04-2005_jak_to_dziala.pdf

jak to dział a

przemys³owej. Swojego czasu napêdza³y w zasadzie

wszystko, od maszyn w fabrykach, poprzez lokomo-

tywy i statki, a¿ do samochodów. Obecnie odesz³y na

boczny tor, choæ ze wzglêdu na niezawodnoœæ s¹ u¿y-

wane do zasilania np. generatorów awaryjnych, a loko-

motywy parowe stosowane s¹ nadal w krajach rozwija-

j¹cych siê.

para dop³ywa do przestrzeni po prawej stronie t³oka,

lewa przestrzeñ cylindra po³¹czona jest poprzez suwak

z dysz¹ wylotow¹. W chwili, gdy suwak przerwie dop-

³yw pary, znajduj¹ca siê pod ciœnieniem w prawej

przestrzeni cylindra para rozprê¿a siê i przesuwa t³ok

w cylindrze w lewo - do skrajnego po³o¿enia. Nastêp-

nie suwak przesuwa siê i cykl powtarza siê w przeciw-

nym kierunku. Uruchamianie suwaków odbywa siê za

pomoc¹ mimoœrodu , pracuj¹cego syn-

chronicznie z ko³ami, dr¹¿ka mimoœro-

dowego oraz mechanizmu stawid³owe-

go , który zawieszony jest na ostoi ( ra-

mie ) parowozu i nastawiany nastawni-

c¹ znajduj¹c¹ siê w budce maszynisty.

Element ten umo¿liwia maszyniœcie tak-

¿e jazdê do ty³u.

Para zu¿yta wyrzucana jest do at-

mosfery (tak naprawdê jej czêœæ dostaje

siê do dymnicy, gdzie kondensuje siê

Dwa zupełnie różne

SILNIKI CIEPLNE

Marek Utkin

DZIA£ANIE SILNIKA

PAROWEGO LOKOMOTYWY

Silnik parowozu ró¿ni siê od stacjonarnego silni-

ka parowego tym, i¿ mo¿na w nim regulowaæ kierunek

obrotów oraz nape³nienie cylindrów. W maszynach sta-

tycznych prêdkoœæ obrotow¹ regulowano wy³¹cznie

ciœnieniem dostarczanej pary. W cylindrze znajduje siê

t³ok, osadzony na trzonie t³okowym. W lokomotywie

ruch posuwisty t³oków przenoszony jest na zestawy

napêdne przez mechanizm napêdowy , sk³adaj¹cy siê

z krzy¿ulca , korbowodu , ³¹cz¹cego krzy¿ulec z czo-

pem korbowym jednego z kó³ napêdnych , oraz wi¹za-

rów , ³¹cz¹cych ze sob¹ czopy korbowe wszystkich

zestawów napêdnych. Dziêki wi¹zarom wszystkie na-

pêdzane ko³a parowozu poruszaj¹ siê jednoczeœnie. Su-

wak , czyli rodzaj przesuwnego zaworu umieszczony

w skrzyni suwakowej, do której nap³ywa przegrzana

para i tam dokonuje rozrz¹du pary – steruje jej dop³y-

wem do cylindra , czyli umo¿liwia naprzemienne wyt-

warzanie nacisku na dwie strony t³oka . Z chwil¹, gdy

Na rysunku widoczne są podstawowe elementy silnika pa-

rowego dwustronnego działania z rozrządem suwakowym.

elementy stawidła

i wytwarza podciœnienie,

zapewniaj¹ce ci¹g pomimo

relatywnie niskiego komi-

na). W dzia³aj¹cych ekono-

miczniej silnikach dwustop-

niowych (pat. J.C. Hornblo-

wer, 1781, wyk. A. Woolf,

1804) rozprê¿ona para prze-

chodzi do wiêkszych cylin-

drów kolejnego stopnia,

dzia³aj¹cych pod ni¿szym

ciœnieniem (stopni bywa³o

wiêcej, w silnikach okrêto-

wych nawet do 4) i jest wy-

rzucana dopiero stamt¹d.

suwak

korbowìd

trzon tłokowy

krzyżulec

tłok

koło zestawu

napędnego

S ilniki parowe umo¿liwi³y dokonanie siê rewolucji

Na rysunku widoczny jest krzyżulec połą-

czony z korbowodem, ktìry z kolei połą-

czony jest z kołem osadzonym na osi sil-

nikowej, czyli otrzymującym napęd bez-

pośrednio przez korbowìd od maszyny

parowej. Trzy koła połączone są wiązara-

mi, aby obracały się jednocześnie.

Charakterystyczny dŸwiêk lo-

komotywy jest w³aœnie wynikiem

wyrzucania pary na zewn¹trz. Gdy

lokomotywa (niemaj¹ca sprzêg³a) ru-

sza, t³ok pocz¹tkowo przemieszcza

siê bardzo wolno, wytwarzaj¹c og-

romny moment, a w miarê przyspie-

szania poci¹gu nabiera prêdkoœci.

Kot³y

Para o wysokim ciœnieniu, za-

silaj¹ca silnik parowy, jest wytwa-

rzana w kotle . Istniej¹ dwa rodzaje

kot³ów: p³omieniówkowy (ogniorur-

kowy) i wodnorurkowy (op³omkowy).

Kot³y p³omieniówkowe by³y

stosowane g³ównie w XIX w. Sk³ada-

³y siê ze zbiornika, przez który prze-

biega³y na wylot liczne rury. Rurami

tymi p³ynê³y gor¹ce gazy pochodz¹-

ce ze spalania wêgla, które podgrze-

wa³y wodê. W kotle p³omieniówko-

wym ca³y zbiornik jest pod ciœnie-

niem, a wiêc uszkodzenie zbiornika

mo¿e spowodowaæ wybuch o wiel-

kiej sile ra¿enia (zdarza³o siê to na

tyle czêsto, ¿e wzmianki o tym mo¿-

na znaleŸæ nawet w literaturze nie-

technicznej z tego okresu – choæby

w „Przygodach Hucka” M. Twaina

czy noweli „Dym” M. Konopnickiej).

Obecnie powszechnie stosuje

siê kot³y wodnorurkowe (op³omko-

we), w których woda przep³ywa sze-

regiem rur, umieszczonych ponad pa-

leniskiem, co zapewnia odbieranie

maksimum ciep³a ze spalin.

jak to dział a

JAK DZIA£A

SILNIK STIRLINGA

To powoduje ruch t³oka

do do³u. W tej czêœci cyk-

lu Stirlinga jest wykony-

wana praca.

W wyniku dzia³ania ko³a

zamachowego i wa³u kor-

bowego t³ok po lewej

(„ciep³y”) idzie do góry,

podczas gdy t³ok po pra-

wej („zimny”) przemiesz-

cza siê w dó³. To przet³a-

cza rozgrzany gaz do cy-

lindra zimnego, co powo-

duje szybkie oziêbienie

gazu do temperatury

ch³odziwa, co z kolei po-

woduje obni¿enie objê-

toœci, czyli ciœnienia. To

zaœ umo¿liwia ³atwiejsze

sprê¿enie gazu w nastêp-

nej czêœci cyklu.

T³ok w zimnym cylindrze

(po prawej) zaczyna sprê-

¿aæ gaz. Ciep³o wytwo-

rzone przez sprê¿anie jest

odbierane przez ch³odziwo.

T³ok po prawej stronie

wêdruje do góry, podczas

gdy lewy idzie w dó³. To

powoduje przet³oczenie

gazu w minimum objêtoœ-

ci do cylindra ciep³ego,

gdzie szybko rozgrzewa

siê, powoduje wzrost ciœ-

nienia i od tego punktu

cykl siê powtarza.

Silnik Stirlinga jest maszyn¹ ciepln¹, ró¿ni¹c¹ siê

ogromnie od samochodowego silnika wewnêtrznego

spalania. Wynaleziony przez Roberta Stirlinga w 1816 r.,

potencjalnie mo¿e byæ znacznie wydajniejszy od silni-

ków Otto lub Diesla. Obecnie silniki Stirlinga znajduj¹

jedynie bardzo specjalistyczne zastosowania, gdy¿ nie

maj¹ rozrz¹du, nie korzystaj¹ ze spalania wybuchowego

i nie maj¹ wydechu, czyli Ÿróde³ ha³asu, a dziêki temu

s¹ niemal bezg³oœne. Silniki takie s¹ wykorzystywane

np. do napêdzania szwedzkich okrêtów podwodnych

typu Gottland jako ciche Ÿród³o napêdu do „pe³zania”

w zanurzeniu oraz w generatorach na jachtach, a tak¿e

do napêdzania podzespo³ów w satelitach. Obecnie nad

silnikiem Stirlinga pracuje wielu wynalazców i rozwa¿a-

ne jest nawet zastosowanie go w lotnictwie.

Silnik ten dzia³a zgodnie z cyklem Stirlinga, który

ró¿ni siê od cyklu silników wewnêtrznego spalania. Ga-

zy w silniku Stirlinga nigdy siê z niego nie wydosta-

j¹. Nie ma zaworów wydechowych, przez które ulat-

niaj¹ siê gazy pod wysokim ciœnieniem, ani nie nastê-

puj¹ wybuchy. Z tego powodu silniki Stirlinga s¹ bar-

dzo ciche.

W cyklu Stirlinga stosuje siê zewnêtrzne Ÿród³o

ciep³a, którym mo¿e byæ wszystko – od benzynowej ku-

chenki turystycznej po kolektor s³oneczny, lub ciep³o

wytwarzane przez fermentacjê nawozu. Istniej¹ setki

rodzajów silnika Stirlinga.

Cykl Stirlinga

Podstaw¹ dzia³ania silnika Stirlinga jest to, ¿e

jest w nim zamkniêta sta³a iloœæ gazu. Cykl Stirlinga

wymaga, aby nast¹pi³a seria zdarzeñ, które powoduj¹

zmianê ciœnienia w silniku, sprawiaj¹c, ¿e pracuje. Wy-

nika to z w³aœciwoœci gazów, które umo¿liwiaj¹ dzia³a-

nie silnika:

Jeœli masz sta³¹ iloœæ gazu w sta³ej objêtoœci i zwiêk-

szasz temperaturê gazu, ciœnienie wzroœnie.

Jeœli masz sta³¹ iloœæ gazu i sprê¿asz go (zmniej-

szasz objêtoœæ), temperatura gazu wzroœnie.

Silnik Stirlinga wyko-

nuje pracê tylko w pierwszej

czêœci cyklu. S¹ dwa sposo-

by na zwiêkszenie mocy sil-

nika Stirlinga:

Zwiêkszenie mocy w fazie

pierwszej, w której ciœnie-

nie podgrzewanego gazu

wykonuje pracê. Zwiêkszenie ciœnienia w tej czêœci

cyklu zwiêkszy moc silnika. Jedn¹ z metod podnie-

sienia ciœnienia jest zwiêkszenie temperatury gazu.

Dalej jest opisany silnik Stirlinga z regeneratorem,

który czasowo magazynuje ciep³o.

Zmniejszenie zu¿ycia energii w fazie trzeciej, w któ-

rej t³ok wywiera nacisk na gaz, zu¿ywaj¹c czêœæ mo-

cy, wytworzonej w fazie pierwszej. Obni¿enie ciœnie-

nia w tej czêœci cyklu mo¿e obni¿yæ zu¿ycie energii

w tej fazie (zwiêkszaj¹c moc u¿yteczn¹ silnika). Jed-

nym ze sposobów obni¿enia ciœnienia jest och³odze-

nie gazu.

Tak wygl¹da idealny cykl Stirlinga. Rzeczywiste

silniki pracuj¹ wed³ug cyklu nieco zmienionego z po-

wodu fizycznych ograniczeñ konstrukcji. Nastêpne dwa

modele to wersja z t³okiem wypornoœciowym oraz z re-

generatorem.

Dzia³anie

Przeanalizujmy czêœci cyklu Stirlinga na uprosz-

czonym modelu. W podstawowej konfiguracji silnik

sk³ada siê z dwóch cylindrów (ciep³ego i zimnego) i nie

wymaga w ogóle spalania - korzysta wy³¹cznie z ró¿ni-

cy temperatur pomiêdzy cylindrami. Cylinder ciep³y

jest podgrzewany zewnêtrznym Ÿród³em ciep³a (np. og-

niem), a zimny – ch³odzony, np. lodem. Komory obyd-

wóch cylindrów s¹ po³¹czone tak, ¿e gaz przep³ywa

pomiêdzy nimi. T³oki z kolei s¹ po³¹czone wa³em korbo-

wym tak, aby t³ok w cylindrze ciep³ym wyprzedza³ t³ok

w cylindrze zimnym o 1/4 cyklu ruchu.

Cztery fazy cyklu Stirlinga

Gaz w cylindrze po lewej stronie jest podgrzewany,

przez co wzrasta jego objêtoœæ, a zatem ciœnienie.

Silnik Stirlinga

z t³okiem wypornoœciowym

Zamiast mieæ dwa t³oki, silnik z t³okiem wypor-

noœciowym posiada t³ok normalny i du¿y t³ok wypor-

noœciowy. T³ok wypornoœciowy s³u¿y do sterowania

tym, kiedy komora gazowa jest podgrzewana, a kiedy

ch³odzona. Ten rodzaj silnika Stirlinga jest stosowany

niekiedy do demonstracji w szko³ach.

Aby pracowaæ, silnik z t³okiem wypornoœciowym

wymaga wytworzenia ró¿nicy temperatur pomiêdzy

górn¹ i doln¹ czêœci¹ wielkiego cylindra. W przypadku

ma³ych modeli do napêdu wystarcza ró¿nica tempera-

tur d³oni i otaczaj¹cego powietrza.

Na rysunku widoczne s¹ dwa t³oki:

1. T³ok napêdowy – to mniejszy t³ok na górze silnika.

Jest on szczelnie dopasowany i porusza siê do góry,

gdy gaz w silniku rozprê¿a siê.

