Stirlingův motor a teplovzdušné motory

Na začátku 19. století, současně s rozvojem pístových parních strojů, probíhal vývoj motorů, které používaly jako pracovní médium vzduch. Pro podobné motory se vžil název teplovzdušné motory a používá se dodnes, i když vzduch byl většinou nahrazen jinými plyny s lepšími termodynamickými vlastnostmi. Pracovní plyn je v těchto motorech ohříván ve výměnících teplem, vznikajícím spalováním paliv mimo pracovní prostor motoru. Proto se setkáme i s názvem motory s vnějším spalováním, pro odlišení od spalovacích motorů, kde spalování probíhá v pracovním prostoru válce. Ani tento název není ostatně zcela přesný, protože tyto motory jsou schopné využívat tepla principiálně z jakéhokoliv zdroje, například odpadní teplo odpadních plynů z různých technologických procesů nebo sušáren a používají se i v solárních systémech. Protože spalovací proces probíhá mimo pracovní prostor motoru, nejsou tyto motory tak striktně závislé na spalování ušlechtilých paliv, jako motory s vnitřním spalováním. Teplovzdušné motory je možno rozdělit do dvou skupin podle ideálních tepelných oběhů. Společné pro obě skupiny je, že během oběhu dochází k regeneraci tepla, a to se pozitivně odrazí na účinnosti motorů. Do první patří motory, u nichž k výměně a regeneraci tepla dochází za stálého tlaku (izobaricky) - motory Ericssonovy. Pro druhou skupinu je charakteristická výměna a regenerace tepla za stálého objemu (izochoricky) - motory Stirlingovy, podle Roberta Stirlinga, který roku 1816 podal patent na teplovzdušný motor se dvěma písty v jednom válci (obr. 1). Teplovzdušné motory zůstaly ve stínu motorů parních a s nástupem pístových spalovacích motorů s vnitřním spalováním se postupně prakticky přestaly používat. Obecně se předpokládá, že se zmenšujícími zásobami fosilních paliv bude význam využití Stirlingova motoru narůstat. IDEÁLNÍ OBĚHY TEPLOVZDUŠNÝCH MOTORŮ Ericssonův motor Schéma Ericssonova motoru je uvedeno na obr. 2. Motor je složen ze dvou pístových strojů, opatřených nuceně ovládanými ventily. První je kompresor, ve kterém je pracovní plyn stlačován na požadovaný tlak. Po stlačení plyn vstupuje do ohřívače, kde je teplem přivedeným zvenčí zahřátý na potřebnou teplotu a pak postupuje do plynového motoru, kde expanduje a koná práci. Plyn po expanzi může být odveden výfukem do atmosféry (otevřený cyklus) nebo může být veden přes chladič, kde se ochladí na původní teplotu a vrací se zpět do kompresoru Ve schématu uvedeném na obr. 2 se počítá s tím, že veškeré přiváděné teplo (ozn. qa) přichází z vnějšího zdroje a veškeré odváděné teplo (qb) se odvádí jako odpadní. Jednou z předností teplovzdušných motorů je ale možnost zvýšit účinnost zařazením dalšího výměníku neboli regenerátoru tak, jak je to uvedeno na obr. 3. Do regenerátoru vstupuje horký plyn po expanzi a předává mu část tepla před ohlazením v chladiči. Teplo, odebrané plynu po expanzi se přivádí stlačenému plynu po kompresi a v ohřívači se zvýší jeho teplota na požadovanou úroveň. Přivedené a odvedené teplo je tedy nižší a díky tomu může motor dosáhnout vyšší účinnosti. Musím podotknout, že o konkrétní realizaci Ericsonova motoru nemám dosud žádné informace a uvádím jej pouze jako další možnou variantu teplovzdušného motoru. Stirlingův motor Pracovní prostor Stirlingova motoru je podobně jako u Ericssonova cyklu tvořen dvěma prostory pracovními (kompresním a expanzním) a třemi výměníky (ohřívač, regenerátor a chladič). Na rozdíl od Ericssonova motoru ale nejsou tyto prostory odděleny rozváděcími orgány, nýbrž trvale propojeny. Principiální provedení Stirlingova motoru je uvedeno na obr. 4. V expanzním prostoru a v ohřívači je teplota rovna nejvyšší teplotě cyklu, v kompresním prostoru a v chladiči je teplota rovna nejnižší teplotě v cyklu, v regenerátoru je teplota proměnná, tak, jak je znázorněno na teplotním schématu, pro výpočty se pak počítá se střední teplotou. Ideální představa vychází z koncepce, že komprese a expanze probíhá při konstantní teplotě - izotermicky. Je to dáno faktem, že během expanze prochází do expanzního prostoru plyn přes ohřívač a expanze probíhá s přívodem tepla. Při kompresi je naopak plyn vtlačován do chladiče, kde se mu teplo odebírá. Přívod a odvod tepla se pak uskutečňuje v okamžiku, kdy oba písty se pohybují současně a objem zůstává konstantní. Během cyklu se tedy písty v ideálním stroji v některých částech cyklu pohybují tak, že se objem pracovního prostoru nemění, a v určité části jeden nebo druhý píst zůstává v klidu. Systém pohybu pístů nejlépe vystihuje schéma na obr. 5, kde jsou písty uspořádány v jednom válci a pohybují se mezi svými horními a dolními úvratěmi. SKUTEČNÝ STIRLINGŮV MOTOR Praktické řešení konstrukce motoru je známé ve třech základních typech A, B a C. Společné pro všechny tři typy jsou dva písty uspořádané v jednom (typ B), respektive dvou válcích (typ A a C) viz obr. 6. U víceválcového provedení typu A se často setkáme se sériovým upořádáním, při kterém v každém válci pracuje jeden dvojčinný píst. Schéma této varianty je na obr. 7. Pracovní prostor Stirlingova motoru je rozdělen na dvě zdvihové části s proměnným objemem (kompresní - studený a expanzní - horký prostor) a tři s objemem stálým - výměníky. Stálé objemy tvoří obdobu škodlivého prostoru u klasických spalovacích motorů a mají negativní vliv na dosažitelný kompresní poměr. Z pohledu kompresního poměru by logicky měly být co nejmenší. Jejich minimalizace by však vedla ke zmenšení teplosměnných ploch, a tím ke zhoršení přívodu a k odvodu tepla. Mimo to by menší objem výměníků vedl ke zmenšení jejich průtočného průřezu, a tím k nárůstu tlakových ztrát. Dalšími částmi motoru jsou dva písty, uspořádané v jednom nebo ve dvou válcích a převodový mechanismus, zajišťující koordinaci pohybu obou pístů, což je zejména u typu B komplikovaná záležitost. Výkon a účinnost motoru pak výrazně ovlivňují jak absolutní velikosti jednotlivých objemů, tak i jejich poměrná velikost a průběh změny zdvihových objemů (tedy průběh dráhy obou pístů, expanzního a kompresního během jednoho cyklu) a v neposlední řadě i konstrukce výměníků. Pracovní plyn se ohřívá zevně, ve speciálním ohřívači, pomocí spalin, vznikajících hořením libovolného paliva (příp. využitím sluneční energie nebo jiného zdroje tepla). Přemísťováním plynu uvnitř motoru (který je stabilně pod tlakem 4 - 8 MPa) z expanzního do kompresního prostoru přes ohřívač, regenerátor a chladič se současně zvyšuje a snižuje tlak pracovního plynu. Motor pracuje při teplotách v horkém prostoru 400 až 700 oC, odpadá zde explozivní spalování, není nutné zapalovací zařízení, ventilový rozvod ani další obvyklé příslušenství spalovacích motorů, motor pracuje s velmi nízkou hladinou hluku, spolehlivě s dlouhou životností a s velmi příznivými emisními hodnotami. SOUČASNÝ STAV Nástup pístových spalovacích motorů s vnitřním spalováním potlačil zájem o Stirlingův motor. Vedlo k tomu hned několik důvodů. Teplo, předávané přes výměníky znamená podstatně pomalejší změny výkonu. Pro dosažení srovnatelného měrného výkonu (výkonu motoru vztaženého na objemovou jednotku pracovního prostoru) je nutný vysoký plnicí tlak (řádově v jednotkách MPa). Dále jsou problémy s utěsněním motoru, který pracuje v uzavřeném cyklu a ztráty pracovního plynu je nutno doplňovat. Další problémy vznikají v souvislosti s tepelným namáháním ohřívače hlavy a expanzního prostoru. Současné maximální teploty plynu dosahují hodnoty 800 oC. Na první pohled to není vysoká teplota, teploty v benzínových a naftových motorech bývají i 2,5krát vyšší, jenže jde o špičkové teploty v rozmezí milisekund, přičemž pracovní prostor je intenzivně ochlazován. Naproti tomu u Stirlingova motoru je horký prostor naopak ohříván. Tím pro dosažení teploty pracovního plynu je materiál trvale vystaven teplotě, která je ještě vyšší, než uvedených 800 oC. Výhody, které představují nízké emisní hodnoty, nízká hladina hluku a možnost použití méně kvalitních paliv a jiných zdrojů tepla se na začátku 20. století nezdály tak podstatné, a tak se Stirlingův motor prakticky přestal používat. Jeho renesance začíná na přelomu 30. a 40. let minulého století, když u firmy Philips údajně vyvstala potřeba vyvinout agregát s minimální provozní hlučností. Narůst zájmu pak vyvolala především snaha využít i jiná paliva než kapalná a plynná, což je u Stierlingova motoru (na rozdíl od motorů zážehových a vznětových) možné. Velkým kladem Stirlingova motoru je také nízká poruchovost, dlouhá provozní perioda a příznivé emisní hodnoty. Na celém světě se touto problematikou s větším či menším komerčním úspěchem zabývá řada technických univerzit a výzkumných pracovišť a existuje řada firem, která nabízí Stirlingův motor v komerčním provedení jako kogenerační jednotku (mikrokogenerační jednotky) nebo jako agregát na výrobu elektrické energie. V tomto případě bývá nevýhoda horších dynamických vlastností obvykle odstraňována použitím hybridního pohonu, kdy Stirlingův motor pracuje v ustáleném režimu, pohání generátor a vyrobená elektřina pohání elektromotor. Přebytky se ukládají do akumulátoru pro pokrytí náhlého nárůstu výkonu. Příkladem může být nasazení na ponorkách, kde vyniká i výhoda tichého chodu. Další aplikací je nasazení v solárních systémech a špičku představuje použití Stirlingova motoru pro kosmické stanice NASA. V tomto případě se teplo dodává z radioizotopů. V roce 2002 uváděl zástupce firmy Stirling Technology Company, že jejich nejstarší motor má za sebou 70 000 provozních hodin bez přestávky a bez údržby a že podle dosavadních výsledků odhadují jeho životnost na cca 30 let. Komerčně nabízené kogenerační jednotky mají elektrický výkon v rozmezí 25 W do 70 kW. Tyto jednotky pracují většinou s plynnými a kapalnými palivy, ale jsou uváděny i jednotky na biomasu (případně na bioplyn). Pravděpodobně největší realizace je podle zpráv z tisku připravovaná v USA, kde se připravuje sluneční elektrárna o celkovém výkonu 500 MW a uvažuje se, že výhledově může být její výkon zvýšen až na 850 MW. Stavba bude umístěna v pouštních oblastech jižní Kalifornie a bude založena na jednotce o výkonu 25 kW. To znamená, že elektrárnu bude tvořit 20 000 jednotek pro dosažení celkového výkonu 500 MW, respektive 34 000 jednotek pro dosažení 850 MW. Výrobní cena jednotky (Stirlingův motor se zrcadlovým kolektorem a s příslušenstvím) je v současné době okolo 150 000 USD, ale při sériové výrobě se předpokládá pokles ceny zhruba na jednu třetinu. V České republice se Stirlingovým motorem zabývají podle dostupných informací dvě technické univerzity Vysoké učení technické v Brně a Vysoká škola báňská technická univerzita Ostrava. Na vývoji dále pracuje několik menších firem a s komerčním řešením je podle mých informací nejdále firma Tedom, která pracuje na kogenerační jednotce se Stirlingovým motorem typu A. Jednotka je stavěna na zemní plyn a její elektrický výkon by měl být řádově v kilowattech. JIŘÍ MÍKA KATEDRA ENERGETIKY, VŠB, TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA