Rotacyjny silnik Stirlinga

Krótka informacja o pomyśle na beztłokowy rotacyjny silnik Stirlinga

Witam serdecznie!

Zostałem zaproszony do zaprezentowania Wam mojego wynalazku, którego prototyp jest w końcowej fazie budowy.

Historia z moim "patentem" ma już ponad 30 lat! Zaczęło się w klasie maturalnej - mieliśmy akurat powtórkę z termodynamiki a ja miałem coś przygotować na ten temat. W prenumerowanym przeze mnie „Młodym Techniku” był - chyba jedyny w owym czasie - artykuł na temat silników Stirlinga z dokładnym omówieniem takiego silnika, wykorzystanego przez Philipsa w produkowanym na początku lat 50. przenośnym generatorze prądu.

Historia silnika Stirlinga sięga początku XIX wieku. Były to lata budowania pierwszych i coraz większych maszyn parowych. Niestety - braki wiedzy, braki materiałów - powodowały dość częste wypadki i katastrofy, w wyniku których zginęło wielu ludzi. Robert Stirling rozwiązał ten problem, budując silnik cieplny o dużej sprawności, ale bez udziału wysokiego ciśnienia i pary wodnej jako medium roboczego. Rozwiązanie było proste, eleganckie - czyli genialne! Stirling w swoim silniku wykorzystał znane powszechnie zjawisko fizyczne. Jeżeli zamknięty szczelnie pojemnik podgrzejemy - gaz w środku zwiększy swoje ciśnienie. Jeżeli ten sam pojemnik ochłodzimy - ciśnienie się zmniejszy. Stirling dodał do owego pojemnika ruchomy tłok, nie stykający się ze ściankami pojemnika. Tłok służył tylko do "przepychania" powietrza od ścianki zimnej do ogrzewanej. Po polsku taki rodzaj "luźnego" tłoka nazywamy "wypornikiem" / ang. "displacer/. Należało jeszcze połączyć "pojemnik" z klasycznym siłownikiem pneumatycznym oraz za pomocą kół zamachowych i korbowodów połączyć tłoczyska wypornika z tłoczyskiem siłownika roboczego, realizującego klasyczne dodatnie sprzężenie zwrotne. Proste? Genialnie proste!

Silniki Stirliga w wielu ciekawych konfiguracjach produkowane były aż do lat 20. XX wieku. Służyły jako napęd tokarek, szlifierek, pomp, wentylatorów a nawet... pierwszych gramofonów! Na początku XX wieku zostały one wyparte przez silniki elektryczne oraz spalinowe. Choć... Jak pod koniec życia napisał sędziwy Robert Stirling "gdyby stal bessemerowską wynaleziono 30 lat wcześniej, moje silniki byłyby teraz w powszechnym użyciu"...

Początek lat 50. XX wieku dał małą "iskierkę" w tej dziedzinie. Firma Philips wdrożyła na krótką metę do produkcji przenośny generator prądu zasilany silnikiem Stirlinga. Wyglądało toto jak znane nam współcześnie przenośne generatory napędzane silnikami spalinowymi. Nie było tam zbiornika na paliwo, ale mała szuflada gdzie mieścił się palnik prymusa zasilanego benzyną. Aby uruchomić silnik, należało rozpalić prymus, odczekać aż silnik osiągnie właściwą różnicę temperatur i pociągnąć za linkę rozrusznika. Urządzenie dawało moc "aż" 200 watów i mimo że było wręcz rewolucyjne w swoim pomyśle, szybko zaniechano jego produkcji.

Mój referat się spodobał. Przy okazji wpadł mi do głowy pomysł, aby w klasycznym silniku Stirlinga wyeliminować wszelkie korbowody i tłoki a spowodować, by działał, wykorzystując tylko ruch obrotowy jego części składowych.

Przez wiele lat, i podczas studiów, i w pracy zawodowej, zdarzało mi się wielokrotnie rysować schematy "mojego silnika" i tłumaczyć zasadę działania wielu osobom. Zawsze kończyło się to na stwierdzeniu, że "to nie będzie działać!". Dlaczego? Bo to jest takie proste, że jakby miało działać, to już byśmy powszechnie używali takich silników!

Po czym, na wiele lat zapomniałem o moim pomyśle.

W ostatnich dwudziestu latach przemysł powoli "wraca" do silników Stirlinga, w tych dziedzinach gdzie jest to opłacalne. Niestety, klasyczny silnik Stirlinga, z uwagi na swoją budowę, te wszystkie korbowody, tłoki, mimośrody - jest silnikiem stosunkowo skomplikowanym, a przez to drogim w produkcji i stosunkowo dużym "gabarytowo".

Szwedzi zbudowali kilka okrętów podwodnych napędzanych silnikiem Stirlinga. Część "ciepła" tego silnika jest ogrzewana chemiczną reakcją egzotermiczną łączenia chloru z sodem do postaci soli kuchennej.

Prowadzone są prace nad wykorzystaniem omawianych silników w przemysłowych układach kogeneracji, czyli wszędzie tam, gdzie dysponujemy medium o wysokiej temperaturze, a w dalszym cyklu produkcyjnym musimy to medium schłodzić, np. w klasycznej chłodni kominowej.

NASA opracowała silnik według interesującej nas koncepcji ogrzewany reakcją promieniotwórczego pierwiastka. Silniki takie są już montowane do sond kosmicznych, które polecą w odległe od Słońca rejony naszego układu.

Rozpoczęto także produkcję domowych generatorów z klasycznym silnikiem Stirlinga. Gaz dostarczany do domu w celu jego ogrzewania, wpierw ogrzewa silnik, który produkuje energię elektryczną na potrzeby domowe. Mamy więc dwa w jednym - medium energetyczne, którym jest gaz służy i do ogrzewania, i do „świecenia”.

Jak napisałem powyżej, szersze wykorzystanie omawianych silników nie jest możliwe bez zmniejszenia ich kosztów, a więc uproszczenia budowy takiego silnika.

Jakieś dwa lata temu, zupełnie przypadkowo natrafiłem na stronę poświęconą silnikom Stirlinga. Zacząłem szukać, z wielką ciekawością oczekując, że gdzieś trafię na "mój" pomysł. I im dłużej szukałem, tym bardziej byłem zdumiony, że nigdzie tego znaleźć nie mogę. Jednocześnie rozpocząłem próby "hobbystyczne" niejako, prowadzące do sprawdzenia praktycznego mojego pomysłu.

Wiosną 2010 roku zebrałem się na odwagę i zacząłem korespondencję z osobą  - nazwijmy ją "Autorytetem od Stirlinga". Podesłałem Autorytetowi rysunki, schematy i informacje. Po dwóch tygodniach oczekiwania dostałem bardzo pochlebną opinię wraz z sugestią szybkiego patentowania mojego rozwiązania z uwagi na jego nowatorstwo.

Beztłokowy rotacyjny silnik według koncepcji Wąsowskiego (wersja nr 2 = WASE2) jest rodzajem silnika cieplnego zewnętrznego spalania. Różnica temperatur na powierzchniach silnika jest przetwarzana na pracę mechaniczną. Ideą pomysłu jest łatwe łączenie szeregowo-równoległe poszczególnych modułów do postaci płaskich paneli. Każdy panel posiada indywidualną prądnicę / alternator/.

Panel może być wykorzystany do odzyskiwania energii traconej w produkcji przemysłowej / kogeneracja/, jako źródło zasilania hybrydowego pojazdu samochodowego, a także jako generator prądotwórczy, który może być łatwo wykorzystany i w gospodarstwie domowym i ... na Księżycu!

Silnik jest niezwykle prosty w budowie, dlatego jego koszt wytwarzania będzie bardzo mały, (wysoki koszt był podstawową wadą dotychczasowych rozwiązań). Zastosowana: układy kogeneracji, samochody hybrydowe, przenośne generatory prądu elektrycznego.

Źródłem ciepła może być każdy rodzaj energii cieplnej: od wszelkich klasycznych paliw organicznych, poprzez energię nuklearną, geotermalną, chemiczną reakcję egzotermiczną /np. łączenie sodu z chlorem do postaci soli kuchennej/.

Silnik Stirlinga potrzebuje chłodzenia - z uwagi na to iż jest to silnik "różnicowy" - czyli jego sprawność zależy od różnicy temperatur na jego powierzchniach roboczych. Chłodzić można wodą, powietrzem lub każdą inną endotermiczną reakcją chemiczną.

Od maja trwała procedura patentowa. W końcu mój wniosek został już przyjęty, zaś w ciągu najbliższych miesięcy rozpocznie się procedura zastrzegania mojego pomysłu w innych krajach, i może też masowa produkcja...

Jednocześnie trwają prace nad wykonaniem "pół-przemysłowego" silnika. Oceniam, iż powinno się udać osiągnąć moc na wyjściu około 800-1000 W. Ten pierwszy silnik, posłuży do optymalizacji kilku parametrów, co w kolejnych modelach poprawi jego osiągi.

Silnik, nad którym pracuję jest "mutacją" mojego pomysłu silnika sprzed 30 lat. Pierwowzór (WASE1) jest także opatentowany. Pracę nad nim rozpocznę po zdobyciu doświadczeń nad obecnie wykonywanym modelem. WASE1  - w stosunku do WASE2, jest dużo prostszy, zawiera ponad połowę mniej elementów. Powinien być także zdecydowanie tańszy w masowej produkcji. Wymaga jednak ogromnej precyzji wykonania, niemożliwej do osiągnięcia "domowym sposobem".

Wiem że trwają prace nad różnymi, ciekawymi rozwiązaniami tego problemu. Mam nadzieję, że mój pomysł jest krokiem w tym właśnie kierunku. Wydaje mi się iż moje rozwiązanie powinno radykalnie zmniejszyć koszty wytwarzania tych silników. Udało się z klasycznego silnika usunąć wszystkie skomplikowane tłoki, korbowody - sprowadzając wszystko do ruchu obrotowego, przy jednoczesnej modułowej budowie takiego silnika...

P.S. Zupełnie pominiętą w mych rozważaniach o "moim" silniku sprawą jest to, że każdy "klasyczny" silnik Stirlinga może pracować "odwrotnie". To znaczy obieg Carnota jest odwracalny. Czyli silnik napędzany zewnętrznym źródłem mechanicznym, np. energią silnika elektrycznego czy turbiny wiatrowej, niejako "wytwarza" na swych powierzchniach roboczych wysoką i odpowiednio - niską temperaturę. Tak pracujące silniki Stirlinga są obecnie wykorzystywane do osiągania temperatur zbliżonych do zera bezwzględnego. Jest to obecnie najtańszy sposób osiągania niskich temperatur na skalę laboratoryjną i przemysłową!

Teoretycznie możliwe, że odpowiedni panel złożony z "moich" silników, mógłby służyć do ogrzewania czy chłodzenia domów czy hal produkcyjnych. Ale to tylko teoria.

Mam nadzieję że niebawem będę mógł zaprezentować krótkie filmy i zdjęcia dokumentujące składanie, rozruch oraz testy mojego silnika.

Na razie muszą wystarczyć "teoretyczne" filmy:

Wszystkie pozostałe filmy na ten temat można obejrzeć tutaj:

http://www.youtube.com/user/piespokladowy#grid/user/A39EE9DDA0F00817

na przykład:

Pozdrawiam serdecznie

Andrzej Wąsowski

PS

Bardzo ciekawym rozwiązaniem o którym wspomniałem wyżej jest silnik opatentowany przez firmę http://www.whispergen.com/

Krótki film z ich strony:

http://www.whispergen.com/content/library/whispergen.html

PS

Powyższy tekst ukazał się wpierw tutaj:

http://www.automatykaonline.pl/news/news_.php?id=541