2. T³ok wypornoœciowy – to du¿y t³ok w wiêkszej ko-

morze. Ten t³ok jest umieszczony luŸno w cylindrze,

a wiêc powietrze mo¿e przep³ywaæ swobodnie po-

miêdzy czêœci¹ ogrzan¹ i ch³odzon¹ silnika w czasie,

gdy t³ok porusza siê do do³u i do góry.

pozwala na utrzymanie t³oków w ruchu, gdy silnik nie

wytwarza si³y napêdowej. P³omieñ stale podgrzewa

dno cylindra.

1. W pierwszej fazie cyklu, ciœnienie roœnie, zmuszaj¹c

t³ok, aby przesun¹³ siê w lewo, wykonuj¹c pracê.

T³ok zimny pozostaje niemal nierucho-

my, poniewa¿ jest w skrajnym po³o¿e-

niu, podczas zmiany kierunku dzia³ania.

2. W nastêpnej fazie oba t³oki poruszaj¹

siê. T³ok gor¹cy przemieszcza siê w pra-

wo, a t³ok zimny ku górze. To powoduje

przemieszczenie wiêkszoœci gazu przez

regenerator i do cylindra zimnego. Rege-

nerator jest urz¹dzeniem, które czasowo

akumuluje ciep³o. Mo¿e to byæ np. skrê-

cona siatka druciana, przez któr¹ przep-

³ywa rozgrzany gaz. Du¿a powierzchnia

drutu szybko przyjmuje wiêkszoœæ ciep-

³a. To sprawia, ¿e mniej ciep³a musi byæ

odprowadzone przez radiator cylindra.

3. Nastêpnie t³ok w cylindrze zimnym

zaczyna sprê¿aæ gaz. Ciep³o wytworzo-

ne w czasie sprê¿ania jest odprowadza-

ne przez radiator.

4. W ostatniej fazie cyklu oba t³oki siê

poruszaj¹ – t³ok zimny porusza siê

w dó³, podczas gdy gor¹cy porusza siê

w lewo. To powoduje przet³oczenie gazu

przez regenerator (gdzie pobiera ciep³o,

zmagazynowane tam w drugiej fazie

cyklu) i nap³yniêcie do cylindra gor¹ce-

go. Od tego punktu cykl siê powtarza.

T³ok wypornoœciowy porusza siê

w górê i w dó³, aby sterowaæ podgrzewa-

niem i ch³odzeniem gazu w silniku. Zaj-

muje on dwie skrajne pozycje:

Gdy t³ok wypornoœciowy znajduje siê

w pobli¿u wierzcho³ka du¿ego cylindra,

wiêksza czêœæ gazu wewn¹trz silnika

jest podgrzewana przez Ÿród³o ciep³a

i rozszerza siê. Ciœnienie wewn¹trz sil-

nika roœnie, wypychaj¹c t³ok napêdowy

do góry.

Gdy t³ok wypornoœciowy znajduje siê

w pobli¿u dolnej czêœci du¿ego cylin-

dra, wiêksza czêœæ gazu wewn¹trz sil-

nika ch³odzi siê i kurczy. To sprawia, ¿e

ciœnienie spada, co u³atwia ruch t³oka

napêdowego w dó³ i sprê¿enie gazu.

Silnik w sposób powtarzaj¹cy siê

podgrzewa i ch³odzi gaz, uzyskuj¹c ener-

giê z rozszerzania i kurczenia siê gazu.

Silnik Stirlinga

z regeneratorem

Dlaczego silników Stirlinga nie

spotyka siê w masowej produkcji? Pod-

stawowym problemem jest wielkoœæ

w stosunku do uzyskiwanej mocy oraz

trudnoœæ w uzyskaniu zmiany prêdkoœci obrotów, która

jest niezbêdna przy napêdzaniu pojazdów. Trzeba wte-

dy napêdzaæ nim np. generator i silniki elektryczne

w ko³ach. Z drugiej strony, w obliczu kryzysu energe-

tycznego, silnik Stirlinga nie powiedzia³ jeszcze ostat-

niego s³owa.

W tym silniku cylinder ciep³y jest

ogrzewany zewnêtrznym p³omieniem. Cy-

linder zimny jest ch³odzony powietrzem

i ma radiator do wspomagania procesu ch³odzenia. Kor-

bowód wystaj¹cy z ka¿dego t³oka jest po³¹czony z ma-

³¹ tarcz¹, do której jest pod³¹czone ko³o zamachowe. To

Źrìdło ciepła w silniku Stirlinga to:

a) ciepły cylinder

b) dowolne źrìdło zewnętrzne

c) sprężona para

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: