📻 Z ARCHIWUM REO.pl (2011) Przełomowy silnik polskiej produkcji

Tekst z roku 2011

AUDIO REO.pl posłuchaj tekstu, czyta Danuta Stachyra

Andrzej Wąsowski z Rzeszowa opracował niezwykły patent silnika, który może być zasilany niemal każdym źródłem energii. Zaczęło się niewinnie, od krótkiej prezentacji w klasie maturalnej, prawie 30 lat temu. To zainspirowało go do stworzenia urządzenia, które może zrewolucjonizować współczesny przemysł energetyczny.

Projekt Andrzeja Wąsowskiego opiera się na modelu silnika Stirlinga, który powstał na początku XIX w. Już wtedy był to epokowy wynalazek. Jego efektywność była ponad 4 razy większa niż wykorzystywanych ówcześnie silników parowych. A przy tym jego eksploatacja stała się bezpieczniejsza. Wąsowski postanowił usprawnić wynalazek w bardzo prosty sposób. Usunął niepotrzebne części i zastosował technologie oferowane nam przez współczesną technikę. Swój silnik nazwał WASE2 (Wąsowski Andrzej Stirling Engine 2). Obecnie, wspólnie z Politechniką Rzeszowską , prowadzi testy i badania, które pozwolą na zmontowanie w pełni sprawnego prototypu. W sprzyjających okolicznościach pierwszy egzemplarz powinien być gotowy w ciągu 2 miesięcy. O szczegółach unowocześnionego silnika Stirlinga rozmawiamy z jego pomysłodawcą i inżynierem, Andrzejem Wąsowskim.

reo.pl: Silnik jest w fazie projektowania, czy jest już opracowany?

Andrzej Wąsowski: Silnik jest na etapie montażu prototypu. W chwili obecnej złożony jest jeden dwukomorowy moduł silnikowy. Zostały dokonane próby ciśnieniowe, oraz kilka prób termicznych. W montażu są kolejne dwa takie moduły. W fazie przeprojektowywania jest silnik pneumatyczny – bo poprzednio wykonana wersja nie spełniła założonych parametrów.

reo.pl: Jak by pan najprościej wyjaśnił zasadę działania swojego silnika?

Andrzej Wąsowski: Silnik Stirlinga jest rodzajem silnika cieplnego zewnętrznego spalania. Czyli na zewnątrz silnika znajduje się źródło ciepła, a nie tak jak w silnikach benzynowych, które są silnikami wewnętrznego spalania. Silnik Stirlinga działa zgodnie z prostą zasadą fizyki. Jeżeli zamknięty szczelnie zbiornik w którym się znajduje gaz roboczy – na przykład powietrze – ogrzejemy, wtedy nastąpi wzrost ciśnienia wewnątrz zbiornika. Jeżeli ten sam zbiornik ochłodzimy, ciśnienie odpowiednio zmaleje.
Klasyczny silnik Stirlinga składa się z dwóch cylindrów i odpowiednich tłoków. Cylinder mieszalnika ma jedną stronę ogrzewaną a drugą chłodzoną. Znajdujący się wewnątrz tłok nie styka się ze ściankami cylindra – służy tylko do “przepychania” powietrza od ścianki “zimnej” do “gorącej i na odwrót. Taki rodzaj “luźnego” tłoka nazywamy wypornikiem – po angielsku “displacer”. Ruchy tłoka powodują “przepychanie” gazu roboczego od ścianki zimnej do gorącej, co powoduje odpowiednio wzrost i spadek ciśnienia w cylindrze. To zmienne ciśnienie podawane jest poprzez rurkę do siłownika roboczego, który jest zwykłym, typowym siłownikiem pneumatycznym. Poprzez odpowiednie mechaniczne połączenie tłoczysk obu siłowników otrzymujemy dodatnie sprzężenie zwrotne, które pozwala nam zamieniać różnicę temperatur pomiędzy ściankami mieszalnika na pracę mechaniczną.
Dość skomplikowany system mechaniczny klasycznego silnika Stirlinga jest jego podstawową wadą, gdyż taki silnik składa się z wielu części, jest duży, a przez to drogi.
Mój pomysł polega na usunięciu wszystkich skomplikowanych tłoków, korbowodów, mimośrodów i sprowadzeniu wszystkiego tylko i wyłącznie do ruchu obrotowego. Silnik taki składa się z dwóch hermetycznie zamkniętych cylindrów. W każdym z cylindrów znajduje się mimośrodowo umieszczony, obrotowy wypornik. Cylindry wraz z obrotowymi wypornikami mogą być umieszczone szeregowo lub równolegle w stosunku do siebie. Czyli w przypadku “szeregowego” połączenia – na wspólnej osi – znajdują się dwa wyporniki w dwóch oddzielnych, hermetycznych cylindrach. Wyporniki są ustawione względem siebie w przeciw fazie. Dzięki czemu, jeżeli będziemy jedną stronę cylindrów ogrzewać, a przeciwną stronę chłodzić, to obracając osią, na której są wyporniki otrzymamy w tym samym momencie w jednym cylindrze nadciśnienie. Zaś w drugim cylindrze, w tej samej chwili, podciśnienie. To naprzemienne nad i podciśnienie “prostujemy” poprzez układ czterech odpowiednio skonfigurowanych zaworków pneumatycznych, otrzymując na wyjściu z tego pneumatycznego prostownika odpowiednio stałe nad i podciśnienie. Analogicznie jak to się robi z mostkami prostowniczymi przy otrzymywaniu napięcia stałego z napięcia przemiennego jakie mamy w gniazdku. Ta stała różnica ciśnień jest przekazywana na silnik pneumatyczny, znajdujący się na tej samej osi co oba wirujące tłoki. Otrzymujemy dodatnie sprzężenie zwrotne, czyli pracę mechaniczną wspólnej osi, której moc zależy tylko od różnicy temperatur pomiędzy ściankami cylindrów.

reo.pl: Podobno silnik ma osiągać moc 800-1000 W. Mógłby pan powiedzieć co taką energią można zasilić?

Andrzej Wąsowski: Zakładam, iż jeden budowany moduł będzie miał taką moc wyjściową, która powinna wystarczyć do napędzania na przykład przenośnego generatora prądotwórczego.
Poza tym, w silniku Stirlinga istotna jest jego sprawność. Nad takimi silnikami wciąż pracują naukowcy na całym świecie z uwagi na to, iż jest to silnik, który może działać właściwie na każde paliwo, oraz, a może przede wszystkim dlatego, że jest to silnik, który ma największą teoretyczną sprawność z wszystkich silników cieplnych! Już pierwszy prototyp zbudowany przez Roberta Stirlinga w roku 1816 miał sprawność około 16%. Najbardziej wydajne silniki parowe miały wtedy efektywność nie przekraczającą 4%! Zakładam, że mój prototyp będzie miał większe możliwości od wynalazku R. Stirlinga, ale jakie – to okaże się po badaniach jakie zostaną przeprowadzone na Politechnice Rzeszowskiej. Generalnie, im większa różnica temperatur, tym większa sprawność. Przy różnicy 100 st. C wynosi 27%, przy 200 st. C = 42%, a przy 300 st. C = 52%. Oczywiście, nie można dowolnie zwiększać temperatury strony “ciepłej” silnika bo zaczynają się problemy materiałowe, a więc znacznie rosną jego koszty. Dlatego ważna jest jak najniższa temperatura części “zimnej”, czyli konieczna jest duża chłodnica.
W latach 60-tych amerykańskie koncerny samochodowe wykupiły wspólnie patent Philipsa na s. Stirlinga. Powstało kilka bardzo udanych samochodów napędzanych tymi silnikami. Dlaczego nie weszły do produkcji? Dwie przyczyny. Jedna to bardzo tania ropa naftowa – okazało się, że nie jest opłacalne wdrażanie nowej technologii. Druga, to nie do końca rozwiązany problem chłodnicy. Musiała być wielka, bo z małą samochód świetnie działał na Alasce, ale w Kalifornii już gorzej!
Obecnie silniki wewnętrznego spalania (benzynowe i diesle) mają większą sprawność niż silniki Stirlinga. Jest tak jednak od niedawna, głównie dzięki turbosprężarkom, elektronice i komputerowemu sterowaniu. Ale dalej silnik Stirlinga ma podstawowa zaletę – jest silnikiem na każdy rodzaj paliwa – czyli energii. Od chemicznej, poprzez geotermalną a na nuklearnej skończywszy. Po za tym jest to silnik cichy, dlatego Szwedzi zbudowali okręty podwodne z takimi silnikami, i niemal wieczny – bo proces spalania znajduje się na zewnątrz silnika.

reo.pl: Ile może trwać czas produkcji jednego silnika? Czy będzie to produkcja taśmowa, a może raczej na zamówienie? I do kogo przede wszystkim produkt będzie skierowany: do klientów indywidualnych czy przemysłu, jeśli tak to do jakich gałęzi?

Andrzej Wąsowski: Powstający prototyp jest wykonywany ze standardowych, powszechnie dostępnych części. Założenie modułowego łączenia poszczególnych jednostek w rodzaj płaskich paneli, pozwoli na dostosowywanie ich wielkości do indywidualnego zapotrzebowania klienta. Stworzenie pewnego typoszeregu silników i odpowiednich paneli pozwoli na masową i tanią produkcję.
Silnik powinien znaleźć zastosowanie przede wszystkim w przemyśle. Wszędzie tam, gdzie w procesie produkcyjnym mamy jakieś medium robocze, np. parę, którą wpierw musimy ogrzać, a następnie w kolejnym cyklu ochłodzić.
Taki silnik może być też z powodzeniem wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej w indywidualnych gospodarstwach domowych. Mając jeden rodzaj energii np. gaz ziemny, możemy tym gazem ogrzać dom i jednocześnie “wyprodukować” potrzebną energię elektryczną, a jej ewentualny nadmiar odesłać do sieci. Podobne rozwiązanie z powodzeniem wdraża w USA nowozelandzka firma Whispergen. Z tym, że ich silnik Stirlinga jest niezwykle skomplikowany, a przez to bardzo drogi.
Drugie potencjalne i powszechne zastosowanie to produkcja energii elektrycznej we wszystkich miejscach obecnie jej pozbawionych: od krajów trzeciego świata, poprzez góry czy okolice podbiegunowe, a na kempingu czy działce pracowniczej skończywszy.
Kolejny potencjalny klient, to każdy kto potrzebuje wytworzyć energię elektryczną w miejscach jej pozbawionych. Odpowiednio wysoką temperaturę części gorącej możemy uzyskać poprzez spalanie każdego, dowolnego paliwa chemicznego od ropy, drewna, pelletów, słomy, poprzez energię chemiczną – promieniotwórczą, geotermalną, słoneczną albo reakcję egzotermiczną, na przykład łączenia sodu z chlorem.
Możliwe jest też wykorzystywanie tego silnika w elektrycznych pojazdach mechanicznych, hybrydowych, jako uzupełniające źródło energii.

reo.pl: Jaka będzie według pana cena rynkowa przykładowego silnika?

Andrzej Wąsowski: Trudno to ocenić, ale powinna być porównywalna z przenośnymi generatorami prądu napędzanymi klasycznymi silnikami benzynowymi.

reo.pl: Czy silnik Pana pomysłu ma jakieś ograniczenia? I jak długo może pracować?

Andrzej Wąsowski: W zasadzie jedynym elementem, który może się zużywać to uszczelnienia wału i łożyska. Założyć należy, iż te 5-10 lat bez wymiany łożysk silnik powinien się bezawaryjnie kręcić.

fot. A. Wąsowski, Silnik WASE2 w fazie montażu