Stirlingův motor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Stirlingův motor typu Alfa. Má dva válce. Expanzní válec (červený) je ohříván na vysokou teplotu. Kompresní válec (modrý) je chlazen. Potrubí spojující oba válce obsahuje regenerátor
Stirlingův motor typu Beta. Má jen jeden válec na jednom konci teplý a na druhém studený. Přehaněč, který není ve válci umístěn těsně, přesunuje pracovní plyn mezi teplým a studeným koncem válce. Pracovní píst na konci válce pohání pomocí klikového mechanizmu setrvačník

Stirlingův motor je tepelný stroj pracující s cyklickým stlačováním a expanzí vzduchu nebo jiného pracovního plynu. Stlačováním při nízké teplotě pracovního plynu a expanzí při vysoké teplotě pracovního plynu probíhá transformace tepelné energie na mechanickou práci.[1][2] Jde o motor s uzavřeným oběhem, s regenerativním ohřevem a se stálou náplní pracovního plynu. Uzavřený pracovní cyklus je definován jako termodynamický systém, ve kterém není s okolím vyměňován pracovní plyn, ale jen tepelná energie. Výměna tepla s okolím probíhá přes tepelné výměníky ohřívače a chladiče. Regenerátor je tepelný výměník, který uschovává tepelnou energii v době mezi expanzí a kompresí pracovního plynu. Regenerátor odlišuje Stirlingův motor od ostatních horkovzdušných motorů.

Vynalezen byl v roce 1816 jako konkurence parního stroje. Jeho praktické použití bylo omezeno na nízkovýkonné domácí nasazení.[3]

Stirlingův motor je významný pro svou vysokou účinnost v porovnání s parním strojem.[4] Stirlingovy motory jsou schopny dosáhnout 40% účinnosti, mají tichý chod, a umí využít téměř libovolný zdroj tepla. V současnosti zvyšuje jejich význam možnost použití alternativních a obnovitelných zdrojů energie, zvláště v případě použití motoru pro mikrokogeneraci.[5][6]

Jméno a zařazení[editovat | editovat zdroj]

Robert Stirling byl skotský vynálezce prvního teplovzdušného motoru s uzavřeným cyklem, který vynalezl v roce 1816. Aby se všechny takové stroje nazývaly Stirlingovy stroje, navrhl jako první Fleeming Jenkin v roce 1884. Tento návrh pojmenování se neujal okamžitě a různé typy strojů se nazývaly podle svých konstruktérů a výrobců. Například Ridersovy, Robinsonovy nebo Henriciho vzduchové motory. Ve čtyřicátých letech dvacátého století firma Philips hledala vhodné jméno pro svou verzi vzduchového motoru, který byl v té době testován s jiným pracovním plynem. V dubnu 1945 bylo vybráno jméno 'Stirlingův motor' které bylo použitelné bez omezení.[7][8]

Stejně jako parní stroj je Stirlingův motor tradičně zařazen jako motor s vnějším spalováním, protože je všechno teplo do nebo z pracovní látky přenášeno přes pevné stěny tepelných výměníků. Tím je spalovací proces a škodliviny, které při tom mohou vzniknout, izolován od pracovních částí stroje. To je rozdíl od spalovacího motoru, kde teplo vzniká spalováním paliva v pracovním plynu uvnitř stroje. Existuje mnoho možných provedení Stirlingova motoru, většina z nich spadá do kategorie pístových motorů.

Popis funkce[editovat | editovat zdroj]

Stroj je navržen tak, že pracovní plyn je obvykle stlačován ve studené části stroje a expandován v teplé části. Výsledkem je přeměna tepelné energie na mechanickou práci.[2] Vnitřní výměník tepla - regenerátor - zvětšuje tepelnou účinnost stroje oproti teplovzdušným strojům bez regenerátoru.

Hlavní části[editovat | editovat zdroj]

BetaStirlingTG4web.svg

Schéma Stirlingova motoru konfigurace beta s rombickým mechanismem:

  1. Růžová – Teplý konec válce
  2. Tmavě šedá – Studený konec válce
  3. Žlutá – Vstup a výstup chladící kapaliny
  4. Tmavě zelená – Tepelná izolace oddělující teplý a studený konce válce.
  5. Světle zelená – Píst přehaněče
  6. Tmavě modrá – Pracovní píst
  7. Světle modrá – Vazba kliky a setrvačníku
Nejsou zobrazeny zdroj tepla a odvod tepla. Píst přehaněče je zde zobrazen bez regenerátoru jehož použití je obvyklé.

Jako důsledek uzavřeného pracovního cyklu musí být všechno teplo pohánějící Stirlingův motor vedeno ze zdroje tepla do pracovního plynu přes výměník tepla ohřívače a následně musí být teplo odváděno z pracovního plynu přes výměník tepla chladiče.

Zdroj tepla[editovat | editovat zdroj]

Parabolické zrcadlo se Stirlingovým motorem v ohnisku a mechanikou pro sledování slunce v Plataforma Solar de Almería (PSA) ve Španělsku

Zdrojem tepla může být spalování paliva. Protože produkty spalování nepřichází do styku s pracovním plynem a tedy ani s vnitřními částmi stroje, může Stirlingův motor pracovat i s takovými palivy, která by mohla jiné typy strojů poškodit, jako například skládkovými plyny s obsahem siloxanu. Jiné výhodné zdroje tepla mohou být solární energie, geotermální energie, jaderná energie, odpadní teplo z technologických procesů nebo bioenergie. Při využití sluneční energie je výhodné, pro dosažení vysoké pracovní teploty, koncentrovat sluneční záření pomocí zrcadel nebo Fresnelových čoček. Při využívání obnovitelné energie se stále více prosazují právě sluneční kolektory se Stirlingovým motorem [9]

Ohřívač / výměník teplé strany[editovat | editovat zdroj]

V malých, málo výkonných motorech, může být ohřívač jednoduše zastoupen stěnou teplého prostoru. Stroje s větším výkonem vyžadují velkou plochu výměníků pro zajištění dostatečného přenosu tepla do pracovního plynu. Obvykle se používají vnitřní a vnější žebra, nebo mnoho malých trubic.

Návrh tepelného výměníku Stirlingova stroje vyžaduje nalezení kompromisu mezi velkou plochou pro zajištění vysokého tepelného přenosu s malými tlakovými ztrátami a malým mrtvým prostorem (vnitřní prostor nevyužitý pro zdvih pístů). Ve strojích pracujících při vysokých výkonech a tlacích, musí být tepelný výměník vyroben z materiálu, který dostatečně odolává mechanickému napětí, teplotě, korozi a deformaci.

Regenerátor[editovat | editovat zdroj]

Regenerátor ve Stirlingově motoru je vnitřní tepelný výměník a dočasný zásobník tepla umístěný mezi teplým a studeným prostorem tak, že pracovní plyn přes něj prochází střídavě v jednom a druhém směru. Jeho funkcí je uchování toho tepla v systému, které by jinak bylo vyměněno s okolím na teplotě mezi maximální a minimální teplotou oběhu.[10] Uchování tohoto tepla v systému umožňuje přiblížení účinnosti Stirlingova motoru k účinnosti Carnotova cyklu definovanou maximální a minimální teplotou oběhu.

Hlavní dopad regenerátoru ve Stirlingově stroji je zvětšení tepelné účinnosti 'recyklací' vnitřního tepla, které by jinak prošlo přes stroj [Termodynamický děj,nevratně]. Dalším efektem zvýšené účinnosti je zvýšení výkonu motoru při stejné konstrukci chladiče a ohřívače, která nejčastěji omezuje průchod tepla strojem. V praxi se tento přídavný výkon nedaří zcela využít kvůli zvětšenému mrtvému prostoru a tlakovým ztrátám, které jsou neoddělitelně spjaty s prakticky realizovatelným regenerátorem. Tyto ztráty tedy omezují dosažitelné zvětšení účinnosti stroje regenerátorem.

Při konstrukci regenerátoru Stirlingova stroje je cílem dosažení dostatečného tepelného výkonu a kapacity s minimálním přidaným objemem (mrtvý prostor) a odporem proudění. Tyto dva protichůdné požadavky tvoří konstrukční konflikt, jenž je jednou z mnoha příčin, které limitují účinnost prakticky realizovatelného Stirlingova stroje. Typickou konstrukcí je nádrž naplněná jemnými dráty nebo síťkou s nízkou pórovitostí pro redukci mrtvého prostoru a s dráty kolmo na osu proudění pro omezení tepelné vodivosti a pro zvětšení přenosu tepla konvekcí.[11]

Regenerátor je hlavní součástí stroje vymyšlenou Robertem Stirlingem. Jeho přítomnost odlišuje skutečný Stirlingův stroj od ostatních strojů s uzavřeným oběhem (horkovzdušných motorů). Mnoho hraček a především typů s nízkou teplotní diferencí nemá jasně oddělený regenerátor a bylo by je možné zahrnout do horkovzdušných motorů. Přesto je zajištěna jistá regenerace tepla povrchem přehaněče a blízkou stěnou válce, nebo potrubím spojující teplý a studený válec u alfa konfigurace stroje.

Chladič / výměník studené strany[editovat | editovat zdroj]

V malých strojích s malým výkonem může být chladič jednoduše tvořen stěnami studeného válce (objemu). Pak je teplo odváděno do okolního prostředí a chladná část tak dosahuje téměř teploty okolí. Dosažení vyššího výkonu je podmíněno zvýšením rozdílu teplot mezi částí ohřívanou a chladičem. Proto je zde často chladič tvořen výměníkem, který je ochlazován kapalinou, například vodou. Tato chladící kapalina je při provozu motoru ohřívána, získané teplo je pak možno použít pro vytápění - tomuto způsobu provozu se říká kogenerace. Stirlingův motor však umí využít tepelného spádu tvořeného na teplé straně okolním vzduchem a na chladné straně ledovou vodou, případně je chlazená studená strana kryogenně.

Přehaněč[editovat | editovat zdroj]

V Beta a Gama konfiguraci Stirlingova stroje je použit speciální píst, zvaný přehaněč, který přesunuje pracovní plyn z teplého prostoru do studeného a naopak. V závislosti na konfiguraci stroje může být přehaněč umístěn ve stejném válci jako pracovní píst, nebo může mít vlastní válec. Přehaněč může být ve válci s vůlí a umožňovat tak pracovnímu plynu proudit kolem sebe, nebo může být utěsněn a přesunovat plyn přes výměníky a regenerátor.

Konfigurace[editovat | editovat zdroj]

Existují dva hlavní typy Stirlingových strojů, které jsou rozlišeny způsobem, kterým přesunují pracovní plyn mezi teplou a studenou stranou stroje.

  1. S dvěma pracovními písty je znám jako alfa konfigurace. Má teplý a studený válec, každý se svým pístem. Pracovní plyn je přesunován z teplého válce do studeného a naopak.
  2. S přehaněčem je znám jako beta a gama konfigurace. Používá oddělený mechanický přehaněč pro přesunování pracovního plynu z teplého prostoru do studeného a naopak. Přehaněč musí být dostatečně velký, aby zajistil účinnou izolaci teplého a studeného prostoru a přesunul dostatek pracovního plynu.

Alfa Stirling[editovat | editovat zdroj]

Alfa Stirling má dva pracovní písty v oddělených válcích. Jeden je teplý a druhý studený. Teplý válec s expanzním objemem je umístěn ve vysoké teplotě ohřívače. Studený válec s kompresním objemem je umístěn v nízké teplotě chladiče. Tento typ má vysoký poměr výkonu k objemu, ale je zde technický problém s těsněním a mazáním teplého pístu při vysoké teplotě.[12] V praxi má teplý píst velkou izolovanou hlavu kvůli oddálení vedení a těsnění pístu od teplého prostoru, což přináší zvětšení mrtvého prostoru.

Činnost Alfa typu Stirlingova stroje[editovat | editovat zdroj]

Následující obrázek nezobrazuje vnitřní tepelné výměníky v kompresním a expanzním objemu, které jsou nutné pro dosažení výkonu. Regenerátor může být umístěn v potrubí spojujícím válce. Klikový mechanismus byl také vynechán.

Alpha Stirling frame 12.svg
1. Nejvíce pracovního plynu je v teplém válci v kontaktu se stěnami. Plyn se zahřívá a jeho roztahování pohání teplý píst ke dnu válce. Expanze pokračuje ve studeném válci který je 90° pozadu za teplým pístem v cyklu klikového mechanismu a odebírá energii horkému plynu.
Alpha Stirling frame 16.svg
2. Plyn má největší objem. Píst teplého válce začíná přesunovat plyn do studeného válce, kde se ochladí a tlak klesne.
Alpha Stirling frame 4.svg
3. Skoro všechen plyn je ve studeném válci a dále se ochlazuje. Studený píst hnaný klikovým mechanismem (nebo jiným párovým pístem na tom samém hřídeli) stlačuje pracovní plyn.
Alpha Stirling frame 8.svg
4. Plyn dosáhl minimálního objemu. Bude se v teplém válci ohřívat a expandovat. Přitom bude pohánět teplý píst při pracovního zdvihu.
Alpha Stirling.gif
Celý cyklus Stirlingova motoru typu Alfa

Beta Stirling[editovat | editovat zdroj]

Beta modifikace Stirlingova motoru má jeden pracovní píst ve stejném válci jako přehaněč. Přehaněč má vůli kolem stěn válce a nedodává žádný výkon. Při svém pohybu přesouvá pracovní plyn z teplého prostou do studeného a naopak. Při přesunu na teplý konec válce plyn expanduje a tlačí na pracovní píst. Při přesunu na studený konec se plyn smrští a setrvačnost stroje, obvykle setrvačník klikové hřídele, stlačí pracovním pístem plyn. Na rozdíl od Alfa modifikace se beta typ vyhnul technickým problémům s těsněním a mazáním pístu v horkém prostoru.[13]

Činnost Beta typu Stirlingova stroje[editovat | editovat zdroj]

Následující obrázek nezobrazuje vnitřní tepelné výměníky a regenerátor, které mohou být umístěny na potrubí kolem přehaněče. Regenerátor může být také umístěn v pístu přehaněče.

Beta Stirling frame 12.png
1. Pracovní píst (tmavě šedý) stačil plyn. Přehaněč (světle šedý) přesunul plyn na teplý konec válce.
Beta Stirling frame 16.png
2. Ohřátý plyn zvětšil svůj tlak a zatlačil pracovní píst na dno válce. Pracovní píst provedl pracovní zdvih.
Beta Stirling frame 4.png
3. Přehaněč přesunul plyn na studený konec válce.
Beta Stirling frame 8.png
4. Pracovní plyn je stlačován pracovním pístem poháněným setrvačníkem. Ke stlačení je potřeba méně energie, protože tlak v ochlazeném plynu klesne.
Stirling Animation.gif
Cyklus Beta typu Stirlingova stroje

Gama Stirling[editovat | editovat zdroj]

Gama modifikace Stirlingova motoru je v principu stejná jako Beta s tím rozdílem, že pracovní válec je umístěn ve svém vlastním válci. Plyn může volně procházet mezi oběma válci. Tato modifikace má menší kompresní poměr, ale je mechanicky jednodušší. Často se používá při víceválcovém provedení stroje.

Jiné typy[editovat | editovat zdroj]

Inženýři a vynálezci se stále zajímají i o jiné konfigurace Stirlingových strojů.

Hybrid mezi pístovou a rotační konfigurací je dvojčinný stroj. Má dva rotující přehaněče na obou stranách pracovního válce.

Horní pohled na dva rotační přehaněče napájející horizontální pracovní píst. Regenerátor a chladič nejsou pro jednoduchost zobrazeny

Rotační Stirlingovy stroje se snaží převést výkon ze Stirlingova cyklu přímo na točivý moment, podobně jako rotační spalovací motory. Žádný použitelný stroj nebyl dosud postaven. Bylo však vytvořeno spoustu návrhů, modelů a patentů. Například Motor Quasiturbine.[14]

Jinou alternativou je Kapalinový motor (Kapalinové tepelné čerpadlo). Ten využívá hydraulický píst implementující Stirlingův cyklus. Práce produkovaná kapalinovým motorem je přímo využita pro čerpání kapaliny. V nejjednodušší formě motor obsahuje jen pracovní plyn, kapalinu a dva zpětné ventily.

Návrh Ringbom motor byl publikován v roce 1907. Nemá žádné rotační mechanismy ani propojení na přehaněč. Ten je poháněn malým pomocným pístem, obvykle tlustou tyčí přehaněče, která omezuje jeho pohyb na dorazech.[15][16]

Dvouválcový Stirlingův motor s Rossovým vahadlem. Je to dvouválcový stroj s válci spojenými speciálním vahadlem. Konfigurace motoru s vahadlem byla vynalezena Andy Rossem.[17]

Franchotův motor je dvoučinný stroj vynalezený Fanchotem v devatenáctém století. Dvoučinný stroj je takový, kde jsou pro práci stroje využity obě strany pístu. Jedno z nejjednodušších provedení dvoučinného stroje je Franchotův motor. V dvou válcích má dva dvojčinné písty, které pracují jak dva samostatné stroje typu Alfa. V tomto stroji každý píst současně pracuje ve dvou fázích plynového oběhu. To vede k efektivnějšímu využití mechanických dílů, než u jednočinného stroje. Nevýhodou tohoto provedení je vedení pístní tyče pístu přes stěnu horkého válce. To je při vysokých teplotách krajně obtížné.

Stirlingův stroj s volnými písty[editovat | editovat zdroj]

Různé konfigurace Stirlingových motorů s volnými písty... F. "Volný válec", G. "Kapalinový", H. "Dvojčinný (obvykle 4 válce)"

Mezi Stirlingovy stroje s volnými písty se řadí například ty s kapalinovými písty nebo s membránou místo pístu. V zařízení s volným pístem může být energie dodávána nebo odebírána lineárním elektrickým motorem nebo generátorem, lineárním čerpadlem nebo jiným lineárním zařízením. To odstraňuje použití klikového mechanismu a omezuje počet pohyblivých částí. Některé návrhy téměř odstraňují tření a opotřebení použitím plynových ložisek nebo velice přesných zavěšení pomocí planárních pružin.

Čtyři základní fáze termodynamického oběhu Stirlingových strojů s volnými písty:

  1. Pracovní píst je vytlačován expandujícím plynem a tím koná práci. Gravitace se v této fázi neuplatňuje.
  2. Objem plynu se ve stroji zvětšuje a proto klesá tlak. To je příčinou tlakové diference na tyči přehaněče, která žene přehaněč na teplý konec. Když se přehaněč pohybuje, pracovní píst téměř stojí a proto je objem plynu skoro konstantní. Plyn se ochlazuje. To vede při konstantním objemu ke snižování tlaku plynu.
  3. Snížený tlak zastaví vytlačování pracovního pístu a obrátí jeho pohyb k teplému konci. Svojí setrvačností stlačuje studený plyn, který je nyní hlavně ve studeném části válce.
  4. Jak se tlak zvětšuje, tlaková diference(??) na tyči přehaněče se obrátí a dosáhne takové velikosti, že přemístí přehaněč ke studenému konci a plyn do teplého prostoru při jeho téměř konstantním objemu. Plyn se ohřívá a tlak roste. Zvýšený tlak začíná vytlačovat pracovní píst a následuje fáze expanze, jak je popsána v bodu (1).

V šedesátých letech dvacátého století W. T. Beale vynalezl verzi Stirlingova motoru s volnými písty při snaze o překonání problémů s mazáním klikového mechanismu.[18] Od té doby je vynález základního Stirlingova stoje s volnými písty připisován Bealeovi. Nezávisle na něm byly podobné typy navrženy E. H. Cooke-Yarboroughem and C. Westem z Harwellových laboratoří v UKAERE. G. M. Benson měl také důležité rané příspěvky a patentové přihlášky mnoha nových konfigurací stroje s volným pístem.[19][20]

Jako první zmínka stroje se Stirlingovým oběhem a volně se pohybujícími částmi se jeví přihláška Britského patentu z roku 1876.[21] Tento stroj byl zamýšlen jako lednička (obrácený Stirlingův cyklus). První zařízení prodávané jako spotřební zboží používající Stirlingův stroj s volnými písty byla přenosná lednička vyráběná Japonskou společností Twinbird Corporation v roce 2004.

Plochý Stirlingův motor[editovat | editovat zdroj]
Řez plochým Stirlingovým motorem: 10. Teplý válec 11. Objem A Teplého válce 12. Objem B Teplého válce 17. Membrána Teplého pístu 18. Topné médium 19. Pístní tyč 20. Studený válec 21. Objem A studeného válce 22. Objem B studeného válce 27. Membrána studeného pístu 28. Chladící médium 30. Pracovní válec 31. Objem A Pracovního válce 32. Objem B Pracovního válce 37. Membrána Pracovního pístu 41. Hmota regenerátoru objemu A 42. Hmota regenerátoru objemu B 48. Akumulátor tepla 50. Tepelná izolace 60. Generátor 63. Magneticky obvod 64. Elektrické vinutí 70. Kanál spojující Teplý a Pracovní válec

Návrh plochého dvojčinného Stirlingova motoru řeší pohon přehaněče rozdílnou plochou teplého a studeného pístu přehaněče. Obejde se tak bez dalších mechanických rozvodů. Použití membrán odstraňuje třecí plochy a použití mazadel. Zadržení pracovního pístu v krajní poloze generátorem, v době pohybu přehaněče, přibližuje pracovní cyklus motoru k ideálnímu Stirlingovu oběhu. Ploché provedení zvětšuje plochu tepelných výměníku v poměru k objemu stroje. Ploché provedení pracovního válce přibližuje tepelný děj při expanzi a kompresi k izotermickému. Nevýhodou je velká plocha tepelné izolace mezi teplým a studeným prostorem.[22][23]

Termoakustický cyklus[editovat | editovat zdroj]

Termoakustická zařízení se od Stirlingových motorů výrazně liší, ale každá individuální část pracovního plynu v termoakustickém zařízení sleduje skutečný Stirlingů cyklus. Mezi tato zařízení se počítají termoakustický motor a temoakustickou ledničku. Akustické stojaté vlny s vysokým výkonem stlačují a expandují pracovní plyn podobně jako ve Stirlingově motoru pracovní píst, zatímco akustické postupné vlnění působí přesunování pracovního plynu podél teplotního gradientu podobně jako přehaněč Stirlingova motoru. Termoakustická zařízení tak nemají přehaněč, jaký je v Beta nebo Gama typech Stirlingova stroje.

Historie[editovat | editovat zdroj]

Vynález a raný vývoj[editovat | editovat zdroj]

Ilustrace s patentové přihlášky horkovzdušného motoru Roberta Stirlinga z roku 1816, který začal být později známý jako Stirlingův motor

Stirlingův motor (v té době také nazývaný Stirlingův vzduchový motor) byl vynalezen a patentován Robertem Stirlingem v roce 1816.[24] Předcházely ho dřívější pokusy o výrobu vzduchového motoru. Stirling pravděpodobně uvedl do provozu první horkovzdušný motor, když byl jím postavený stroj v roce 1818 využit k čerpání vody v lomu.[25]

Nejdůležitější originální myšlenkou Stirlingova patentu byl tepelný výměník zvaný "Ekonomizér" který zlepšoval spotřebu paliva v různých oblastech použití. Patent také do podrobností popisuje využití jedné formy ekonomizéru ve Stirlingově jedinečném návrhu horkovzdušného motoru s uzavřeným oběhem.[26] V tomto použití je nyní všeobecně známý jako 'regenerátor'. Následný vývoj Roberta Stirlinga a jeho bratra Jamese, technika, vyústil v patenty různých vylepšených uspořádání původního stroje, včetně zvýšeného tlaku, který měl v roce 1843 dostatečně vysoký výkon, aby mohl hnát všechny stroje ve slévárně železa ve skotském městě Dundee.[27] Třebaže to bylo zpochybňováno[28], je obecně předpokládáno, že stejně jako úsporou paliva, byl vynálezce motivován snahou vytvořit bezpečnější motor namísto parního stroje. Časté výbuchy kotlů parních strojů v té době zranily nebo zabily mnoho lidí.[29][30][31]

