Stirlingo variklis - nepelnytai pamiršta inžinerijos "klasika"? (Video)
(16)
Stirlingo variklio idėja buvo sugalvota dar 1816 metais. Jo išradėjas Robertas Stirlingas tikėjosi, jog įtaisas taps sėkmingu konkurentu garo varikliui, tačiau iki pat šiandien jis naudojamas itin retai. Nepaisant to, entuziastų vis gi yra, o pats variklis pasižymi palyginti dideliu naudingumo koeficientu ir įdomiomis pritaikymo galimybėmis.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Stirlingo variklį (arba, kaip tuo metu jis buvo vadinamas - Stirlingo karšto oro variklis) 1816 metais išrado ir užpatentavo Robertas Stirlingas. Tai - ne pirmasis bandymas sukurti vadinamąjį "karšto oro" variklį, tačiau bene pirmasis, kuris buvo pritaikytas praktiškai. Kokiu gi būdu veikė šis mechanizmas?
Variklio konstrukcija yra tokia, kad jis yra perskirtas į mažiausiai dvi skirtingos temperatūros dalis. Šaltesnėje dalyje darbinės dujos (pavyzdžiui, oras) yra suslegiamos, o karštesnėje dalyje jos plečiasi. Šis termomechaninis ciklas yra panaudojamas naudingam mechaniniam darbui atlikti. Skirtingai nuo tipinių vidaus degimo variklių, darbinės dujos cirkuliuoja uždarame cikle - jos nėra išmetamos lauk, kaip kad benzino arba dyzelino degimo produktai.
1818 metais Stirlingas pagamino šiuo principu veikiantį modelį, kuris buvo naudojamas kasyklose vandeniui pumpuoti. Esminis išradėjo patento aspektas buvo šilumokaitis - pats autorius jį vadino "ekonomiškumo didintoju" (angl. "economiser"), kadangi įtaisas padidindavo energetinį agregato efektyvumą. Patente taip pat buvo detaliai aprašytas vienos šilumokaičio modifikacijos pritaikymas konstruojant unikalų uždaro ciklo oro variklį - šį konstrukcija dabar yra žinoma "regeneratoriaus" pavadinimu. Vėliau Robertas Stirlingas kartu su savo broliu Džeimsu užpatentavo dar keletą įvairių patobulintų pradinio variklio modifikacijų. Pavyzdžiui, 1843 metais sukurtas sandarios konstrukcijos variklis. Jo galia buvo pakankama ištisos geležies liejyklos mechaniniams agregatams varyti.
Dėl išradimo paskirties istorikai ginčijasi iki pat dabar. Manoma, jog vienas motyvų buvo sukurti variklį, kuris pasižymėtų didesne kuro sąnaudų ekonomija. Kai kurie tyrinėtojai taip pat teigia, jog išradėjai siekė sukurti saugesnę alternatyvą to meto garo varikliams, kurių boileriai neretai sprogdavo, taip sužeisdami ar užmušdami daug žmonių.
Norint išgauti didelę Stirlingo variklio galią ir efektyvumą, jie turėdavo veikti esant aukštai darbinei temperatūrai. Aukščiausią galimą temperatūrą ribojo to meto medžiagų atsparumas. Tie keli pirmaisiais dešimtmečiais pagaminti varikliai gesdavo nepriimtinai dažnai. Nors gedimų pasekmės buvo gerokai "taikesnės" lyginant su boilerių sprogimais, Stirlingo variklius netrukus pakeitė tie patys garo varikliai.
Pramoninių galios šaltinių srityje Stirlingo variklio kūrėjai daugiau niekada nebandė konkuruoti su garo varikliais. Garo boilerių konstrukcija darėsi saugesnė, patys varikliai - efektyvesni, tad poreikis juos pakeisti kažkuo kitu palaipsniui išnyko.
Tačiau maždaug nuo 1860 metų rinkoje pasirodė mažesnės Stirlingo variklių modifikacijos, kurios būdavo pritaikomos kaip mažos ir vidutinės mechaninės galios šaltiniai. Jie buvo naudojami vandeniui pumpuoti arba orui tiekti (pavyzdžiui, bažnytiniuose vargonuose). Šie agregatai paprastai veikdavo esant žemesnėms darbinėms temperatūroms; jiems gaminti panaudotos medžiagos nebuvo smarkiai apkraunamos, tačiau variklių efektyvumas buvo palyginti žemas. Pirkėjus viliojo tai, kad tokiais įrenginiais galėjo saugiai naudotis praktiškai bet kas, ko nebuvo galima pasakyti apie garo variklius. Keli variklio tipai buvo gaminami ir pasibaigus XIX amžiui, tačiau neskaitant kelių smulkių mechaninių patobulinimų, jų konstrukcija šiuo laikotarpiu praktiškai nekito.
Dvidešimtojo amžiaus pradžioje Stirlingo variklį buitinėse panaudojimo srityse pamažu išstūmė elektros varikliai ir mažų matmenų vidaus degimo varikliai. Trečiojo dešimtmečio pabaigoje žmonės juos praktiškai užmiršo. Technologiją buvo galima sutikti tik kai kuriuose žaisluose ir nedideliuose ventiliatoriuose.
Kaip tik tuo metu kompanija "Philips" ketino plėsti savo radijo imtuvų pardavimus. Šiuo tikslu buvo norima užimti tuos rinkos segmentus, kuriems priklausantys potencialus pirkėjai gyveno elektros tiekimo neturinčiuose regionuose. Kompanijos vadovybė nusprendė, jog pardavimus smarkiai pagyvintų mažos galios lengvai transportuojamas elektros generatorius. "Philips" mokslinių tyrimų laboratorijos inžinieriai gavo užduotį išnagrinėti galimas technologines alternatyvas.
Sistemiškai palyginę įvairius galimus analogus, tyrinėtojų komandos nariai pasirinko Stirlingo variklį. Esminiai jo pranašumai buvo tylus veikimas, nedidelis generuojamas radijo eterio triukšmų lygis, taip pat galimybė šilumos energiją jiems tiekti iš įvairių šaltinių (pavyzdžiui, aliejinės lempos, į kurią ir orientavosi sprendimą sugalvoję inžinieriai). Taip pat buvo žinoma ir tai, kad Stirlingo variklis ilgus metus nebuvo tobulinamas, tad buvo tikimasi, kad pritaikius modernias tuometines medžiagas ir žinių bazę, bus galima pasiekti reikšmingų pokyčių efektyvumo didinimo srityje.
Pirmasis eksperimentinis 16W galios variklis buvo daug žadantis, tad "Philips" inicijavo šiai sričiai skirtą tyrimų programą. Darbai tęsėsi ir pasibaigus Antrajam Pasauliniam karui iki pat penktojo dešimtmečio pabaigos, kol buvo sukurtas "Type 10" modelis. Jo pagrindu "Philips" dukterinė kompanija "Johan de Witt" sukūrė 200W galios generatorių MP1002CA. Pirminės 250 vienetų partijos gamyba prasidėjo 1951 metais. Deja greitai tapo aišku, kad gaminio nepavyks gaminti konkurencingomis kainomis, o tranzistorinių radijo imtuvų pažanga ir gerokai mažesni poreikiai elektros energijai sparčiai nugramzdino į užmarštį visus pradinius sumanymą skatinusius motyvus. Iš viso buvo pagaminta apie 150 tokio tipo generatorių. Kai kurie jų buvo pritaikyti technologinės pakraipos universitetuose ir koledžuose, kur studentai galėdavo susipažinti su dar kartą užmiršta "klasika".
Tiesa, tuo "Philips" iniciatyva nesibaigė, ir kompanija įvairios paskirties Stirlingo variklius kūrė iki pat septintojo dešimtmečio pabaigos. Komercinę sėkmę pasiekti jai pavyko tik su "atvirkštinio Stirlingo variklio" principu veikiančiu krioaušintuvu. Bet kuriuo atveju, gamintojas užregistravo daug patentų ir surinko gausybę vertingos techninės informacijos, kurią vėliau licenzijavo kitoms kompanijoms ir kurios pagrindu buvo daromi naujesni patobulinimai. Artėjant praėjusio amžiaus pabaigai, keletas kompanijų sukūrė eksperimentinius vidutinės galios prototipus, kurie kai kuriais atvejais pasiekdavo smulkiaserijinę gamybą. Masinio vartojimo rinkos pasiekti nepavyko niekam, kadangi agregatų kaina buvo labai didelė, be to, kai kurių techninių problemų taip ir nepavyko išspręsti. Situacija pasikeitė daugiau žadančia linkme tik praėjusiame dešimtmetyje, kai pasirodė pirmieji komerciškai sėkmingi kombinuoti šildymo ir elektros energijos tiekimo įrenginiai.
Nesudėtingo Stirlingo variklio vidinę sandarą ir jo konstrukcijos paaiškinimą (anglų kalba) galite išvysti tolesniame video.
Stirlingo variklis nespėjo "įšokti į traukinį" taip, kaip vidaus degimo varikliai. Nežiūrint į tai, jis yra ekologiškas ir efektyvus - su sąlyga, kad išorinę šilumą generuoja ekologiškas šilumos šaltinis. O šilumą tiekti gali bet koks degusis kuras ir bet kokie atsinaujinantys energijos šaltiniai, tame tarpe ir Saulės spinduliai. Neveltui pastaruoju metu jų pritaikymu pradėjo domėtis saulės jėgainių projektavimo ir diegimo kompanijos. Be to, daugelyje sričių šio tipo mechanizmus bandoma pritaikyti energijos nuostoliams mažinti ir energijos suvartojimo efektyvumui didinti, kai įvairiems įtaisams veikiant išsiskirianti šiluma pritaikoma naudingiems tikslams. Pavyzdžiui, Taivane įsikūręs kompiuterių komponentų gamintojas MSI dar prieš porą metų pristatė mikroprocesoriaus aušintuvo ventiliatoriaus prototipą, kurį suka būtent Stirlingo variklis. Ventiliatoriui elektros energijos nereikia - sukimąsi generuoja mikroprocesoriui kaistant į aplinką išsiskirianti šiluma. MSI jau tada tikėjosi rinkai pateikti pirmąjį pasaulyje "energijos nevartojantį" aktyvųjį mikroprocesoriaus aušintuvą, tačiau dėl redakcijai nežinomų priežasčių toks modelis rinkoje kol kas dar nepasirodė. Tolesniame video parodytas tokio aušintuvo veikimo principas.
Kokie gi esminiai Stirlingo variklio trūkumai, stabdantys jo paplitimą pasaulyje? Pirmiausia, jiems reikalingas išorinis šilumos šaltinis (analogiškai kaip ir garo turbinose). Tai reiškia, kad variklis pasižymi didele inercija - padidinus išorinio šilumos šaltinio temperatūrą, turi praeiti šiek tiek laiko, kol energija patenka į cilindrą. Todėl tokiam įrenginiui reikia įšilti, kol jis išvysto reikiamą galią. Be to, išvystomos galios juo negalima greitai keisti. Vien dėl šių aspektų jo pritaikymas automobiliuose ir lėktuvuose nėra galimas, nebent ateityje pavyktų ženkliai padidinti jų galios tankį (išvystomos galios ir masės santykį). Tačiau kai kurių kompanijų teigimu, jau dabar įmanoma pagaminti ekonomišką elektros ir Stirlingo varikliu varomą hibridinį automobilį. Tačiau kada tokius produktus išvysime rinkoje, visiškai nėra aišku.