Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

33. Stirlingův motor

Autor: Jiří Škorpík, skorpik@fme.vutbr.cz : aktualizováno 2013-03

Ve Stirlingově motoru se uskutečňuje tepelný oběh pomocí pracovního plynu. Stirlingův motor neobsahuje žádné ventily. Tato skutečnost, na první pohled, motor zjednodušuje, ale jeho termodynamický návrh je velmi obtížný (oběh Stirlingova motoru nelze rozdělit na více částí, které by se řešily odděleně a snadněji jako lze rozdělit například u pracovní cyklus pístového parního motoru).

Využívání Stirlingova motoru

Stirlingův motor je znám a používán již téměř 200 let. Jedná se o stroj, ve kterém se realizuje tepelný oběh a práce je z motoru nejčastěji odváděna ve formě otáčejícího se hřídele. Stirlingův motor je objemový stroj s vnější přestupem tepla (teplo je do oběhu přiváděno/odváděno přes teplosměnné plochy). Tato vlastnost teoreticky umožňuje Stirlingovu motoru využívat jakéhokoliv zdroje tepla.

Stirlingův motor (starší název teplovzdušný motor) byl patentován v roce 1816 Robertem Stirlingem (1790-1878). První stavba byla realizována o dva roky později [3]. Jednalo se o motor se dvěma písty nad sebou, který postrádal jakékoliv teplosměnné plochy mimo válec motoru. Později byly dalšími vynálezci přihlášeny k patentování další motory jejichž pracovním plynem byl také vzduch, proto se pro teplovzdušný motor patentovaný Robertem Stirlingem ujal název Stirlingův motor. Tento motor se od všech teplovzdušných motorů vyznačoval především tím, že neobsahuje ventily.

První Stirlingův motor, [3]. 1.id747 První Stirlingův motor, [3].

V druhé polovině 19. století John Ericsson (1803-1889) provedl rozsáhlé srovnání Stirlingova motoru se svým teplovzdušným motorem s ventily zvaném dnes Ericssonův motor. Postupem času došel k závěru, že Stirlingův motor je jednodušší a spolehlivější než jeho vlastní motor [4] a svůj motor dále nerozvíjel. Během 19. století se Stirlingův motor používal velmi často jako náhrada za parní stroj malého výkonu (cca do 5 kW). K jeho postupnému vytlačení z běžného provozu došlo až s nástupem spalovacích motorů. Tyto motory byly a jsou na technologii výroby méně náročné a mají větší poměr výkon/hmotnost motoru. Dále se Stirlingův motor používal pouze tam, kde nebyly velké požadavky na výkon a účinnost, ale například také tam, kde bylo třeba motoru s minimální údržbou, spolehlivostí provozu a motorů využívající různorodá paliva. Typickým příkladem té doby je vývoj mobilního elektrického generátoru poháněný Stirlingovým motorem [5], který probíhal od roku 1940 a vyvrcholil v roce 1950. Těchto elektrogenerátorů bylo vyrobeno a prodáno několik set.

Elektrocentrála se Stirlingovým motorem výráběna společností Philips (1950). 2.id748 Elektrocentrála se Stirlingovým motorem výráběna společností Philips (1950).
Elektrický výkon generátoru se pohyboval kolem 200 W při středním tlaku pracovního plynu 1,35 MPa. Pracovním plynem uvnitř motoru byl vzduch. Obrázek z [5].

Během ropných krizí v 70. letech 20. století se o Stirlingově motoru začalo uvažovat i jako o motoru pro pohon osobních automobilů, který by nutně nepotřeboval ke svému provozu ropná paliva. Tuto myšlenku realizovala firma Ford. Nejdříve se uvažovalo o motoru Philips 4-65 ovšem nakonec se obrátila na Švédskou firmu United Stirling, která vyvinula motor o takovém výkonu a velikosti schopného pohánět osobní automobil. Provozní zkoušky prototypu prokázaly nevhodnost Stirlingova motoru pro osobní automobily. Především zklamaly jeho schopnosti regulace výkonu a i změny rychlosti a akcelerace, tedy pro pohon osobních automobilů nezbytné vlastnosti. Proto bylo od těchto aplikací prozatím upuštěno [6].

