Stirlinga dzinējs

Stirlinga dzinējs: darbības princips un pieejamie veidi

Skotu mācītājs Roberts Stirlings 1816. gadā reģistrēja patentu ārējās sadegšanas dzinējam, kas spēja konkurēt ar tā laika tvaika mašīnu. Vairāk nekā divus gadsimtus vēlāk darbības princips nav mainījies: ārējs siltuma avots izraisa cilindrā ieslēgtā gāzes izplešanos, kas virza virzuļus, pēc tam gāze atdziest un saspiežas, lai cikls sāktos no jauna. Tas ir slēgts termodinamiskais dzinējs — bez iekšējās sadegšanas, bez eksplozijas, bez vārstiem. Gāze (atkarībā no modeļa — gaiss, hēlijs vai ūdeņradis) paliek slēgtā sistēmā.

Pastāv trīs konfigurācijas. Alfa tipa modelī tiek izmantoti divi virzuļi divos atsevišķos cilindros, kas savienoti ar siltummaini: tā ir jaudīgākā konfigurācija, ko izmanto nopietnās rūpnieciskās lietojumprogrammās. Beta tipa modelī dzinēja virzulis un pārvietotājs atrodas vienā cilindrā, kas samazina aizņemamo telpu. Gamma tipa modelī pārvietotājs un virzulis atrodas atsevišķos cilindros, bet tiem ir kopīgs gāzes tilpums: šī ir dominējošā ģeometrija galda un izglītības modeļos, jo tā vienkāršo ražošanu.

Stirlinga dzinējs LTD: darbība ar minimālu temperatūras starpību

LTD (Low Temperature Differential) modeļi veido atsevišķu apakškategoriju. Tie sāk darboties jau pie 4–6 °C temperatūras starpības starp karsto un auksto pusi. Praksē: pietiek novietot pamatni uz tējas tases, kuras temperatūra ir 60 °C, lai redzētu, kā griežas svārsts. Daži plakanie saules dzinēji sāk darboties jau pie 35 °C karstajā pusē, atrodoties pretī 25 °C aukstai virsmai.

Šai jutībai pret nelielām temperatūras starpībām ir arī negatīva puse: šie motori rada nelielu griezes momentu. Rotācijas ātrumi paliek zemi, parasti no 100 līdz 400 apgr./min atkarībā no pieejamās temperatūras starpības. Tos neizvēlas to mehāniskās jaudas dēļ, bet gan to spējas dēļ izmantot difūzus siltuma avotus — rūpnieciskos siltuma atkritumus, pasīvo saules enerģiju, ķermeņa siltumu izglītojošās demonstrācijās.

Stirlinga dzinēja izvēle: konkrēti kritēriji pirms iegādes

Pirmais kritērijs ir pieejamais siltuma avots. Stirlinga dzinējam, kas darbojas ar spirtu vai sveci, pareizai darbībai karstajā pusē ir nepieciešama temperatūra no 200 līdz 400 °C, un tas rada redzamu griezes momentu, kas bieži vien ir pietiekams, lai darbinātu nelielu dinamo vai pulksteņa mehānismu. Saules enerģijas vai „roku siltuma” LTD modelis labāk darbojas kā izglītojošs demonstrācijas līdzeklis nekā kā lietderīgs enerģijas avots.

Otrais kritērijs ir apstrādes kvalitāte. No misiņa izgatavotie modeļi ar noslīpētiem virzuļiem ilgtermiņā saglabā hermētiskumu. Ekonomiskās versijas no zamaka vai neapstrādāta alumīnija ātri sāk noplūst cilindru līmenī, kas samazina efektivitāti. Vienkārša pārbaude: aukstā stāvoklī, lēnām pagriežot stūres ratu ar roku, pretestībai jābūt vienmērīgai, bez cietām vietām vai pārmērīgas spēles.

• Gamma tipa motori ar aizdedzes svecēm: ideāli piemēroti demonstrācijām, iedarbojas 30–60 sekundēs, apgriezieni no 800 līdz 2 000 apgr./min atkarībā no siltuma slodzes.
• LTD saules dzinēji: atstarojoša alumīnija aukstā plāksne + melna karstā plāksne, darbojas pilnā saulē vai uz siltas avota virsmas. Zems apgriezienu ātrums, bet iespaidīga iedarbināšana 40 °C temperatūrā.
• Daudzcilindru alfa dzinēji: sarežģītākas konfigurācijas, faktisko jaudu var izmērīt ar vienkāršu bremzi, piemēroti vidusskolas vai profesionālās augstskolas projektiem lietišķajā termodinamikā.

