| Stirlingův motor |   |
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).
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].](objekty/747.gif) |
1.747 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.
 |
2.748 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].
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:
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:
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:
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 se skládá ze tří hlavních částí, kterými jsou teplá strana motoru, studená strana motoru a regenerátor.
 |
8.422 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. Q•D [W] tepelný tok do motoru (ohřev); Q•Od [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° až 105°.
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 4 až 6-válcové):
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:
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:
Hranice jednotlivých objemů u reálného motoru vypadají následovně:
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.
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:
Návrh regenerátoru je optimalizován podle tři základních hledisek: musí umožňovat regeneraci požadovaného množství tepla; tlakové ztráty co nejmenší; minimální mrtvý objem 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:
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:
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 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:
 |
16.821 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.
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):
ŠKORPÍK, Jiří. Stirlingův motor, Transformační technologie, 2009-06, [last updated 2013-03]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z https://www.transformacni-technologie.cz/seznam-clanku.html#33. English version: Stirling engine. Web: https://www.transformacni-technologie.cz/en_seznam-clanku.html#33.