Automobilní Stirlingův motor instalovaný v automobilu Ford Taunus (1974). Automobilní Stirlingův motor instalovaný v automobilu Ford Taunus (1974).
3.id749 Automobilní Stirlingův motor instalovaný v automobilu Ford Taunus (1974).
Jedná se o prototyp Stirlingova motoru V4X35. Výkon motoru dosahoval 40 kW, pracovním plynem byl vodík. S tímto prototypem bylo během zkoušek najeto okolo 10000 km. Následující prototyp V4X36 byl instalován do odlehčené karoserie závodního automobilu Porsche Bergspider. Na kontrolním úseku dlouhým 10 km dosahoval průměrné rychlosti 135,88 km·h-1, maximální rychlost byla 200 km·h-1, což je rychlostní rekord automobilu se Stirlingovým motorem. Obrázky a informace z [6].

V 80. letech 20. století společnost United Stirling, na základě zkušeností s vývojem Stirlingova motoru pro osobní automobily, začala s vývojem motoru pro stacionární aplikace s označením United Stirling V 161 (α-modifikace s válci do V o objemu každého válce 161 cm3, pracovní plyn Helium). Tento motor o výkonu cca 10 kW je schopen plynulé regulace výkonu změnou tlaku a teploty pracovního plynu. V současnosti se jedná o technologicky nejvyspělejší Stirlingův motor na trhu.

V posledních letech je Stirlingův motor spojován s pojmem kogenerace především v souvislosti s kombinovanou výrobou elektřiny a tepla v malých centrálách pro domácnosti. Pro tuto aplikaci se používá název kogenerace v domácnosti. Na rozdíl od motorům s vnitřním spalování jsou tišší a mají nižší vibrace:

Kogenerační jednotka se Stirlingovým motorem. Kogenerační jednotka se Stirlingovým motorem.
4.id750 Kogenerační jednotka se Stirlingovým motorem.
vlevo kogenerační jednotka Cleanenergy se Stirlingovým motorem V 161, el. výkon od 2 do 9 kWe, tepelný výkon od 8 do 24 kWt (2013), palivo zemní plyn; vpravo kogenerační jednotka do domácnosti WhisperGen, el. výkon od 0,8 do 1,2 kWe, tepelný výkon 8 kWt (2013), čtyřválcový dvojčinný motor, palivo zemní plyn. Foto: [17].

V současné době se vývoj Stirlingových motorů soustředí na segment malých jednotek využívající obnovitelných zdrojů do výkonu cca 50 kWe. V případě tepláren na biomasu je výhoda Stirlingova motoru ve vyšší el. účinnosti teplárny oproti stejně výkonné teplárně, ve které se realizuje parní oběh:

Stirlingův motor na biomasu. Stirlingův motor na biomasu.
5.id751 Stirlingův motor na biomasu.
vlevo jeden z prototypů rozsáhlého Dánsko-Švédského projektu vývoje Stirlingova motoru pro využití biomasy. Prototyp SM3D, pracovní plyn helium, elektrický výkon 35 kWe, střední tlak plynu 4,5 MPa, přičemž el. generátor je součásti tlakového prostoru pro snížení požadavků na těsnost ucpávek pístních tyčí, motor je dvojčinný čtyřválcový [11]; vpravo kogenerační jednotka společnosti Öko-Energiemaschinen Vertriebs GmbH, která obsahuje Stirlingův motor na peletky. Pracovní plyn dusík, elektrický výkon jednotky 1,53 kW, tepelný výkon 4,510,5 kW, elektrická účinnost 2025% [18]. Tento motor je nabízen i pro solární aplikace.

Velmi efektivní je výroba elektrické energie ze slunečního záření pomocí Stirlingových motorů. Ovšem většina takových projektů je stále pouze ve vývojovém stádiu. Vzhledem k tomu, že výkony takových jednotek se pohybují od 5 do 50 kWe má každý Stirlingův motor své parabolické zrcadlo a je pevně umístěn pomocí jednoho nebo více ramen i s el. generátorem v jeho ohnisku, ve kterém se koncentruje sluneční záření. Soustava parabola-jednotka se natáčí za Sluncem tak, aby byl výkon jednotky optimální. V ohnisku, ve kterém je umístěn ohřívák (kaverna), je teplota od 800 do 900 °C. Chlazení motoru je realizováno pomocí vodního chladiče s ventilátorem na odvrácené straně motoru nebo pomocí speciálního chladícího okruhu, kdy je chladící kapalina přiváděna potrubím připevněným k ramenu. Problémy jsou spojené s polohou motoru, který není ve vodorovné poloze (mazání, těsnění pístních tyčí..) a možným přehřátím ohříváku:

