Stirlingo variklis

Stirlingo variklis: veikimo principas ir esami tipai

Škotijos pastorius Robertas Stirlingas 1816 m. užpatentavo išorinio degimo variklį, galėjusį konkuruoti su to meto garo mašina. Praėjus daugiau nei dviem šimtmečiams, veikimo principas išliko nepakitęs: išorinis šilumos šaltinis sukelia cilindruose uždarytų dujų išsiplėtimą, kurios stumia stūmoklį, o vėliau dujos atvėsta ir susitraukia, kad ciklas prasidėtų iš naujo. Tai uždarosios termodinaminės sistemos variklis – be vidinio degimo, be sprogimų, be vožtuvų. Dujos (priklausomai nuo modelio – oras, helis arba vandenilis) lieka uždarame kontūre.

Yra trys konfigūracijos. Alfa tipo variklis naudoja du stūmoklius dviejuose atskiruose cilindruose, sujungtuose šilumokaičiu: tai galingiausia konfigūracija, naudojama rimtose pramoninėse taikymuose. Beta tipo variklyje variklinis stūmoklis ir stūmoklio stūmikas yra tame pačiame cilindre, o tai sumažina užimamą erdvę. Gama tipo modelyje stūmoklis ir stūmoklinis elementas yra atskiruose cilindruose, tačiau dalijasi tuo pačiu dujų tūriu: tai vyraujanti geometrija biuro ir mokomųjų modelių atveju, nes ji supaprastina gamybą.

„LTD“ tipo Stirlingo variklis: veikimas esant minimaliam temperatūrų skirtumui

LTD (Low Temperature Differential) modeliai sudaro atskirą pakategorę. Jie paleidžiami esant vos 4–6 °C temperatūrų skirtumui tarp karštosios ir šaltosios pusių. Praktikoje: pakanka padėti pagrindą ant 60 °C temperatūros arbatos puodelio, kad pamatytumėte, kaip sukasi smagratis. Kai kurie plokšti saulės varikliai pradeda veikti, kai karštoji pusė yra 35 °C, o šaltoji – 25 °C.

Šis jautrumas mažiems temperatūrų skirtumams turi ir kitą pusę: šie varikliai sukuria mažą sukimo momentą. Sukimosi greičiai išlieka nedideli, paprastai svyruoja nuo 100 iki 400 apsisukimų per minutę, priklausomai nuo esamo temperatūrų skirtumo. Jie pasirenkami ne dėl mechaninės galios, o dėl gebėjimo panaudoti išsklaidytus šilumos šaltinius – pramonines šilumos atliekas, pasyvią saulės energiją, kūno šilumą mokomosiose demonstracijose.

Stirlingo variklio pasirinkimas: konkretūs kriterijai prieš pirkimą

Pirmasis kriterijus – turimas šilumos šaltinis. Stirlingo variklis, veikiantis alkoholiu arba žvakės liepsna, norint tinkamai suktis, reikalauja 200–400 °C karščio pusėje ir sukuria matomą sukimo momentą, dažnai pakankamą mažam dinamo ar laikrodžio mechanizmui varyti. Saulės energija arba „rankos šiluma“ varomas LTD modelis geriau tinka kaip mokomoji demonstracija nei kaip naudingos energijos šaltinis.

Antrasis kriterijus – gamybos kokybė. Modeliai iš apdirbto žalvario su šlifuotais stūmokliais ilgą laiką išlaiko sandarumą. Pigios versijos iš zamako ar neapdoroto aliuminio greitai pradeda tekėti cilindro srityje, o tai sumažina efektyvumą. Paprastas patikrinimas: šaltame variklyje, lėtai rankomis sukant rankenėlę, pasipriešinimas turi būti tolygus, be kietų taškų ar per didelio laisvumo.

• „Gamma“ tipo varikliai su uždegimo žvakėmis: idealiai tinka demonstravimui, užsiveda per 30–60 sekundžių, sūkių skaičius svyruoja nuo 800 iki 2 000 apsisukimų per minutę, priklausomai nuo šiluminės apkrovos.
• LTD saulės varikliai: atspindinti šaltoji aliuminio plokštė + juodoji karštoji plokštė, veikia tiesioginiuose saulės spinduliuose arba naudojant šiltą šaltinį. Mažas sukimosi greitis, tačiau įspūdingas užvedimas esant 40 °C temperatūrai.
• Daugiacilindriniai „Alpha“ varikliai: sudėtingesnės konfigūracijos, faktinis našumas matuojamas naudojant paprastą stabdį, tinka taikomosios termodinamikos projektams vidurinėse mokyklose ar technologijos institutuose.

Mokomasis Stirlingo variklis: pritaikymas fizikoje ir termodinamikoje

Stirlingo variklis išlieka vienu iš nedaugelio termomechaninių keitiklių, kuriuos galima surinkti, išmatuoti ir analizuoti be sudėtingos įrangos. Vidurinėje mokykloje ar profesinio rengimo mokykloje jis leidžia praktiškai ištirti Karnoto ciklą, apskaičiuoti faktinį efektyvumą, palyginti su teoriniu, ir tiesiogiai stebėti regeneratoriaus poveikį ciklo efektyvumui.

Siūlomi surinkimo rinkiniai skiriasi sudėtingumo laipsniu. Kai kuriems reikia tik atsuktuvo ir valandos surinkimui; kitiems reikia atlikti nedidelį apdirbimą arba sureguliuoti stūmoklio aukštį, kad fazės poslinkis būtų optimizuotas iki 90°. Būtent šis fazės poslinkio reguliavimas ir išskiria gerai surinktą variklį nuo modelio, kuriam sunku užsivedti: variklio stūmoklis turi pasiekti viršutinį mirties tašką ketvirtį apsisukimo po poslinkio elemento, nei daugiau, nei mažiau.

Praktiniai pritaikymai ir didelio masto Stirlingo variklių naudojimas

Švedijos karinis jūrų laivynas nuo 1996 m. naudoja Stirlingo variklius savo „Gotland“ klasės povandeniniuose laivuose AIP (Air Independent Propulsion – nepriklausomas nuo oro variklis) sistemai, ciklą maitindamas laive saugomu skystu deguonimi. Rezultatas: didesnis akustinės tylos lygis nei dyzelinių variklių ir 14 dienų autonomija po vandeniu be iškilimo į paviršių. Gamintojas „Kockums“, kurį 2014 m. įsigijo „TKMS“, tebėra viena iš nedaugelio gamintojų pasaulyje, gaminančių galingus Stirlingo variklius.

NASA nuo 2000-ųjų tiria Stirlingo tipo termoelektrinius generatorius kosminėms misijoms: ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) projektas siekė 38 % efektyvumo, palyginti su 6–7 % tradicinių plutonio RTG, tačiau 2013 m. buvo sustabdytas dėl finansavimo trūkumo. Šie projektai iliustruoja šio ciklo tinkamumą nuolatinėms ir stabilioms šilumos šaltiniams – tai visiškai priešinga situacija nei sprogstamųjų variklių atveju.

Stirlingo variklio priežiūra ir tarnavimo laikas

Priežiūra apsiriboja dviem dalykais. Pirma, stūmoklių tepimas: kas 20–30 darbo valandų ant stūmoklio žiedinės tarpinės užlašinama lašelis lengvos mineralinės alyvos (pavyzdžiui, siuvimo mašinų alyvos, klampumas 10–15 cSt). Per tirštas aliejus padidina trintį ir sumažina sūkių skaičių; aliejaus nebuvimas susidėvi žiedą per kelias valandas. Antra, kaitinamojo paviršiaus švarumas: suodžių nuosėdos ant žvakės padidina šiluminę varžą ir sumažina šilumos perdavimą dujoms.

Tinkamai prižiūrimas modelis iš apdirbto žalvario gali veikti kelis šimtus valandų be pastebimo susidėvėjimo. Žiediniai sandarikliai išlieka pagrindine susidėvėjimo dalimi; prieš pirkdami patikrinkite, ar tiekėjas siūlo jų atsargines dalis.

Su stalinio Stirlingo varikliu suderinami priedai

Mažas nuolatinio magneto generatorius (panašus į dviračio generatorių, 5–12 V priklausomai nuo sūkių skaičiaus) pritvirtinamas prie smagraties ašies naudojant gumines movas, kurios slopina vibracijas. Pagaminta elektros energija gali maitinti šviesos diodą (LED), įkrauti kondensatorių arba maitinti multimetrą, skirtą matuoti faktiškai pagamintą galią. Mokykliniuose projektuose šis priedas paverčia vizualinę demonstraciją kiekybiškai įvertinamu eksperimentu.