Potřeba provozovat Stirlingův motor při vysoké teplotě pro dosažení maximálního výkonu a účinnosti vedla toho času k překračování limitů namáhání materiálu. Těch několik motorů, které byly postaveny v této rané době, trpělo nepřijatelně častými poruchami (ačkoli s daleko menšími následky než při výbuchu kotle[32]). Například stroj ve slévárně v Dundee byl nahrazen parním strojem, když ve čtyřech letech potřetí praskl horký válec.[33]

Konec devatenáctého století[editovat | editovat zdroj]

Typický motor vodního čerpadla přelomu devatenáctého a dvacátého století vyrobený v "Rider-Ericsson Engine Company"

Po zprávách o poruchách motoru ve slévárně v Dundee nejsou žádné záznamy, že by se bratři Stirlingovi dále účastnili vývoje teplovzdušných motorů. Stirlingův motor již nesoutěžil s parním strojem jako zdroj síly pro průmysl (parní kotle se staly bezpečnější[34] a parní stroje účinnější a tak představovaly menší cíl pro konkurenci). Nicméně asi od roku 1860 byly ve významném počtu vyráběny menší teplovzdušné Stirlingovy stroje pro takové aplikace, kde byl potřeba dostupný zdroj malého nebo středního výkonu, například pro čerpání vody nebo stlačování vzduchu pro varhany v kostele.[35] Tyto motory pracovaly na nižší teplotě, takže nekladly takové nároky na dostupné materiály, třebaže relativně nebyly tak účinné. Ale jejich obchodní výhoda byla v tom, že na rozdíl od parních strojů mohly pracovat bezpečně při obsluze kýmkoliv, kdo byl schopen zacházet s ohněm.[36] Katalog firmy Rider-Ericsson Engine Co. z roku 1906 zaručuje, že jakýkoliv domácí nebo zahradník může obsluhovat tento motor a není potřeba žádný diplomovaný nebo zkušený technik. Pár typů zůstalo ve výrobě i po začátku dvacátého století, ale mimo několika málo mechanických zlepšení se v této době konstrukce Stirlingova stroje v zásadě nevyvíjela.[37]

Vzkříšení ve dvacátém století[editovat | editovat zdroj]

Začátkem dvacátého století byl Stirlingův motor v roli domácího motoru[38] postupně nahrazen elektromotorem a malým spalovacím motorem. Před třicátými léty dvacátého století byly Stirlingovy motory skoro zapomenuty a vyráběly se jen jako hračky a jako pohon malých ventilátorů.[39] V tom čase firma Philips hledala možnosti obchodní expanze pro jimi vyráběné radiopřijímače v těch částech světa, kde nebyl zaveden elektrický proud a dostupnost baterii byla nejistá. Vedení společnosti rozhodlo, že nabídne přenosný generátor s malým výkonem, který možní takový odbyt. Pověřilo skupinu techniků ve výzkumné laboratoři společnosti v Eindhovenu, ať vyhodnotí alternativní cesty k dosažení tohoto záměru. Po systematickém průzkumu různých motorů se tým rozhodl dále pokračovat se Stirlingovým motorem. Ocenili u něho zvláště tichý chod, nízké rušení rádiových frekvencí a schopnost pracovat s různými zdroji tepla (upřednostněn byl obyčejný olej do lamp - "levný a kdekoli dostupný").[40] Byli si také vědomi, že na rozdíl od parního stroje a spalovacího motoru nebyl na tomto poli mnoho roků podniknut žádný faktický vývoj. Usoudili proto, že moderní materiály a know-how by dovolily velké zlepšení.[41]

V roce 1951 byla připravena do výroby 180/200W generátorová sada označená MP1002CA (známá jako "Bungalov set"). Bylo naplánováno vyrobit první sérii o 250 kusech, ale brzy bylo jasné, že nemohou být vyrobeny v přijatelné ceně v době nástupu tranzistorových přijímačů s jejich minimální spotřebou. Tím zanikl původní důvod pro jejich výrobu, přesto bylo vyrobeno přibližně 150 těchto sad.[42] Některé si našly cestu na univerzity a technické fakulty v celém světě[43] a daly tak generacím studentů hodnotný úvod do problematiky Stirlingova motoru.

Souběžně se sadou MP1002CA vyvinul Philips experimentální Stirlingův motor pro širokou řadu použití a pokračoval na tomto poli vývoje do konce sedmdesátých let. Obchodního úspěchu ale dosáhl jen s "Reverzním Stirlingovým strojem" - kryogenickým chladícím strojem. Přesto dosáhl mnoha patentů a shromáždil mnoho hodnotných informací, které licencoval jiným společnostem a které tvořily základ mnoha vývojových prací v moderní době.[44]

Philips MP1002CA Stirlingův generátor z roku 1951

Další vývoj[editovat | editovat zdroj]

V roce 1986 začala společnost Infinia s vývojem vysoce spolehlivého pulsního Stirlingova motoru s volným pístem a současně termoakustického chladiče používajícího obdobnou technologii. Zveřejněný návrh používal pružinová ložiska a jako pracovní plyn helium v hermeticky uzavřené nádobě pro dosažení testované spolehlivosti překračující 20 let. Do roku 2010 společnost shromáždila více jak 30 patentů a vyvinula mnoho komerčních produktů pro kombinované topení a chlazení a pro výrobu elektřiny ze slunečního záření.[45] V poslední době uvažuje NASA o využití Stirlingova motoru ohřívaného radioaktivním rozpadem pro generování elektrické energie na kosmických sondách, které budou zkoumat vnější oblasti sluneční soustavy.[46]

Teorie[editovat | editovat zdroj]

Graf závislosti tlaku na objemu ideálního Stirlingova oběhu

Ideální Stirlingův oběh sestává ze čtyř termodynamických dějů probíhajících v pracovní plynu.

  • Izotermická expanze probíhá při konstantní teplotě. Expanzní prostor a připojený výměník tepla (ohřívač) je udržován na konstantní vysoké teplotě. V pracovní plynu probíhá téměř izotermická expanze a plyn přijímá teplo z tepelného zdroje.
  • Izochorické chlazení probíhá při konstantním objemu. Pracovní plyn protéká přes regenerátor z teplého prostoru do studeného. V regenerátoru je plyn ochlazován a odevzdává teplo do jeho hmoty. Toto teplo bude využito v dalším cyklu ohřevu.
  • Izotermická komprese probíhá při konstantní teplotě. Kompresní prostor a výměník tepla (chladič) je udržován na konstantní nízké teplotě. V pracovním plynu probíhá téměř izotermická komprese a plyn odevzdává teplo do chladícího media.
  • Izochorický ohřev probíhá při konstantním objemu. Pracovní plyn protéká přes regenerátor z chladného prostoru do teplého. V regenerátoru je plyn ohříván a odebírá teplo z jeho hmoty. Toto teplo tam bylo odevzdáno v předcházejícím cyklu chlazení.

Teoretická termodynamická účinnost je rovna účinnosti v teoretickém Carnotově cyklu. Ten určuje nejvyšší dosažitelnou účinnost jakýmkoliv tepelným strojem. Jakkoliv je to užitečné pro ilustraci základních principů, učebnicové příklady termodynamických cyklů jen vzdáleně představují skutečný oběh uvnitř reálného Stirlingova stroje a měly by být považovány pouze za počáteční bod analýzy. To, že jsou bez rozmyslu užívány v mnoha standardních knihách technické termodynamiky, je špatnou službou pro studium Stirlingových motorů všeobecně.[47][48]

Účinnost skutečných strojů je snižována ze dvou hlavních důvodů: přenosu tepla vedením přes stěny výměníků a tlakových ztrát při proudění pracovního plynu v potrubí stroje. Existují také praktická mechanická omezení. Například jednoduchý klikový mechanismus muže být upřednostněn před složitějším mechanismem potřebným pro přiblížení k ideálnímu cyklu a omezení způsobená dostupnými konstrukčními materiály jako je reálný plyn použitý jako pracovní, tepelná vodivost, pevnost v tahu, deformace, pevnost v ohybu, a teplota tání materiálu. Často nastolenou otázkou je, zda ideální termodynamický cyklus, jako izotermická expanze a komprese, je opravdu správný ideální oběh použitelný pro Stirlingův stroj. Profesor C. J. Ralis ukázal, že je velmi obtížné představit si nějaké podmínky, kdy se může expanzní a kompresní prostor přiblížit k izotermickému chování a zda není mnohem více realistické představit si je jako adiabatické.[49] V jedné ideální analýze je expanzní a kompresní prostor uvažován jako adiabatický s izotermickým výměníkem tepla a dokonalým regenerátorem. To je Rallisem prezentováno jako lepší ideální měřítko pro Stirlingův stroj. Rallis tento oběh nazývá 'pseudo-Stirlingův oběh' nebo 'ideální adiabatický Stirlingův oběh'. Důležitým důsledkem tohoto ideálního oběhu je, že nepředpokládá Carnotovu účinnost. Dalším poznatkem odvozeným z tohoto ideálního cyklu je, že maximální účinnosti je dosaženo při nízkých kompresních poměrech, což je typický rys pozorovaný u skutečných strojů. V nezávislé práci T. Finkelsteina se také v analýze Stirlingova stroje předpokládá adiabatický expanzní a kompresní prostor.[50]

Provoz[editovat | editovat zdroj]

Vzhledem k tomu, že Stirlingův motor je stroj s uzavřeným cyklem, obsahuje stálou náplň plynu nazývanou "pracovní médium", nejčastěji vzduch, vodík nebo hélium. Při normálním provozu je stroj utěsněný a množství plynu se v něm nemění. Nejsou potřebné žádné ventily na rozdíl od jiných typů pístových motorů. Stirlingův motor, podobně jako jiné typy pístových motorů, prochází čtyřmi hlavními pracovními fázemi: chlazením, kompresí, ohřevem a expanzí. To je dosaženo přesunováním pracovního plynu tam a zpátky mezi teplým (ohřívačem) a studeným (chladičem) tepelným výměníkem, často přes regenerátor mezi ohřívačem a chladičem. Ohřívač je v tepelném kontaktu s externím zdrojem tepla, jako je například hořák pro spalování paliva. Chladič je v tepelném kontaktu s chladícím médiem jako například vzduchem nebo vodou. Změna teploty způsobí příslušnou změnu tlaku plynu, zatímco pohyb pracovního pístu způsobí expanzi nebo kompresi plynu.

Plyn se chová v souladu s termodynamickými zákony, které popisují, v jakém vzájemném vztahu jsou stavové veličiny plynu tlak, teplota a objem. Když se ohřívá plyn uzavřený v těsném prostoru, jeho tlak roste a působí na pracovní píst, který koná pracovní zdvih a vykonává práci. Když je plyn chlazen, jeho tlak klesá a proto je možné jej opět stlačit při vratném zdvihu s vynaložením menší práce. Z rozdílu práce získané při pracovním zdvihu a spotřebované při vratném zdvihu dostaneme čistou získanou práci na jeden pracovní cyklus.

Dosažení ideálního Stirlingova oběhu je v praxi nemožné. Reálné Stirlingovy stroje jsou v podstatě méně efektivní než Ottův cyklus ve spalovacím motoru. Účinnost Stirlingova motoru je spojena s okolní teplotou: větší účinnost je dosažena, když je okolní teplota (ovlivňující chladič) nižší. Proto je použití tohoto typu motoru méně zajímavé v místech s teplejším klimatem. Stejně jako u jiných motorů s vnějším spalováním, Stirlingovy motory mohou používat jiné zdroje tepla než spalování.

Když je válec stroje otevřený, působí na jednu stranu pístu atmosférický tlak a činnost motoru je mírně odlišná. Při pracovním zdvihu koná plyn práci nejen proti pístu, ale také proti atmosferickému tlaku. Při kompresním zdvihu naopak působí na pracovní plyn píst s podporou atmosférického tlaku.

Pro shrnutí, Stirlingův stroj využívá teplotního rozdílu mezi teplým a studeným koncem pro činnost termodynamického cyklu na uzavřeném pracovním plynu. Plyn při zahřívání expanduje, při chlazení je stlačován. Tak motor transformuje tepelnou energii na mechanickou práci. Větší teplotní diference mezi ohřívačem a chladičem znamená vyšší tepelnou účinnost. Maximální možná tepelná účinnost je rovna účinnosti Carnotova cyklu. Účinnost reálných strojů je však menší z důvodů tření a ostatních ztrát.

Video ukazuje pracovní píst a přehaněč velmi malého Stirlingova motoru v provozu

Byly vyrobeny motory s velmi malým výkonem, které pracují s teplotním rozdílem méně jak 0.5K.[51]

Ve Stirlingově motoru s přehaněčem je pracovní píst a přehaněč. K provozu motoru je nutný teplotní rozdíl mezi spodní a horní částí velkého válce přehaněče. V případě nízkoteplotního Stirlingova motoru může být teplotní rozdíl mezi rukou a okolním vzduchem dostatečný pro práci stroje. Pracovní píst je ve svém válci těsný a svým pohybem nahoru a dolů řídí stlačování vzduchu. Naopak přehaněč je ve svém válci volný a tak podle jeho pohybu může vzduch volně procházet mezi teplým a studeným prostorem. Přehaněč tak svým pohybem nahoru a dolů řídí ohřívání a chlazeni plynu v stroji.

Máme dvě polohy 1) Když je přehaněč v horní části svého velkého válce. Většina plynu se ve stroji ohřívá a zvětšuje tlak. Ten pohání pracovní píst nahoru a plyn expanduje.

2) Když je přehaněč v dolní části svého velkého válce. Většina plynu ve stroji chladne a tlak se snižuje. Pracovní píst se pohybuje dolů a stlačuje plyn.

Tlakování[editovat | editovat zdroj]

Ve Stirlingových motorech s vysokým výkonem je jak průměrný tak i minimální tlak nad atmosferickým tlakem. Počáteční natlakování stroje je možné provést kompresorem, z tlakových lahví nebo utěsněním stroje při průměrné teplotě nižší než je průměrná pracovní teplota. Všechny tyto možnosti zvětšují hmotnost pracovního plynu v termodynamickém cyklu. Všechny tepelné výměníky stroje musí být navrženy s nezbytnou velikostí pro zajištění potřebného výkonu přenosu tepla. Pokud jsou tepelné výměníky dobře navrženy, takže zvládnou požadovaný výkon, pak je v prvním přiblížení strojem produkovaný výkon v poměru k průměrnému tlaku určen Westovým a Belaeho číslem. V praxi je maximální tlak také omezen bezpečným tlakem konstrukce stroje. Návrh Stirlingova stroje je určován optimalizací více parametrů, které jsou často ve vzájemném rozporu.[52] Zvětšování výkonu zvyšováním tlaku vyžaduje současné zvyšování přenosu tepla. To je obtížné, protože zvětšování tlaku současně vyžaduje zvětšování tloušťky stěn tlakových částí stroje a to snižuje jejich tepelnou vodivost a přenos tepla.

Mazání a tření[editovat | editovat zdroj]

Moderní Stirlingův motor s generátorem s 55 kW elektrickým výkonem pro kombinovanou výrobu tepla a el.proudu

Pokud je použit vzduch jako pracovní plyn nebo je-li jím natlakována kliková skříň, může kyslík při vysoké teplotě a tlaku prudce reagovat s mazacím olejem a přivodit tak výbuch. V důsledku takové exploze zahynula nejméně jedna osoba.[53] Mazadla mohou také zanést tepelné výměníky, zvláště regenerátor. Z těchto důvodů konstruktéři upřednostňují materiály s nízkým koeficientem tření (jako teflon nebo grafit), které nevyžadují mazání, s nízkými normálovými silami na pohyblivé části zvláště na tlakové ucpávky. Některé konstrukce zcela odstraňují třecí části použitím membrán jako těsných pístů. Tyto úpravy snižují u Stirlingových strojů nároky na údržbu a umožňují jim dosáhnout delší životnosti ve srovnání se spalovacími motory.

Rozbor[editovat | editovat zdroj]

Porovnání s motorem s vnitřním spalováním[editovat | editovat zdroj]

V protikladu ke spalovacímu motoru může Stirlingův motor snadněji využít tepla z obnovitelných zdrojů, je tišší a spolehlivější s nižšími nároky na údržbu. Je výhodnější v takových aplikacích, kde se uplatní tyto jejich unikátní vlastnosti a také částečně tam, kde je cena za generovanou energii ($/kWh) důležitější než finanční nároky na jednotku výkonu ($/kW). Podle těchto kritérií jsou Stirlingovy motory cenově konkurenční do výkonu asi 100 kW.[54]

Ve srovnání se spalovacím motorem toho samého výkonu mají Stirlingovy motory větší pořizovací náklady, jsou obvykle větší a těžší. Nicméně jsou účinnější než většina spalovacích motorů.[55] Díky jejich nižším nárokům na údržbu jsou celkové náklady na jednotku energie srovnatelné. Tepelná účinnost je také srovnatelná (pro malé motory), v rozsahu od 15 % do 30 %.[54] Pro aplikace jako je mikrokogenerace jsou často Stirlingovy motory preferovány před spalovacími. Další aplikace jsou při čerpání vody, v kosmonautice a generování el. energie z rozptýlených zdrojů energie jako je sluneční záření, biomasa, zemědělské odpady a další odpady například z domácností. Stirlingovy motory jsou také použity pro pohon ponorek třídy Gotland ve Švédsku.[56] Stirlingovy motory však nemohou konkurovat spalovacím motorům při použití v automobilech pro svoji vysokou cenu na jednotku výkonu, malý výkon na jednotku hmotnosti a vysokou cenu materiálu. Základní rozbor je založen na uzavřené formě Schmidtovy analýzy.[57][58]

Výhody[editovat | editovat zdroj]

  • Stirlingův stroj může přímo pracovat s mnoha dostupnými zdroji tepla, ne jen s teplem ze spalování. Může využívat energii sluneční, geotermální, biologické teplo, atomové zdroje nebo odpadní teplo z průmyslových procesů.
  • Teplo může být generováno při plynulém spalování v ideálních podmínkách pro tento proces. Tak je možné omezit emise ve srovnání s přerušovaným vnitřním spalováním ve spalovacím motoru.
  • Některé typy Stirlingových motorů mají ložiska a ucpávky jen na studené straně motoru. Proto spotřebují méně mazadel a ty mají větší životnost než u jiných typů pístových motorů.
  • Mechanické části stroje jsou v některých směrech jednodušší než u ostatních pístových motorů. Nepotřebuje žádné ventily a hořák může být relativně jednoduchý. Jednoduché motory mohou být vyrobeny z běžně dostupných materiálů.[59]
  • Stirlingovy motory užívají pracovní látku jen v plynném skupenství udržovanou na tlaku blízko tlaku návrhového. Při dobré konstrukci je nízké nebezpečí exploze. Pro porovnání - parní stroje užívají dvě skupenství: vodu a páru. Při poruše pojišťovacího ventilu tak může dojít k explozi.
  • V některých případech, kdy je pracovní tlak nízký, je možné použít válce z lehkého materiálu.
  • Při použití v ponorkách mohou pracovat tiše a bez zdroje vzduchu.
  • Startují snadno (i když pomalu a až po zahřátí) a jsou účinnější při studeném počasí na rozdíl od spalovacích motorů. Ty startují rychle v teple, ale při studeném počasí obtížně.
  • Stirlingův motor pro pohon čerpadla může být chlazen přímo čerpanou vodou. Při čerpání studené vody tak má vyšší účinnost.
  • Jsou univerzální. Mohou být použity pro kogeneraci v zimě a v létě pro chlazení.
  • Teplo z chlazení je snadno využitelné (ve srovnání s odpadním teplem spalovacích motorů) při kogeneraci.

Nevýhody[editovat | editovat zdroj]

Velikost a cena[editovat | editovat zdroj]
  • Konstrukce Stirlingova motorů vyžaduje použití výměníků pro přívod a odvod tepla. Výměníky musí být navrženy na tlak pracovního plynu, který je úměrný výkonu stroje. Výměník ohřívače často pracuje při velmi vysokých teplotách, takže jeho materiál musí být odolný vůči těmto teplotám, musí odolávat korozivnímu prostředí hořáku a deformacím. Požadavek na takové materiály obvykle podstatně zvyšuje cenu stroje. Materiál a výrobní náklady výměníku ohřívače obvykle tvoří 40 % ceny celého stroje.[53]
  • Všechny termodynamické cykly vyžadují pro dosažení vysoké účinnosti vysoké teplotní rozdíly. V motoru s vnějším spalováním je vždy teplota ohřívače vyšší nebo rovna expanzní teplotě pracovního plynu. To znamená, že metalurgické požadavky na ohřívač jsou velmi náročné. To je podobné u spalovací turbíny, ale rozdílné u zážehového nebo vznětového spalovacího motoru, kde expanzní teplota může daleko přesahovat metalurgické limity použitých materiálů, protože teplo neprochází přes stěny motoru a materiál je tak vystaven teplotám blíže průměrným teplotám pracovního plynu a může byt také účinně chlazen. Stirlingův cyklus není v současnosti dosažitelný. Skutečné cykly ve Stirlingových strojích mají menší účinnost než je teoretický limit. Účinnost je také menší, když je okolní teplota vyšší. Motor tak mívá lepší účinnost ve studeném prostředí, jako například v severských zemích v zimě.
  • Odvod tepla je zvláště obtížný, protože pro zvýšení tepelné účinnosti je nutné teplotu chladiče udržovat co nejnižší. To zvětšuje velikost výměníku chladiče a značně zvětšuje velikost motoru. Spolu s cenou materiálu to byl jeden z důvodů, proč nebyl Stirlingův motor využit při pohonu dopravních prostředků. Pro jiné použití, jako například v lodní dopravě a u stacionárních kogeneračních jednotek, není vysoký výkon na kilogram nutný.[60]
Výkon[editovat | editovat zdroj]
  • Stirlingovy motory, zvlášť ty, které pracují na malé teplotní diferenci, jsou velmi velké v porovnání s výkonem, který produkují (mají nízký specifický výkon). Hlavním důvodem je nízký součinitel přenosu tepla vedením pro plyny, který omezuje tepelný výkon dosažitelný ve výměnících tepla. Ten je u chladiče obvykle 500 W/(m2·K), a u ohřívače okolo 500–5000 W/(m2·K).[52] Proto je mnohem výhodnější přenášet teplo do a z motoru s pracovním plynem, jak se to děje ve spalovacích motorech. Povrch (a cena) výměníku tepla na 1 kW roste s druhou mocninou 1/delta T (převrácené hodnotě teplotní diference na výměníku) a tu je nutné udržovat co nejmenší kvůli termodynamické účinnosti. Proto je měrná cena motorů s nízkým teplotní rozdílem mezi ohřívačem a chladičem velmi vysoká. Snaha o zvětšování výkonu vede k zvětšování teplotních rozdílu a pracovního tlaku. Výměníky tepla jsou pak navrhovány s vysokým tepelným zatížením, aby byly schopny přenést dostatek tepla.
  • Stirlingovy motory nemohou startovat okamžitě. Potřebují doslova nahřát. To platí pro všechny motory s vnějším spalování, ale pro Stirlingovy motory může být čas ohřevu delší než pro jiné typy jako třeba pro parní stroj. Nejlepší využití Stirlingova stroje je pro dodávku konstantního výkonu.
  • Stirlingův stroj udržuje stálý výkon závislý na tlaku pracovního plynu a rozdílu teplot mezi ohřívačem a chladiče. Konstrukce umožňující rychlé změny je proto obtížná a vyžaduje použití dalších mechanismů. Obvykle je výkon řízen změnou zdvihu přehaněče, změnou množství pracovního plynu (změnou jeho tlaku) nebo změnou fázového úhlu mezi pracovním pístem a pístem přehaněče. V jednoduchých případech změnou zatížení motoru. Tato vlastnost není tak nevýhodná v hybridním elektrickém pohonu nebo při stálém zatížení, kde je konstantní výkon žádaný.
Výběr pracovního plynu[editovat | editovat zdroj]

Použitý pracovní plyn by měl mít malou tepelnou kapacitu. Dané množství přeneseného tepla pak vede k větší změně tlaku. V souladu s tímto předpokladem by nejlepším pracovním plynem bylo helium pro jeho velmi nízkou tepelnou kapacitu. Vzduch je použitelný pracovní plyn[61], ale kyslík ve velmi stlačeném vzduchu v kombinaci s hořlavými mazadly může způsobit výbuch.[53] Po jednom takovém případě, aby se zabránilo tomuto riziku, propagoval Philips použití jiných plynů.

  • Vodík s nízkou viskozitou a velkou tepelnou vodivostí je nejlepším pracovním plynem pro dosažení vysokého výkonu, primárně pro možnost vysoké rychlosti motoru. Pro svoji nízkou molekulární hmotnost je snadno absorbován a lehce difunduje, zvláště při vysoké teplotě. H2 tak může unikat i přes kovový materiály ohřívače. Difuze přes uhlíkatou ocel je příliš velká, aby zde byl vodík použitelný. Přijatelný může být pro takové materiály, jako je hliník nebo nerezavějící ocel. Také některé druhy keramiky značně omezují difúzi. Pro udržení tlaku uvnitř stroje bez nutnosti doplňování ztrát pracovního plynu jsou nutné hermetické tlakové nádoby. Pro motory s vysokým teplotním rozdílem mohou být nutné pomocné systémy pro doplňování vysoce stlačeného pracovního plynu. Použitá může být tlaková láhev nebo generátor plynu. Vodík může být generován elektrolyticky z vody nebo reakcí páry se žhavým uhlíkem, zplyněním uhlovodíkového paliva nebo reakcí kyseliny s kovem. Vodík také může způsobit křehnutí kovů. Vodík je hořlavý plyn, který je nebezpečný, pokud se dostane mimo stroj.
  • Nejdokonalejší Stirlingovy motory, jaké byly vyvinuty ve vládních laboratořích Spojených států, používají jako pracovní plyn helium, protože jeho účinnost a hustota výkonu jsou blízké vodíku s menším omezením na použitý materiál. Helium je inertní plyn, což odstraňuje nebezpečí požáru. Helium je poměrně drahé a musí být dodáváno v tlakových lahvích. Při jednom testu na Stirlingově motoru GPU-3 bylo zjištěno, že při použití vodíku místo hélia byla o 5 % větší absolutní a o 24 % relativní účinnost.[62] Výzkumník Allan Organ předvedl, že dobře navržený vzduchový motor je teoreticky stejně účinný jako vodíkový nebo heliový, ale je mnohokrát méně výkonný na jednotku objemu.
  • Některé motory používají jako pracovní plyn vzduch nebo dusík. Dosahují sice mnohem menší výkonové hustoty (což zvyšuje cenu), ale, co je praktičtější, minimalizují problémy s udržením a doplňováním plynu (což snižuje cenu). Použití stlačeného vzduchu v kontaktu s mazivy zvyšuje nebezpečí výbuchu kvůli vysokému parciálnímu tlaku kyslíku. Kyslík může být ze vzduchu odstraněn oxidačními reakcemi nebo může být použit stlačený dusík, který je skoro inertní a velmi bezpečný.
  • Další použitelné plyny lehčí než vzduch jsou methan a čpavek.

Použití[editovat | editovat zdroj]

Stirlingovy stroje jsou využitelné od topení a chlazení až k pohonu ponorek. Stirlingův stroj může pracovat reverzně jako tepelné čerpadlo pro chlazení a topení. Další použití zahrnuje: kogenerace elektřiny a tepla, solární kolektory, Stirlingovy kryogenické generátory, tepelná čerpadla, námořní motory a motory pro malé tepelné spády.

Alternativy[editovat | editovat zdroj]

Jako náhrada za Stirlingovy motory pro využití tepelné energie může být použit termočlánek. Ten má menší tepelnou účinnost (5-10 %), ale může být užitečný v situacích, kdy je potřeba elektrická energie a velikost generátoru je důležitá.

Reference[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Stirling engine na anglické Wikipedii.

  1. "Stirling Engines", G. Walker (1980), Clarenden Press, Oxford, page 1: "A Stirling engine is a mechanical device which operates on a *closed* regenerative thermodynamic cycle, with cyclic compression and expansion of the working fluid at different temperature levels."
  2. a b W.R. Martini (1983), p.6
  3. T. Finkelstein; A.J. Organ (2001), Chapters 2&3
  4. Stirling engines capable of reaching 40% efficiency
  5. Sleeve notes from A.J. Organ (2007)
  6. F. Starr (2001)
  7. C.M. Hargreaves (1991), Chapter 2.5
  8. Graham Walker (1971) Lecture notes for Stirling engine symposium at Bath University. Page 1.1 "Nomenclature"
  9. B. Kongtragool; S. Wongwises (2003)
  10. A.J. Organ (1992), p.58
  11. K. Hirata (1998)
  12. M.Keveney (2000a)
  13. M. Keveney (2000b)
  14. Quasiturbine Agence (a)
  15. "Ringbom Stirling Engines", James R. Senft, 1993, Oxford University Press
  16. Ossian Ringbom (of Borgå, Finland) "Hot-air engine" U.S. Patent no. 856,102 (filed: 17 July 1905; issued: 4 June 1907).
  17. Two-cylinder stirling with Ross yoke
  18. "Free-Piston Stirling Engines", G. Walker et al.,Springer 1985, reprinted by Stirling Machine World, West Richland WA
  19. "The Thermo-mechanical Generator...", E. H. Cooke-Yarborough, (1967) Harwell Memorandum No. 1881 and (1974) Proc. I.E.E., Vol. 7, pp. 749-751
  20. G.M. Benson (1973 and 1977)
  21. D. Postle (1873)
  22. "DOUBLE ACTING DISPLACER WITH SEPARATE HOT AND COLD SPACE AND THE HEAT ENGINE WITH A DOUBLE ACTING DISPLACE" WO/2012/062231 PCT/CZ2011/000108
  23. Dvojčinný přeháněč s odděleným teplým a studeným prostorem a tepelný stroj s dvojčinným přeháněčem CZ 303266 B6
  24. R. Sier (1999)
  25. T. Finkelsteinl; A. J. Organ (2001), Chapter 2.2
  26. English patent 4081 of 1816 Improvements for diminishing the consumption of fuel and in particular an engine capable of being applied to the moving (of)machinery on a principle entirely new. as reproduced in part in C.M. Hargreaves (1991), Appendix B, with full transcription of text in R. Sier (1995), p.??
  27. R. Sier (1995), p. 93
  28. A.J. Organ (2008a)
  29. Excerpt from a paper presented by James Stirling in June 1845 to the Institute of Civil Engineers. As reproduced in R. Sier (1995), p.92.
  30. A. Nesmith (1985)
  31. R. Chuse; B. Carson (1992), Chapter 1
  32. R. Sier (1995), p.94
  33. T. Finkelstein; A. J. Organ (2001), p.30
  34. Hartford Steam Boiler (a)
  35. T. Finkelstein; A. J. Organ (2001), Chapter 2.4
  36. The 1906 Rider-Ericsson Engine Co. catalog claimed that "any gardener or ordinary domestic can operate these engines and no licensed or experienced engineer is required".
  37. T. Finkelstein; A. J. Organ (2001), p.64
  38. T. Finkelstein; A. J. Organ (2001), p.34
  39. T. Finkelstein; A. J. Organ (2001), p.55
  40. C. M. Hargreaves (1991), pp.28–30
  41. Philips Technical Review Vol.9 No.4 page 97 (1947)
  42. C.M. Hargreaves (1991), p.61
  43. Letter dated March 1961 from Research and Control Instruments Ltd. London WC1 to North Devon Technical College, offering "remaining stocks ... to institutions such as yourselves ... at a special price of £75 netto"
  44. C.M. Hargreaves (1991), p.77
  45. Infinia web site, accessed 2010-12-29
  46. Schimdt, George. Radio Isotope Power Systems for the New Frontier. Presentation to New Frontiers Program Pre-proposal Conference. 13 November, 2003. (Accessed 2012-Feb-3)
  47. T. Finkelstein; A. J. Organ (2001), Page 66 & 229
  48. A. J. Organ (1992), Chapter 3.1 - 3.2
  49. Rallis C. J., Urieli I. and Berchowitz D.M. A New Ported Constant Volume External Heat Supply Regenerative Cycle, 12th IECEC, Washington DC, 1977, pp 1534-1537.
  50. Finkelstein, T. Generalized Thermodynamic Analysis of Stirling Engines. Paper 118B, Society of Automotive Engineers, 1960.
  51. "An Introduction to Low Temperature Differential Stirling Engines", James R. Senft, 1996, Moriya Press
  52. a b A. J. Organ (1997), p.??
  53. a b c C.M. Hargreaves (1991), p.??
  54. a b WADE (a)
  55. Krupp and Horn. Earth: The Sequel. p. 57
  56. Kockums (a)
  57. Z. Herzog (2008)
  58. K. Hirata (1997)
  59. MAKE: Magazine (2006)
  60. BBC News (2003), "The boiler is based on the Stirling engine, dreamed up by the Scottish inventor Robert Stirling in 1816. [...] The technical name given to this particular use is Micro Combined Heat and Power or Micro CHP."
  61. A.J. Organ (2008b)
  62. L. G. Thieme (1981)

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • S. Backhaus; G. Swift. Acoustic Stirling Heat Engine: More Efficient than Other No-Moving-Parts Heat Engines [online]. Los Alamos National Laboratory, [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • BBC News. Power from the people. periodikum??. 2003-10-31. Dostupné online [cit. 2009-01-19]. (anglicky) 
  • W.T. Beale (1971). "Stirling Cycle Type Thermal Device", US patent 3552120. Granted to Research Corp, 5 January 1971.
  • G.M. Benson (1977). "Thermal Oscillators", US patent 4044558. Granted to New Process Ind, 30 August 1977 .
  • G.M. Benson. Thermal Oscillators. In Proceedings of the 8th IECEC. Philadelphia : American Society of Mechanical Engineers, 1973. S. 182–189.
  • H.W. Brandhorst; J.A. Rodiek. A 25 kW Solar Stirling Concept for Lunar Surface Exploration. In International Astronautics Federation. Proceedings of the 56th International Astronautical Congress. [s. l.] : [s. n.], 2005. Dostupné online. IAC-05-C3.P.05.
  • Carbon Trust. Micro-CHP Accelerator — Interim Report — Executive summary [online]. [cit. 2012-03-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • E.H. Cooke-Yarborough; E. Franklin; J. Geisow; R. Howlett; C.D. West. Harwell Thermo-Mechanical Generator. In Proceedings of the 9th IECEC. San Francisco : American Society of Mechanical Engineers, 1974. S. 1132–1136.
  • E.H. Cooke-Yarborough (1970). "Heat Engines", US patent 3548589. Granted to Atomic Energy Authority UK, 22 December 1970.
  • E.H. Cooke-Yarborough (1967). "A Proposal for a Heat-Powered Nonrotating Electrical Alternator", Harwell Memorandum AERE-M881.
  • R. Chuse; B. Carson. Pressure Vessels, The ASME Code Simplified. [s.l.] : McGraw–Hill, 1992. ISBN 0-07-010939-7.  
  • T. Finkelstein; A.J. Organ. Air Engines. [s.l.] : Professional Engineering Publishing, 2001. ISBN 1-86058-338-5.  
  • C.M. Hargreaves. The Philips Stirling Engine. [s.l.] : Elsevier Science, 1991. ISBN 0-444-88463-7.  
  • J. Harrison. What is micro generation? [online]. Claverton Energy Research Group, [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • Hartford Steam Boiler. Hartford Steam Boiler: Steam Power and the Industrial Revolution [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • J. Hasci. Modified Stirling Engine With Greater Power Density [online]. NASA & SolidWorks, [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • Z. Herzog. Schmidt Analysis [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • K. Hirata. Design and manufacturing of a prototype engine [online]. National Maritime Research Institute, [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • K. Hirata. Schmidt Theory For Stirling Engines [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • K. Hirata. Palm Top Stirling Engine [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • M. Keveney. Two Cylinder Stirling Engine [online]. animatedengines.com, [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • M. Keveney. Single Cylinder Stirling Engine [online]. animatedengines.com, [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • Kockums. The Stirling Engine: An Engine for the Future [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • B. Kongtragool; S. Wongwises. A review of solar-powered Stirling engines and low temperature differential Stirling engines. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2003, roč. 7, čís. 2, s. 131–154. DOI:10.1016/S1364-0321(02)00053-9. (anglicky) 
  • D. Liao. The Working Principles [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • W.R. Martini. Stirling Engine Design Manual (2nd ed) [17.9 MB PDF]. NASA, [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • Micro-Star International. World's First Powerless Air Cooler on a Mainboard! [online]. [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • A. Nesmith. A Long, Arduous March Toward Standardization [online]. Smithsonian Magazine, [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • A.J. Organ. 1818 and All That [online]. Communicable Insight, [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • A.J. Organ. Why Air? [online]. Communicable Insight, [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • A.J. Organ. The Air Engine: Stirling Cycle Power for a Sustainable Future. [s.l.] : Woodhead Publishing, 2007. ISBN 1-84569-231-4.  
  • A.J. Organ. The Regenerator and the Stirling Engine. [s.l.] : Wiley, 1997. ISBN 1-86058-010-6.  
  • A.J. Organ. Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine. [s.l.] : Cambridge University Press, 1992. ISBN 0521041363X.  
  • PASCO Scientific. Instruction Manual and Experiment Guide for the PASCO scientific Model SE-8575 [PDF]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • D. Postle (1873). "Producing Cold for Preserving Animal Food", British Patent 709, granted 26 February 1873.
  • Precer Group. Solid Biofuel-Powered Vehicle Technology [PDF]. [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • Quasiturbine Agence. Quasiturbine Stirling – Hot Air Engine [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • R. Sier. Hot Air Caloric and Stirling Engines: A History. [s.l.] : L.A. Mair, 1999. ISBN 0-9526417-0-4.  
  • R. Sier. Reverend Robert Stirling D.D: A Biography of the Inventor of the Heat Economiser and Stirling Cycle Engine. [s.l.] : L.A Mair, 1995. ISBN 0-9526417-0-4.  
  • F. Starr. Power for the People: Stirling Engines for Domestic CHP. Ingenia. 2001, čís. 8, s. 27–32. Dostupné online [PDF, cit. 2009-01-18]. (anglicky) 
  • WADE. Stirling Engines [online]. [cit. 2009-01-18]. Dostupné online. (anglicky) 
  • L.G. Thieme. High-power baseline and motoring test results for the GPU-3 Stirling engine [14.35 MB PDF]. NASA, [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • Y. Timoumi; I. Tlili; S.B. Nasrallah. Performance Optimization of Stirling Engines. Renewable Energy. 2008, roč. 33, čís. 9, s. 2134–2144. DOI:10.1016/j.renene.2007.12.012. (anglicky) 
  • G. Walker (1971). "Lecture notes for Stirling engine seminar", University of Bath. Reprinted in 1978.
  • C.D. West (1970). "Hydraulic Heat Engines", Harwell Momorandum AERE-R6522.
  • S.K. Wickham. Kamen's Revolt [online]. Union Leader, [cit. 2009-01-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  • MAKE: Magazine. Two Can Stirling Engine [online]. [cit. 2012-03-18]. Dostupné online. (anglicky) 

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]