Izglītības nolūkos paredzēts Stirlinga dzinējs: izmantošana fizikā un termodinamikā

Stirlinga dzinējs joprojām ir viens no retajiem termomehāniskajiem pārveidotājiem, ko var izgatavot, izmērīt un analizēt bez smagas aparatūras. Vidusskolā vai profesionālās izglītības iestādē tas ļauj praktiski izpētīt Karnota ciklu, aprēķināt faktisko efektivitāti salīdzinājumā ar teorētisko efektivitāti un tieši vizualizēt reģeneratora ietekmi uz cikla efektivitāti.

Pieejamie montāžas komplekti piedāvā dažādus sarežģītības līmeņus. Dažiem nepieciešams tikai skrūvgriezis un viena stunda montāžai; citiem nepieciešama neliela mehāniskā apstrāde vai virzītāja augstuma regulēšana, lai optimizētu fāžu nobīdi līdz 90°. Šī fāzes nobīdes regulēšana ir tieši tas, kas atšķir labi samontētu dzinēju no modeļa, kam ir grūtības iedarbināties: dzinēja virzulei jāpaspēj sasniegt augšējo nāves punktu par ceturtdaļu apgrieziena pēc novirzītāja, ne vairāk, ne mazāk.

Stirlinga dzinēju reālie pielietojumi un izmantošana lielā mērogā

Zviedrijas jūras spēki kopš 1996. gada izmanto Stirlinga dzinējus savās „Gotland” klases zemūdenēs AIP (Air Independent Propulsion) piedziņai, ciklu barojot ar uz kuģa uzglabātu šķidro skābekli. Rezultāts: akustiskā klusuma līmenis, kas pārsniedz dīzeļdzinēju rādītājus, un 14 dienu ilgs darbības laiks zem ūdens bez nepieciešamības uzpeldēt uz virsmas. Ražotājs „Kockums”, ko 2014. gadā pārņēma „TKMS”, joprojām ir viens no nedaudzajiem ražotājiem pasaulē, kas ražo jaudīgus Stirlinga dzinējus.

NASA kopš 2000. gadiem pēta Stirlinga termoelektriskos ģeneratorus kosmosa misijām: projekta ASRG (Advanced Stirling Radioisotope Generator) mērķis bija sasniegt 38 % efektivitāti salīdzinājumā ar 6–7 % tradicionālajiem plutonija RTG, taču 2013. gadā tas tika apturēts finansējuma trūkuma dēļ. Šie projekti ilustrē šī cikla piemērotību nepārtrauktiem un stabiliem siltuma avotiem, kas ir tieši pretējs profils salīdzinājumā ar iekšdedzes dzinējiem.

Stirlinga dzinēja apkope un kalpošanas ilgums

Apkopi veic, pievēršot uzmanību diviem punktiem. Pirmkārt, virzuļu eļļošana: ik pēc 20–30 darbības stundām uz virzuļa O-gredzena uzklāj vienu pilienu vieglas minerāleļļas (piemēram, šujmašīnu eļļas, viskozitāte 10–15 cSt). Pārāk bieza eļļa palielina berzi un samazina apgriezienus; eļļas trūkums nodilina blīvi dažu stundu laikā. Otrkārt, sildvirsmas tīrība: sveces sodrēju nogulsnes palielina siltuma pretestību un samazina siltuma pārnesi uz gāzi.

Pareizi kopts modelis no apstrādāta misiņa darbojas vairākus simtus stundu bez ievērojamas nolietošanās. O-gredzeni joprojām ir galvenā nodiluma detaļa; pirms iegādes pārliecinieties, ka piegādātājs piedāvā rezerves daļas.

Ar galda Stirlinga dzinēju saderīgi piederumi

Neliels pastāvīgo magnētu ģenerators (tāda tipa kā velosipēda ģenerators, 5–12 V atkarībā no apgriezieniem) piestiprinās pie rotora ass ar gumijas savienotāju, lai amortizētu vibrācijas. Sagatavotā elektrība var barot LED, uzlādēt kondensatoru vai barot multimetru, lai izmērītu faktisko saražoto jaudu. Skolas projektiem šis papildinājums pārvērš vizuālu demonstrāciju par kvantitatīvu eksperimentu.