cylindra

zimnego, co powoduje szybkie oziębienie gazu do

temperatury chłodziwa, co z kolei powoduje

zmniejszenie objętości, czyli obniżenie ciśnienia.

To zaś umożliwia łatwiejsze sprężenie gazu w

następnej części cyklu.

3.Tłok w zimnym cylindrze(po prawej)zaczyna

sprężać gaz. Ciepło wytworzone przez sprężanie jest

odbierane przez chłodziwo.

4.Tłok po prawej stronie wędruje do góry, podczas

gdy lewy idzie w dół. To powoduje przetłoczenie

gazu w minimum objętości do cylindra ciepłego,

gdzie szybko rozgrzewa się, powoduje wzrost

ciśnienia i od tego punktu cykl się powtarza.

Silnik Stirlinga wykonuje pracę tylko w pierwszej

części cyklu.

Są dwa sposoby na zwiększenie mocy silnika

Stirlinga:

a) Zwiekszenie mocy w fazie pierwszej, w której

ciśnienie podgrzewanego gazu wykonuje pracę.

Zwiększenie ciśnienia w tej części cyklu zwiększy

moc silnika. Jedną z metod podniesienia ciśnienia

jest zwiększenie temperatury gazu.

Rys.4. Schemat pracy silnika Stirlinga

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

9

b) Zmniejszenie zużycia energii w fazie trzeciej, w której tłok wywiera nacisk na gaz,

zużywając część mocy, wytworzonej w fazie pierwszej. Obniżenie ciśnienia w tej części

cyklu może obniżyć zużycie energii w tej fazie (zwiększając moc użyteczną silnika). Jednym

ze sposobów obniżenia ciśnienia jest ochłodzenie gazu.

Tak wygląda idealny cykl Stirlinga. Rzeczywiste silniki pracują według cyklu nieco

zmienionego z powodu fizycznych ograniczeń konstrukcji. Następne dwa modele silnika to

wersja z tłokiem wypornościowym oraz z regeneratorem.

4Zamiast mieæ dwa t ³oki,silnik z t ³okiem wypor -

Ten tłok jest umieszczony luźno w cylindrze, a więc powietrze może przepływać swobodnie

pomiędzy częścią ogrzaną i chłodzoną, silnika w czasie, gdy tłok porusza się do dołu i do

góry.

Tłok wypornościowy porusza się w górę i w dół, tak by możliwe było sterowanie

podgrzewaniem i chłodzeniem gazu w silniku. Zajmuje on dwie skrajne pozycje:

a) gdy tłok wypornościowy znajduje się w pobliżu wierzchołka dużego cylindra, większa

część gazu wewnątrz silnika jest podgrzewana przez źródło ciepła i rozszerza się.

Ciśnienie wewnątrz silnika rośnie, wypychając tłok napędowy do góry.

Silnik Stirlinga z tłokiem wypornościowym

Zamiast dwóch tłoków, silnik z tłokiem wypornościowym

posiada tłok normalny i duży tłok wypornościowy.

Tłok wypornościowy służy do sterowania tym, kiedy komora

gazowa jest podgrzewana, a kiedy chłodzona.

Aby wykonywać pracę, silnik z tłokiem wypornościowym

wymaga wytworzenia różnicy temperatur pomiędzy górną i

dolną częścią wielkiego cylindra. W przypadku małych

modeli do napędu wystarcza np. różnica temperatur dłoni i

otaczającego powietrza.

Na rysunku widoczne są dwa tłoki:

1. Tłok napędowy – to mniejszy tłok na górze silnika.

Jest on szczelnie dopasowany i porusza się do góry, gdy gaz

w silniku rozpręża się.

2. Tłok wypornościowy – to duży tłok w większej komorze.

Rys.5. Schemat działania silnika

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

10

b) gdy tłok wypornościowy znajduje się w pobliżu dolnej części dużego cylindra, większa

część gazu wewnątrz silnika chłodzi się a jego objętość maleje. To sprawia, że ciśnienie

spada, co z kolei ułatwia ruch tłoka napędowego w dół i sprężenie gazu.

Silnik w sposób powtarzający się podgrzewa i chłodzi gaz, uzyskując energię z rozszerzania i

kurczenia się gazu.

1.W pierwszej fazie cyklu, ciśnienie rośnie, zmuszając tłok, aby przesunął się w lewo,

wykonując pracę. Tłok zimny pozostaje niemal nieruchomy, ponieważ jest w skrajnym

położeniu, podczas zmiany kierunku działania.

2.W następnej fazie oba tłoki poruszają się. Tłok gorący przemieszcza się w prawo, a tłok

zimny ku górze. To powoduje przemieszczenie większości gazu przez regenerator i do

cylindra zimnego. Regenerator jest urządzeniem, które czasowo akumuluje ciepło. Może to

być np. skręcona siatka druciana, przez którą przepływa rozgrzany gaz. Duża powierzchnia

drutu szybko przyjmuje większość ciepła. To sprawia, że mniejsza ilość ciepła musi być

odprowadzona przez radiator cylindra

.

3. Następnie tłok w cylindrze zimnym zaczyna sprężać gaz. Ciepło wytworzone w czasie

sprężania jest odprowadzane przez radiator

.

4.W ostatniej fazie cyklu oba tłoki się poruszają – tłok zimny porusza się w dół, podczas gdy

gorący porusza się w lewo. To powoduje przetłoczenie gazu przez regenerator (gdzie pobiera

ciepło, zmagazynowane tam w drugiej fazie cyklu)i powoduje napłynięcie do cylindra

gorącego. Od tego punktu cykl się powtarza.

Silników Stirlinga nie spotyka się w masowej produkcji, gdyż podstawowym problemem jest

ich wielkość w stosunku do uzyskiwanej mocy oraz trudności w uzyskaniu zmiany prędkości

Silnik Stirlinga z regeneratorem

W tym silniku cylinder ciepły jest ogrzewany

zewnętrznym płomieniem. Cylinder zimny jest

chłodzony

powietrzem

zaś

zastosowany

radiator

wspomaga

proces

chłodzenia.

Korbowód wystający z każdego tłoka jest

połączony z małą

tarczą, do której jest podłączone koło

zamachowe. To pozwala na utrzymanie tłoków

w ruchu, gdy silnik nie wytwarza siły

Rys.6. Schemat działania silnika
z regeneratorem.

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

11

obrotów, która jest niezbędna przy napędzaniu pojazdów. Trzeba wtedy zastosować np.

generator i silniki elektryczne.

W celu zrealizowania obiegu cieplnego należy na przemian doprowadzać i odprowadzać

ciepło z przestrzeni roboczej silnika, czyli nagrzewać i chłodzić czynnik roboczy. Realizacja

tego procesu następuje w regeneratorze. Ze względu na to, że nie jest możliwa doskonała

regeneracja ciepła, w celu zrealizowania odpowiedniej przemiany podczas trwania obiegu

cieplnego należy doprowadzić do czynnika roboczego dodatkową ilość ciepła. Ponadto

sprężanie i rozprężanie czynnika roboczego powinno przebiegać przy stałej temperaturze,

dlatego należy nagrzewać gaz roboczy podczas przemiany rozprężania oraz oziębiać podczas

przemiany sprężania. Realizacja tych procesów następuje odpowiednio w nagrzewnicy i w

chłodnicy. Zachodzi zatem konieczność podzielenia przestrzeni roboczej silnika Stirlinga na

przestrzeń nisko- i wysokotemperaturową oraz zapewnienia przemieszczania całkowitej masy

gazu roboczego pomiędzy tymi przestrzeniami.

W systemach zasilania energią cieplną silników Stirlinga wykorzystywane są dodatkowo

następujące źródła energii:

a) akumulatory energii cieplnej - przejmują i magazynują energię cieplną, by w odpowiednim

momencie przekazać ją silnikowi cieplnemu,

b) energia promieniotwórcza,

c) energia odpadowa - energia spalin pochodzących ze spalinowych silników dużej mocy, np.

napędu głównego statku.

Badania rozwojowe silników Stirlinga podjęły w roku 1937 zakłady Philips (Eindhoven), lecz

prace te przerwano wskutek wybuchu wojny i wznowiono dopiero po jej zakończeniu.

Pierwsze współczesne silniki Stirlinga zastosowane w zespołach prądotwórczych,

wyprodukowano w roku 1948. Program dalszych badań gruntownie zrewidowano w roku

1954, przy czym ukierunkowano je na wykorzystywanie wodoru lub helu - zamiast powietrza,

jako czynnika roboczego. Wówczas bowiem dysponowano już, opracowanym dopiero w roku

1953, rombowym mechanizmem korbowym, którego swoiste własności umożliwiają

konstruowanie całkowicie zrównoważonego silnika Stirlinga, o tłokach współosiowych, które

praktycznie w ogóle nie wywierają bocznych nacisków na ścianki cylindra.

Obecnie silnik Stirlinga jest wykorzystywany m.in. do napędzania szwedzkich okrętów

podwodnych typu Gottland jako ciche źródło napędu do "pełzania" w zanurzeniu. Rozważa

Wydział Paliw i Energii Akademii Górniczo – Hutniczej w Krakowie

12

się także stosowanie tego silnika do wytwarzania energii elektrycznej przy wykorzystaniu

geotermalnych źródeł ciepła..

Najpowszechniejszym zastosowaniem silnika Stirlinga są układy CHP (kogeneracji produkcji

ciepła i energii elektrycznej) w małych (do 34KW) aplikacjach.

Na przełomie 2001/2 roku firma SOLO w Sindelfingen zakończyła pomyślnie rozruch

wytwórni produkującej silniki Stirlinga o mocach 2-9 kW

el

oraz 8-24 kW

ec

. Silniki te są

zasilane gazem ziemnym, biogazem lub brykietami z drewna. Silniki te są sprzęgane z

elektrogeneratorami, dzięki czemu mogą być one zastosowane w lokalnych

elektrociepłowniach, przeznaczonych do zasilania głównie obiektów komunalnych. Ich

sprawność termiczna wynosi 92-94%.

Najnowsze badania naukowców z Los Alamos pozwalają sądzić, że zmodyfikowana wersja

silnika Stirlinga znajdzie również zastosowanie w badaniach odległych od Słońca rejonów

naszego układu planetarnego za pomocą sond kosmicznych. Modyfikacja silnika polega na

zastąpieniu gazu roboczego, jakim pierwotnie było powietrze o określonej ściśliwości,

stojącymi falami akustycznymi rozchodzącymi się w helu. Odpowiednie wykorzystanie tego

zjawiska podnosi sprawność od 7% dla zwykłego silnika Stirlinga do 18% dla tegoż silnika z

generatorem termoakustycznym.

Agencja NASA wykorzystywała silnik Sirlinga w programie Marsa, dostarczając moc 100W.

Holenderska firma ENATEC CHP produkuje domowe urządzenie do ogrzewania, o mocy 26

KW oraz generator napędzany silnikiem Stirlinga o mocy 1 KW. Wykorzystywanym paliwem

jest w tym przypadku biomasa.

Jak dotąd próby zastosowania silnika Stirlinga w pojazdach mechanicznych (autobusach), nie

wyszły poza stadium eksperymentów, ze względu na kłopoty dotyczące płynnej regulacji

mocy.

1

I. Wykonanie ćwiczenia:

Widok stanowiska pomiarowego i samego silnika Stirlinga znajduje się na rysunku 7.1.

Rys.7.1. Układ pomiarowy dla silnika Stirlinga. (lewe) widok stanowiska pomiarowego

(prawe) widok silnika Stirlinga

IA) Pomiar prędkości obrotowej w funkcji malejącej temperatury.

Skompletuj układ: komputer, moduł pomiarowy, pojemnik na wodę, czajnik

Czynności wstępne:

1) Sprawdź kompletność układu: komputer do akwizycji danych z kartą pomiarową oraz

podłączonym do niej modułem pomiarowym kondycjonującym mierzone sygnały.

2) Podłącz wtyk czujnika temperatury do gniazda „Temp.” na płycie czołowej modułu

pomiarowego a czujnik umieść w miejscu pomiaru temperatury.

3) Podłącz wtyk czujnika obrotów do gniazda „czujnik Obr.” na płycie czołowej modułu

pomiarowego a drugi koniec do gniazda w silniku Stirlinga.

Pasek z czujnikiem temperatury

Płyta grzejna

radiator

Podkładka
izolacyjna

Moduł pomiarowy

2

4) Poproś prowadzącego o sprawdzenie poprawności połączeń.

5)Uruchom komputer i załącz zasilanie modułu pomiarowego przełączając przycisk

znajdujący się na tylnej ściance. Powinna zaświecić się czerwona dioda „Zasilanie”.

6) Uruchom program: stirling.exe znajdujący się na pulpicie.

Zrzut ekranowy i krótki opis okna, jakie wyświetli się po otworzeniu programu w ww.

lokalizacji pokazany jest na rysunku 7.2.

Rys. 7.2 Widok okna, jakie pojawia się po otworzeniu pliku „Stirling.exe”

Wykonanie ćwiczenia:

A) Pomiar prędkości obrotowej w funkcji malejącej temperatury

1) Ustaw pojemnik i wlej gorącą wodę z czajnika elektrycznego oraz umieść wewnątrz

pojemnika czujnik pomiaru temperatury wody tak, aby znajdował się on tuż pod silnikiem

stirlinga równolegle do lustra wody tak aby kolorowa koszulka na czujniku wystawała za

pojemnik .

UWAGA! ZACHOWAJ OSTROŻNOŚĆ! NIE POPARZ SIĘ!

2) Uruchom zapis danych pomiarowych (Strzałka „RUN” rys.7.2). Zapisz w Tab. 7. 1. czas

odczytany z zegara w komputerze, temperaturę wody, temperaturę z czujnika (paska)

Zatrzymanie pomiaru „STOP”

Start pomiaru „RUN”

Przycisk zmiany polaryzacji

Przycisk zatwierdzenia (włącznik) grzania

Suwak zmieniający napięcie grzania

3

umieszczonego na podstawce silnika Stirlinga oraz temperaturę zewnętrzną odczytaną z

termometru pokojowego.

3) Postaw silnik Stirlinga na pojemniku z wodą. Następnie delikatnie pchnij śmigło w lewą

stronę (odwrotnie do ruchu wskazówek zegara) zgodnie z narysowaną strzałką „Engine on

steam (HOT)” oraz odnotuj odczytany na monitorze czas w Tab. 7.1.

4) Obserwuj zmianę szybkości obrotów śmigła (na monitorze- obrotomierz lub wykres

zależności n = f (t) występującą wraz ze spadkiem temperatury oraz odnotuj w Tab. 7.1

ewentualne zakłócenia w pracy silnika Stirlinga, zmiany temperatury otoczenia, jeżeli takie

wystąpią oraz kilka pośrednich punktów pracy np. przy zmianie temperatury wody co 10°C.

5) Zapisz czas samoczynnego zatrzymania silnika Stirlinga i odpowiadające temu zdarzeniu

temperatury: wody, otoczenia i temperaturę odczytaną z czujnika paska umieszczonego na

podstawce silnika Stirlinga.

6) Zatrzymaj zapis danych pomiarowych za pomocą ikonki znak STOP znajdującej się na

górnym pasku narzędzi.

7) Wyłącz zasilanie modułu pomiarowego przełączając przycisk znajdujący się na tylnej

ś

ciance – zgaśnie czerwona dioda- Zasilanie.

4

IIA Wyniki pomiarów i obliczenia

Tab.7.1. Wyniki pomiarów dla pomiaru prędkości obrotowej w funkcji malejącej

temperatury

Lp. Czas

t

[hh:mm:ss]

T

[ºC]

wody

T

[ºC]

na pasku

T

[ºC]

otoczenia

Uwagi na temat aktualnego

stanu układu:

1

Uruchomienie

zapisu

danych

pomiarowych.

2

3

4

5

6

Zakończenie zapisu danych.

IIIA. Opracowanie wyników pomiarów

1a) W katalogu Stirling znajdującym się na pulpicie utwórz katalog, nazwa katalogu tworzona

jest wg klucza: Wydział, data (rok, miesiąc, dzień), grupa, zespół, (poszczególne dane

oddzielone dolnym podkreśleniem „_”).

Przykład:

Dla studentów Wydziału Paliw i Energii

Studenci Międzywydziałowej Szkoły Energetyki zmieniają człon WPiE na MSE. Reszta

pozostaje jak na powyższym przykładzie.

W Przypadku podwójnego zespołu (np. 5 i 6) nazwa katalogu powinna wyglądać następująco:

WPiE_2006.10.10_gr1_z5i6

Zlokalizuj odpowiedni plik znajdujący się na Pulpicie w katalogu Stirling, z danymi

pomiarowymi zapisywany pod nazwą np.“stirling_06-10-10_1540 (koniecznie sprawdź datę i

godzinę utworzenia pliku, ponieważ w tej lokalizacji może być ich kilka).. Następnie

korzystając z programu MS Excel należy wyrzucić tę część danych, przy której następowały

WPiE_2006.10.10_gr1_z1

Wydział

rok

miesiąc

dzień

grupa

zespół

5

próby rozruchu silnika Stirlinga, i ewentualne przypadkowe zatrzymania; a także dane które

zostały zapisane po jego zatrzymaniu. Kolejnym etapem jest zamienienie kropek

oddzielających cyfry na przecinki. Wykonanie tej czynności przedstawione jest na rysunku

znajdującym się na końcu instrukcji:

2. W programie Excel i sporządź na wykresie charakterystyki T = f(t) oraz n = f(t) z

zaznaczeniem charakterystycznych punktów w których nastąpiło np. ruszenie i zatrzymanie

silnika Stirlinga itp.

2a) Zapisz ten plik jako plik Excela (rozszerzenie .xls) i jeżeli będzie taka możliwość wy-

drukuj wykres

lub

2b) Przegraj na dowolny nośnik danych, lub prześlij sobie drogą elektroniczną dane

pomiarowe uzyskane w trakcie ćwiczenia i wykonaj wykres w formacie Excel .

3) Wydrukuj wykres i przeprowadź analizę uzyskanych danych pomiarowych.

4) Sporządź wykres punktowy korelacji n = f (T) i zaznacz linię trendu. Odpowiedz na

pytanie czy w tym przypadku obroty są liniową funkcją temperatury.

5) Oblicz sprawność konwersji energii cieplnej na energię mechaniczną wykorzystując wzór

Carnota.

1

2

1

T

T

T

C

−

=

η

gdzie:T

1

– temperatura źródła ciepła [K]; T

2

– temperatura chłodnicy [K]

6) Porównaj charakter otrzymanych krzywych i zinterpretuj otrzymane wyniki.

16

B) Pomiar prędkości obrotowej w funkcji rosnącej temperatury

Skompletuj układ: komputer, moduł pomiarowy, płyta grzejna z elementem Peltiera

Czynności wstępne

1) Sprawdź kompletność układu: komputer do akwizycji danych z kartą pomiarową oraz

podłączonym do niej modułem pomiarowym kondycjonującym mierzone sygnały.

2) Podłącz wtyk czujnika temperatury do gniazda „Temp.” na płycie czołowej modułu

pomiarowego a czujnik umieść w otworze pomiaru temperatury w płycie grzejnej.

3) Podłącz czujnik obrotów do gniazda „czujnik Obr.” na płycie czołowej modułu pomiarowego a

drugi koniec do gniazda w silniku Stirlinga.

4) Podłącz zasilanie elementu Peltiera znajdującego się w płycie grzejnej tak, aby czerwony

przewód był podłączony do czerwonego gniazda zasilacza w module pomiarowym a czarny

przewód do czarnego gniazda zasilacza w module pomiarowym.

5) Poproś prowadzącego o sprawdzenie poprawności połączeń.

6)

Uruchom program: stirling.exe znajdujący się na pulpicie.

7) Załącz zasilanie modułu pomiarowego przełączając przycisk znajdujący się na tylnej ściance.

Powinna zaświecić się czerwona dioda – „Zasilanie”.

8) Wyłącz zasilanie płyty grzejnej przesuwając suwak ustawiania napięcia do zera (maksymalnie w

lewo) i zatwierdź to ustawienie przełączając przycisk „Włączenie grzania”.

9) Sprawdź czy nie świeci się czerwona dioda „Rev. polaryzacji” na panelu czołowym modułu

pomiarowego. Jeśli się świeci zgaś ją używając przycisku „Zmiana polaryzacji” w programie

pomiarowym na komputerze (rys.7.2).

Wykonanie ćwiczenia:

B)Pomiar prędkości obrotowej w funkcji rosnącej temperatury.

1) Ustaw płytę grzejną na izolacyjnej (styropianowej) podstawce. Następnie ustaw na płycie silnik

Stirlinga.

UWAGA! ZACHOWAJ OSTROŻNOŚĆ! NIE POPARZ SIĘ!!!

PŁYTA GRZEJNA BĘDZIE SIĘ NAGRZEWAĆ!!!

2) Uruchom zapis danych pomiarowych (strzałka RUN rys. 7.2) i ustaw napięcie zasilania w

programie pomiarowym suwakiem na wartość maksymalną. Po ustawieniu wymaganego napięcia

grzania potwierdź omawianą czynność przy pomocy „przycisku zatwierdzenia grzania” rys. 7.2 (w

przypadku nie wykonania tej czynności nie nastąpi ogrzanie płyty). Zapisz w Tab.7.2. czas

odczytany z zegara w komputerze, temperaturę z czujnika umieszczonego na podstawce silnika

Stirlinga oraz temperaturę zewnętrzną odczytaną z termometru pokojowego

17

3) Znajdź temperaturę uruchomienia silnika Stirlinga poruszając śmigłem w lewą stronę (odwrotnie

do ruchu wskazówek zegara) zgodnie z narysowaną strzałką „Engine on steam (HOT)”

każdorazowo gdy temperatura wzrośnie o 5°C uznając temperaturę początkową za 40°C.

4) Zapisz w Tab.7.2. czas i temperaturę uruchomienia silnika Stirlinga.

5) Obserwuj zmianę szybkości obrotów śmigła (na monitorze- obrotomierz lub wykres zależności

n=f(t) występującą wraz ze wzrostem temperatury oraz odnotuj zmiany temperatury otoczenia,

ewentualne zakłócenia w pracy silnika Stirlinga, jeżeli takie wystąpią oraz kilka pośrednich

punktów pracy np. przy zmianie temperatury płyty grzejnej co 10°C w Tab. 7.2.

6) Kontroluj temperaturę płyty grzejnej, nie przekrocz temperatury 90ºC

UWAGA! W NASTĘPNYM PUNKCIE ZACHOWAJ OSTROŻNOŚĆ! NIE POPARZ

SIĘ!!! PŁYTA GRZEJNA BĘDZIE ROZGRZANA DO TEMPERATURY 90°°°°C!!!

7) Po osiągnięciu temperatury 90ºC przełóż (ZSUŃ) płytę grzejną z podstawki izolacyjnej na

metalowy radiator używając do tego celu znajdujących się na sali rękawic i następnie naciśnij

przycisk zmiany polaryzacji (rys. 7.2) na ekranie komputera aby ochłodzić element grzejny. (Zapisz

czas w Tab. 7.2.)

8) Kontynuuj pomiar w trakcie chłodzenia.

9) Obserwuj zmianę szybkości obrotów śmigła (na monitorze- obrotomierz lub wykres zależności

n = f (t) występującą wraz ze spadkiem temperatury. Odnotuj zmiany temperatury otoczenia,

ewentualne zakłócenia w pracy silnika Stirlinga, jeżeli takie wystąpią oraz kilka pośrednich

punktów pracy np. przy zmianie temperatury płyty grzejnej co 10°C w Tab. 7.2.

10) Zapisz w Tab.7.2. czas samoczynnego zatrzymania silnika Stirlinga i odpowiadające temu

zdarzeniu temperatury: otoczenia i temperaturę z czujnika umieszczonego na podstawce silnika

Stirlinga.

11) Zatrzymaj zapis danych pomiarowych przy pomocy przycisku „STOP” (Rys. 7.2)

12) Wyłącz zasilanie modułu pomiarowego przełączając przycisk znajdujący się na tylnej ściance –

zgaśnie czerwona dioda – „Zasilanie”.

18

IIB. Wyniki pomiarów i obliczenia

Tab.7.2. Wyniki pomiarów dla pomiaru prędkości obrotowej w funkcji rosnącej temperatury.

Lp. Czas

t

[hh:mm:ss]

T

[ºC]

płyty

grzejnej

T

[ºC]

na pasku

T

[ºC]

otoczenia

Uwagi na temat aktualnego

stanu układu:

1

Uruchomienie

zapisu

danych

pomiarowych.

2

….

3

4

5

6

Zakończenie zapisu danych.

III.B. Opracowanie wyników pomiarów

1a) Otwórz plik znajdujący się na Pulpicie w katalogu Stirling, z danymi pomiarowymi, który

zapisywany jest pod nazwą np.“stirling_06-10-10_1540 (koniecznie sprawdź przy pomocy datę i

godzinę utworzenia pliku, ponieważ w tej lokalizacji może być ich kilka). Korzystając z danych np.

z programu MS Excel sporządź na wspólnym wykresie charakterystyki T = f(t) oraz n = f(t) z

zaznaczeniem charakterystycznych punktów w których nastąpiło np. ruszenie i zatrzymanie silnika

Stirlinga itp. Wykasuj te dane, podczas których silnik nie pracował, ponieważ mają one wpływ na

kształt wykresu i wyznaczoną regresję liniową.

2a) Zapisz ten plik jako plik Excela (rozszerzenie .xls) i jeżeli będzie taka możliwość wydrukuj

wykres. W przypadku braku czasu na zajęciach przegraj na dowolny nośnik dane pomiarowe

uzyskane w trakcie ćwiczenia i wykonaj wykres w formacie Excel .

2b) Wydrukuj wykres i przeprowadź analizę uzyskanych danych pomiarowych.

3) Sporządź wykres korelacji n = f (T) i zaznacz linię trendu. Odpowiedz na pytanie czy w tym

przypadku obroty są liniową funkcją temperatury.

4) Oblicz sprawność konwersji energii cieplnej na energię mechaniczną wykorzystując wzór

Carnota.

1

2

1

T

T

T

C

−

=

η

gdzie:T

1

– temperatura źródła ciepła [K]

T

2

– temperatura chłodnicy [K]

5) Porównaj charakter otrzymanych krzywych i zinterpretuj otrzymane wyniki.

16

Jak zrobić wykres z trzema osiami i wyznaczyć linię trendu:

1. Robimy standardowy wykres punktowy X-Y, przy czym składamy wykresy T=f(t) i n=f(t) w

jednym oznaczając je jako osobne serie tego samego wykresu:

2. Następnie klikamy prawym przyciskiem na wybraną przez nas linię wykresu i naciskamy na

okno „Formatuj serie danych”

17

3. Po otwarciu się tego okna klikamy na zakładkę oś, zaznaczamy „oś dodatkowa” i wykres z
trzema osiami jest gotowy. Wystarczy teraz tylko podpisać osie, i wyznaczyć linię trendu.

4. Wyznaczanie linii trendu:

Podczas wyznaczania linii trendu zaznacz takie opcje jak:

• typ regresji: liniowy
• wyświetl równanie na wykresie
• wyświetl wartości R-kwadrat na wykresie

18

5. Zamienianie kropek na przecinki w excelu:

Aby zamienić kropki na przecinki w przekopiowanych danych liczbowych z pliku backup lub
stirling do excela należy nacisnąć myszką na „edycja” i następnie nacisnąć znajdź.

Następnie na wyświetlonym oknie nacisnąć „zamień”:

19

Teraz pod pozycją „znajdź” naciśnij kropkę, a przy pozycji „zamień” naciśnij przecinek. Pozostaje
tylko nacisnąć teraz „zamień wszystko”