Stirlingův motor na sluneční energii. Stirlingův motor na sluneční energii.
6.id930 Stirlingův motor na sluneční energii.
vlevo Zkušební solární jednotka EuroDish – v ohnisku se nachází upravená verze jednotky SOLO se Stirlingovým motorem V 161 dosahující maximálního výkonu 7,9 kW při slunečním záření 850 W·m-2, což odpovídalo účinnosti 15,3% [10]; vpravo testovací sestava Stirlingův motor V-180-sluneční parabola pro výrobu elektrické energie ze slunečního záření společnosti Strojírny Bohdalice, a.s. Motor i parabola je výrobek těchto strojíren. Umístěno v Bohdalicích. Motor je typu α-modifikace, pracovní plyn He, 10 kWe, 25 kWt.

Stále probíhá vývoj energetického systému se Stirlingovým motorem pro kosmické sondy [12] a malých elektráren, které by bylo možné využít na mimozemských stanicích [13]. Jako tepelný zdroj pro pohon se předpokládá radioizotopový blok (SRG – Stirling Radioisotope Generator). Výhodou takového systému je vysoká účinnost cca 26% (oproti termočlánku cca 8%), při vychlazení pracovního plynu na 50 °C.

Stirlingův motor pro radioizotopové bloky kosmické sondy.
7.id752 Stirlingův motor pro radioizotopové bloky kosmické sondy.
vlevo Stirlingův motor s volným pístem na teplé straně a s lineárním elektrickým generátorem o výkonu 55 W*, který NASA testuje [8, s. 105]; uprostřed dva Stirlingovy motory (2x55 W) s lineárním generátorem umístěné proti sobě mezi nimiž je NaK (sodík-draslík) smyčka pro transport tepla od radioizotopového topného bloku [9]; vpravo celkový pohled na sondu [12] s iontovým motorem, který využívá elektrickou energii ze tří bloků SRG.
*Stirlingův motor pro radioizotopové bloky podle projektu NASA
Jedná se o β-modifikaci Stirlingova motoru (modifikace viz níže) s volným pístem na teplé straně (píst je bez mechanické vazby s pístem na studené straně, jeho pohyb je buzen pružným nárazníkem tvořený dvěma svazky diskových pružin). Jádro lineárního generátoru je poháněno pouze pístem na studené straně, který se pohybuje přímočaře vratně pomocí pružného uložení pístní tyče na dvou svazcích diskových pružin. Válec na teplé straně je dvouplášťový a v mezeře mezi plášti je od vrchu dolů umístěn ohřívák a regenerátor, chladič je umístěn pod nárazníkem po obvodu v prostoru mezi teplou a studenou stranou motoru. Uvedený motor vyrábí a dodává společnost Sunpower Inc. [14], mimo jiné 1 kW verze tohoto motoru je používaná v malých kogeneračních jednotkách na fosilní paliva. U těchto komerčních motorů je ale problém s teplosměnnou plochou, protože je primárně dimenzována na jinou teplonosnou látku s velkým součinitelem přestupu tepla. To je kompenzováno vyšší teplotou spalin na výstupu ze spalovací komory a tedy i nižší účinnosti výroby elektřiny (pouze kolem 4%). Problém je i na straně chlazení, protože jednotka je určena i pro výrobu teplé vody a teplota Helia na studené straně je vyšší než v případě použití na kosmické sondě.
reklama

Stirlingův motor a jeho princip

Stirlingův motor se skládá ze tří hlavních částí, kterými jsou teplá strana motoru, studená strana motoru a regenerátor.

Schéma Stirlingova motoru. 8.id422 Schéma Stirlingova motoru.
T teplá strana motoru; R regenerátor; S studená strana motoru. VTV [m3] objem válce na teplé straně; VTM [m3] mrtvý objem na teplé straně; VSM [m3] mrtvý objem na studené straně; VSV [m3] objem válce na studené straně. QD [W] tepelný tok do motoru (ohřev); QOd [W] tepelný tok z motoru (chlazení); φ [°] pootočení hřídele; α [°] úhlové zpoždění pohybu pístu na studené straně za pohybem pístu na teplé straně. Objem uzavřený mezi písty je pracovním objemem motoru.

Stirlingův motor je objemový motor, který koná práci změnou objemu, tlaku a teploty pracovního plynu. Pracovní plyn je přesouván pomocí pístů mezi teplou a studenou stranou motoru přes regenerátor. Posuvem pístů, které jsou ve vzájemné kinematické vazbě, se mění pracovní objem, ve kterém je plyn uzavřen. Zároveň přesouváním pracovního plynu mezi teplou a studenou stranou dochází ke změně střední teploty pracovního plynu i tlaku. Vnitřní práce Stirligova motoru odpovídá průběhu tlaku během změny jeho objemu (p-V diagram).

V regenerátoru probíhá regenerace tepla s využitím teplotního rozdílu mezi teplou a studenou stranou. Při průchodu plynu z teplé strany na studenou stranu se plyn ochlazuje o studenou hmotu (matrice regenerátoru), kterou regenerátor obsahuje (jedná se převážně o objem vyplněný velmi jemnými drátky z oceli). Zatímco teplota plynu klesá, teplota matrice regenerátoru roste (nabíjení regenerátoru). Při proudění plynu ze studené strany na teplou stranu se plyn ohřívá o matrici regenerátoru. Plyn se ohřívá a matrice regenerátoru ochlazuje (vybíjení regenerátoru). Přínos regenerace je v tom, že teplo, které studený plyn získá při vybíjení regenerátoru nemusí být na teplé straně přivedeno a naopak teplo, které plyn ztratí při nabíjení regenerátoru nemusí být odvedeno v chladiči. Regenerace tudíž zvyšuje tepelnou účinnost oběhu.

Velmi důležitý je vzájemný pohyb obou pístů. Zpoždění α závisí na charakteru pohybu pístů (lineární pohyb, sinusový...) a konstrukci respektive modifikaci motoru. V případě klikového mechanismu pístu bývá zpoždění 90°105°.

Základní modifikace Stirlingova motoru

Jednotlivé modifikace Stirlingových motorů se liší, podle toho, jak jsou od sebe odděleny teplá a studená strana motoru. U α-modifikace je změna objemu na teplé straně ovlivněna pouze pístem na teplé straně a změna objemu na studené straně je ovlivněna pouze pístem na studené straně. U β-modifikace je objem studené strany ovlivněn pístem na teplé i studené straně. Rozdíl γ-modifikace od β-modifikace je v tom, že objem válce na studené straně nemůže být nulový ani v případě, že objem mrtvých prostor bude nulový. Dvojčinný Stirlingův motor, oproti předchozím modifikacím, využívá prostor pod pístem jako studenou stranu sousedního válce, které jsou tak navzájem propojeny (z principu motoru je patrné, že nejmenší možný počet válců dvojčinného Stirlingova motoru je 3, ale častěji bývají 46-válcové):

Modifikace Stirlingova motoru
9.id423 Modifikace Stirlingova motoru.
(a) α-modifikace; (b) β-modifikace; (c) γ-modifikace; (d) dvojčinná α-modifikace. Zdroj: [19].

Uvedené modifikace se od sebe liší pouze konstrukčně a nedá se říct, že by některá z uvedených modifikací poskytoval principiální výhodu oproti ostatním. Konstrukčně nejednoduší je α-modifikace a velice rozšířený je i dvojčinný motor:

Vhodnost použití jednotlivých modifikací Stirlingova motoru podle výkonových parametrů.
10.id424 Vhodnost použití jednotlivých modifikací Stirlingova motoru podle výkonových parametrů.
VVT, max [cm3] zdvyhový objem na teplé straně; Psp [kW] výkon na spojce; pst [MPa] střední tlak plynu v motoru; αx víceválcová α-modifikace; α2 dvojčinná α-modifikace; microS Stirlingovy motory velmi malých výkonů. Graf popisuje současný stav. Zdroj: [19].

Základy konstrukce Stirlingova motoru

V případě α-modifikace bývá motor doplněn vyrovnávací nádrží. Tato nádrž spojuje prostory pod písty a slouží ke snížení tlakového poměru v tomto prostoru (v ideálním případě udržuje tlak pod písty na hodnotě odpovídající střednímu tlaku v pracovním objemu). V případech malých objemů prostorů pod písty je tlakový poměr pod písty vysoký a to způsobuje vyšší namáhání motoru, pístních kroužků a nežádoucím způsobem ovlivňuje kroutící moment:

Schéma Stirlingova motoru pro učely výpočtu (α-modifikace).
11.id425 Schéma Stirlingova motoru pro učely výpočtu (α-modifikace).
VT(φ) [m3] objem teplé strany motoru; VS(φ) [m3] objem studené strany motoru; V(φ) [m3] pracovní objem motoru; VM [m3] mrtvý objem motoru; Vn [m3] objem vyrovnávací nádrže. Zdroj: [19].

Hranice jednotlivých objemů u reálného motoru vypadají následovně:

Experimentální Stirlingův motor Tedom 180V1.
12.id426 Experimentální Stirlingův motor Tedom 180V1.
a pístní kroužky; b těsnění pístní tyče; c pístní tyč; d vedení pístní tyče; e ojnice; f zalomená hřídel s vyvážením; g skříň zalomené hřídele; PTV píst na teplé straně motoru; PSV píst na studené straně motoru.
Jedná se o zjednodušený řez bez vyrovnávací nádrže. Motor určený pro výzkum oběhu Stirlingova motoru (viz článek Oběh Stirlingova motoru) a zkoušky některých konstrukčních prvků prováděných společností Tedom a.s. v letech 2002 až 2004.

Stirlingův motor obsahuje klasické strojní komponenty jako je ojnice nebo kliková hřídel a konstrukce těchto součásti i výpočet nerovnoměrnosti chodu je podobný jako například u pístového parního motoru (více v článku Základní rovnice klikového mechanismu parního motoru). Naopak některé části Stirlingova motoru jsou v klasické strojírenské praxi netypické (nebo jejich pracovní podmínky) jako je regenerátor; ohřívák a chladič.

Regenerátor Stirlingova motoru

Matrice regenerátoru je nejčastěji tvořena navzájem spečenými dráty průměru menším než 0,1 mm uspořádaných do mřížky nebo chaoticky. Ale vyskytují se i regenerátory vytvořené z tenkých plechů:

Detail matrice regenerátoru pod mikroskopem a definice pórovitosti regenerátoru.
13.id816 Detail matrice regenerátoru pod mikroskopem a definice pórovitosti regenerátoru.
a; b síťová matrice; c chaoticky uspořádaná matrice. rR [-] pórovitost regenerátoru; Vmat [m3] objem matrice regenerátoru (čistý objem drátů); VR,abs [m3] celkový objem regenerátoru (součet objemu matrice a mrtvého objemu regenerátoru). Obrázky z [15, s. 230].

Návrh regenerátoru je optimalizován podle tři základních hledisek:

(1)  Musí umožňovat regeneraci požadovaného množství tepla.
(2)  Tlakové ztráty co nejmenší.                           
(3)  Minimální mrtvý objem regenerátoru.                   
14.id462 Nejdůležitější vlastnosti regenerátoru.

Pro výpočet velikosti regenerátoru (jeho teplosměnné plochy a objemu matrice) je nutné znát množství regenerovaného tepla v regenerátoru, parametry proudění (hmotnostní průtok regenerátorem) a teplotní diference mezi pracovním plynem a matricí regenerátoru. Pracovní plyn mění, během jednoho oběhu, rychlost i směr proudění v regenerátoru. I přes tuto skutečnost lze pro návrh regenerátoru použít s dostatečnou přesností postupy používané pro výpočet výměníků tepla se stacionárním prouděním např. [1, s. 483], [2] (vychází se ze středních hodnot parametrů pracovního plynu nutných pro výpočet). Teplotní diference mezi pracovním plynem a matricí regenerátoru se v průběhu oběhu mění (probíhá změna teploty pracovního plynu i matrice regenerátoru), proto se zavadí střední teplotní rozdíl:

Střední teplotní rozdíl mezi teplotou pracovního plynu a matricí regenerátoru.
15.id817 Střední teplotní rozdíl mezi teplotou pracovního plynu a matricí regenerátoru.
a skutečný průběh teploty pracovního plynu a matrice regenerátoru podle [3]; b zjednodušená představa průběhu teploty pracovního plynu a matrice regenerátoru. tTR [°C] teplota pracovního plynu na teplé straně regenerátoru; tSR [°C] teplota pracovního plynu na studené straně regenerátoru; tMR [°C] teplota matrice regenerátoru; lR [m] délka regenerátoru; Δt [°C] střední teplotní rozdíl mezi pracovním plynem a matricí regenerátoru.

Ohřívák Stirlingova motoru

Ohřívák je povrchový tepelný výměník motoru, kterým se do motoru přivádí teplo. A to nejčastěji ze spalin nebo z koncentrovaných slunečních paprsků. Ohřívák, v ideálním případě, tvoří většinu mrtvého objemu teplé strany motoru:

Ohřívák Stirlingova motoru v několika provedeních. Ohřívák Stirlingova motoru v několika provedeních. Ohřívák Stirlingova motoru v několika provedeních.
16.id820 Ohřívák Stirlingova motoru v několika provedeních.
vlevo ohřívák Stirlingova motoru United Stirling V160 tvořený dvěma řadami žebrovaných trubek (pohled do spalovací komory na zemní plyn); uprostřed ohřívák z hladkých trubek (motor V4X35) [6]; vpravo ohřívák chybí, přestup tepla je realizován přímo do válce přes žebra válce-spaliny proudí podél válce axiálně a opouští žebrovaný prostor v radiálním směru (čtyřválcový dvojčinný motor jednotky WhisperGen, pracovním plynem v tomto motoru je dusík [17]).

V ohříváku se nepřivádí teplo pracovnímu plynu kontinuálně, ale střídavě podobně jako v regenerátoru. Teplota pracovního plynu v ohříváku se během oběhu mění ve větším rozsahu než teplota vnitřního povrchu ohříváku. Jestliže je teplota pracovního plynu nižší než teplota vnitřního povrchu ohříváku, potom teplo přestupuje z ohříváku do pracovního plynu a naopak. To znamená, že vnitřní povrch (tenká tloušťce jeho povrchu) pracuje jako regenerátor, který ovšem více tepla do pracovního plynu předá než z něj získá. Teplo, které je předáno pracovnímu plynu za jeden oběh navíc je teplo dodané do motoru. Teplo do motoru dodané se přivádí přes vnější povrch ohříváku.

Na vnějším povrchu ohříváku se prakticky neprojevují velké změny teploty pracovního plynu uvnitř ohříváku (na vnitřním povrchu však ano) [16]. To je způsobeno vysokým tlumením teplotních změn v materiálu ohříváku. Proto se při výpočtu potřebné přestupní plochy vychází ze střední teploty pracovního plynu v ohříváku a střední teplotou vnějšího povrchu ohříváku (nebo střední teplotou spalin při průchodu ohřívákem). Přibližný průběh teploty pracovního plynu v ohříváku respektive její střední hodnota se počítá numericky nebo ji lze vypočítat analyticky za určitých zjednodušujících předpokladů (viz Úloha 2 v článku 34. Oběh Stirlingova motoru).

Chladič Stirlingova motoru

Chladič podobně jako ohřívák je povrchový tepelný výměník motoru, kterým se z motoru odvádí teplo, nejčastěji pomocí chladící kapaliny nebo vzduchu. Chladič, v ideálním případě, tvoří většinu mrtvého objemu studené strany motoru:

Chladič Stirlingova motoru Tedom 180V1. 17.id821 Chladič Stirlingova motoru Tedom 180V1.

Z chladiče se neodvádí teplo pracovnímu plynu kontinuálně, ale střídavě podobně jako v regenerátoru. Teplota pracovního plynu v chladiči se během oběhu mění ve větším rozsahu než teplota vnitřního povrchu chladiče. Jestliže je teplota pracovního plynu nižší než teplota vnitřního povrchu chladiče, potom teplo přestupuje z chladiče do pracovního plynu a naopak. To znamená, že vnitřní povrch (tenká tloušťce jeho povrchu) pracuje jako regenerátor, který ovšem více tepla do pracovního plynu odebere než z něj získá. Teplo, které odvede vnitřní povrch chladiče pracovnímu plynu za jeden oběh navíc je teplo odvedené z motoru. Teplo z motoru odvedené se odvádí přes vnější povrch ohříváku do chladícího média.

Mechanismus přestupu tepla je stejný jako u ohříváku, pouze střední teplota pracovního plynu v chladiči je větší než teplota vnitřního povrchu chladiče. Přibližný průběh teploty pracovního plynu v chladiči respektive její střední hodnota se počítá numericky nebo ji lze vypočítat analyticky za určitých zjednodušujících předpokladů jako u ohříváku.

Energetické toky ve Stirlingově motoru

Efektivitu transformace tepelné energie na praci ve Stirlingova motoru vyjadřuje tepelná účinnost na spojce. Tepelná účinnost na spojce je definována jako poměr práce na hřídeli ku množství přivedeného tepla do jednotky se Stirlingovým motorem. Tato účinnost se pohybuje u špičkových Stirlingových motorů od 15 do 35%, přičemž velmi záleží na poměru mezi střední teplotou pracovního plynu na teplé straně a střední teplotou pracovního plynu na studené straně (měřeno na hranicích regenerátoru) jak je popsáno v článku 35. Energetická bilance oběhu Stirlingova motoru. Do účinnosti se promítne i účinnost spalovacího zařízení (pokud je součástí jednotky):

Procentuální energetické toky (Sankeyův diagram) v jednotce se Stirligovým motorem při transformaci tepla uvolněného při spalování paliva
18.id253 Procentuální energetické toky (Sankeyův diagram) v jednotce se Stirligovým motorem při transformaci tepla uvolněného při spalování paliva [20].
Diagram je pro jednotku těchto parametrů: palivo biomasa; střední teplota pracovního plynu na teplé hranici regenerátoru tT=490 °C a studené hranici tS=105 °C. S.S. hranice spalovacího systému; Qspal [%] teplo uvolněné při spalování paliva; Qvz [%] teplo spotřebované na předehřev spalovacího vzduchu; Qspal-tuv [%] teplo ze spalin využité pro ohřev vody nebo vytápění; QD [%] teplo sdělené pracovnímu plynu v ohříváku; Qreg [J·kg-1pal] množství tepla regenerovaného v regenerátoru; Zm [%] mechanické ztráty; Asp [%] práce motoru na spojce; QOd [%] teplo odvedené z pracovního plynu v chladiči; Qv-tuv [%] teplo odvedené z jednotky (možno využít pro ohřev teplé užitkové vody). Z1...5 [%] ztráty sáláním do okolí, ztráty způsobené chlazením bloku motoru apod. Zk [%] komínová ztráta-teplo spalin odvedené do komína.

Odkazy

  1. KALČÍK, Josef, SÝKORA, Karel. Technická termomechanika, 1973. 1. vydání, Praha: Academia.
  2. JÍCHA, Miroslav. Přenos tepla a látky, 2001. Brno: Vysoké učení technické v Brně, ISBN 80-214-2029-4.
  3. WALKER, Graham. Dvigateli Stirlinga/Двигатели Стирлинга, 1985. Doplněný Ruský překlad knihy: WALKER, Graham Stirling engine, 1980. Oxford: Oxford University Press.
  4. STOUFFS, Pascal. Does the Ericsson engine deserves more consideration than the Stirling engine?, Proceedings of the Europäiches Stirling forum 2002, 18.-19. September 2002. Osnabrück.
  5. HIRATA, Koichi. History of Stirling engines. [on-line] dostupné z http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/english/history3.htm, [2011].
  6. LUNDHOLM, Gunnar. The experimental V4X Stirling engine –  a pioneering development, Proceedings of the 11th International Stirling engine conference, 19.-21. November 2003. Roma: Department of Mechanical and Aeronautical Engineering University of Rome “La Sapienza”.
  7. Öko-Energiemaschinen Vertriebs GmbH, 2012. Výrobce Stirlingových motorů. Adresa: Alois-Ebner-Strasse 1, A-3150 Wilhelmsburg, DE. Web: http://www.sunmachine.at.
  8. Technical Memorandum, Research & Technology 2004, 2005. Cleveland, Ohio: National Aeronautics and Space Administration John H. Glenn Research Center at Lewis Field 44135–3191; dostupné [2012] z http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT/2004.
  9. MASON, Lee, PALAC, Donald, GIBSON, Marc, HOUTS, Michael, WARREN, John, WERNER, Jim, POSTON, David, QUALLS, Arthur, RADEL, Ross, HARLOW, Scott. Design and Test Plans for a Non-Nuclear Fission Power System Technology Demonstration Unit, 2011. [on-line], Cleveland, Ohio: National Aeronautics and Space Administration, John H. Glenn Research Center at Lewis Field, 44135-3191, dostupné z http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20120000866_2012000895.pdf.
  10. BRIGNOLI, Vittorio. One year of operation of a SOLO 161 Stirling solar unit in Italy, Proceedings of the 11th International Stirling engine conference, 19.-21. November 2003. Roma: Department of Mechanical and Aeronautical Engineering University of Rome “La Sapienza”.
  11. PÅLSSON, Magnus, CARLSEN, Henrik. Development of a wood powder fuelled 35 kW Stirling CHP unit, Proceedings of the 11th International Stirling engine conference, 19.-21. November 2003. Roma: Department of Mechanical and Aeronautical Engineering University of Rome “La Sapienza”.
  12. OLESON, Steven, MCGUIRE, Melissa, COMPASS Final Report: Radioisotope Electric Propulsion (REP) Centaur Orbiter, New Frontiers Mission, 2011. [on-line], Cleveland, Ohio: National Aeronautics and Space Administration, John H. Glenn Research Center at Lewis Field, 44135-3191, dostupné z http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110008487_2011009092.pdf, [2012].
  13. GENG, Steven, BRIGGS, Maxwell, PENSWICK, Barry, PEARSON, Boise, GODFROY, Thomas. Test Results From a Pair of 1-kWe Dual-Opposed Free-Piston Stirling Power Convertors Integrated With a Pumped NaK Loop, 2011. [on-line], Cleveland, Ohio: National Aeronautics and Space Administration, John H. Glenn Research Center at Lewis Field, 44135-3191, dostupné z http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20110008827_2011009487.pdf.
  14. Sunpower Inc., 2012. Výrobce Stirlingových motorů. Adresa: 1055 East State Street, Suite D, Athens OH 45701, USA. Web: http://www.sunpower.com.
  15. ORGAN, Allan, MEACKEL, Peter. 'Connectivity' and regenerator thermal shorting, Proceedings of the Europäiches Stirling forum 1996, 26.-28. Februar 1996. Osnabrück.
  16. KADRNOŽKA, Jaroslav, ŠKORPÍK, Jiří. Výzkum transportních procesů na teplosměnných plochách a v regenerátoru Stirlingova motoru, GAČR 101/03/0299 Mikrocentrála pro kombinovanou výrobu tepla a elektřiny a tepla na bázi motoru s vnějším přestupem tepla, 2003. Výzkumná zpráva. Brno: Vysoké učení technické v Brně, VUT-EU-QR-35-03.
  17. Stirling energy s.r.o.. Obchodní zastoupení společností Cleanergy AB a EHE - Efficient Home Energy, S.L. pro ČR. Prodej a další služby spojené s kogeneračními jednotkami se Stirlingovými motory. Adresa: Pekárenská 330/12, 602 00 Brno - Veveří, Web: http://www.stirlingenergy.cz, [03-2013].
  18. Öko-Energiemaschinen Vertriebs GmbH. Prodej a další služby spojené s kogeneračními jednotkami se Stirlingovými motory typu Sunmachine. Adresa: Alois-Ebner-Strasse 1, A-3150 Wilhelmsburg (Rakousko), Web: http://www.sunmachine.at, [03-2013].
  19. ŠKORPÍK, Jiří. Příspěvek k návrhu Stirlingova motoru, 2008. Disertační práce. Brno: VUT v Brně, Edice PhD Thesis, ISBN 978-80-214-3763-0.
  20. ŠKORPÍK, Jiří. Analýza využitelnosti Stirlingova motoru pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla, 2002. Diplomová práce. Brno: obhájená Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Energetický ústav, Odbor tepelných a jaderných energetických zařízení, evidenční číslo práce VUT-EU-ODDI-3301-12-02.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Stirlingův motor, Transformační technologie, 2009-06, [last updated 2013-03]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/stirlinguv-motor.html. English version: Stirling engine. Web: http://www.transformacni-technologie.cz/en_stirlinguv-motor.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
reklama
www.transformacni-technologie.cz