Teplovzdušné motory
Teplovzdušný motor patří mezi motory tepelné. Vynalezl jej v roce 1816 skotský pastor Robert Stirling. Může být motorem spalovacím s vnějším spalováním nebo využívat tepelný rozdíl získaný jinům způsobem (geotermální energie, odpadní teplo, sluneční energie aj.). Konstrukčně může být provedení teplovzdušného motoru různé. Motor by mohl být jak pístový jedno i mnoha válcový, tak i turbokompresorový.
Pro pochopení základního principu bude vhodné schéma staršího typu ležatého Stirlingova teplovzdušného motoru s přeháněčem a odděleným pracovním válcem.
Motor se skládá z dlouhého válce, v němž se s velkou vůlí pohybuje lehké duté uzavřené těleso, tzv.
přeháněč.
Jedna strana tohoto válce je
ohřívána
(např. ohněm), druhá je
chlazená
(např. vodou). Ve válci je uzavřeno jisté množství vzduchu. Pro začátek si představme, že má stejný tlak jako okolní vzduch. Nyní přesuneme přeháněč uvnitř válce směrem doprava. Téměř veškerý vzduch ve válci obteče přeháněč a nashromáždí se vlevo. Protože je tato část válce vyhřívána, ohřeje se i vzduch. Vzduch má snahu se rozpínat. Tím se zvýší jeho tlak. Vzduch o tomto vyšším tlaku je potrubím veden do
pracovního válce,
kde tlačí na píst a přes klikový mechanismus roztáčí setrvačník. Tím koná práci. Jenže na stejnou kliku je napojena ojnice pohybující přeháněčem. Ještě dříve, než píst pracovního válce dokončí zdvih a ocitne se ve spodní úvrati, přesune se přeháněč v ležatém válci vlevo. Tím odtud vytlačí horký vzduch. Ten obteče přeháněč doprava do studené části válce. Tam se ochladí, jeho tlak výrazně poklesne i pod úroveň okolního atmosferikého tlaku. V celém válci nastane podtlak. Podtlak se potrubím přenese i do pracovního válce a "nacucne" píst zpět do válce. Tím se ovšem opět koná práce a roztáčí setrvačník. Jeden pracovní cyklus je dokončen. Setrvačník se však otáčí dál a přesouvá přeháněč opět doprava. Tím se studený vzduch dostává opět vlevo do ohřáté komory, ohřeje se a zvýší svůj tlak. To se stále periodicky opakuje a motor se trvale otáčí.
Pokud budeme mít na mysli teplovzdušné motory, jako výpomocné motory k vodním motorům, budeme se muset vrátit k historickým typům teplovzdušných motorů. Ty byly ve svém prvopočátku omezeny zejména malou tepelnou odolností materiálu, nevhodnými mazadly a špatnou regulací otáček. To brzdilo jejich rozvoj pro jejich špatnou účinnost a malý výkon při velkých rozměrech. Přesto se rozšířily a to zejména proto, že:
... všechny tyto vlastnosti je předurčily jako hnací motory všude tam, kde by byl parní stroj příliš drahý, choulostivý, náročný na údržbu provoz a obsluhu. Ne každý si mohl dovolit platit úředně schváleného topiče a nechávat pravidelně zkoušet a revidovat parní kotel. Byl to ideální hnací stroj pro malé živnosti do maximálního výkonu řádu jednotek kilowattů.
Mayerův lexikon z roku 1887 uvádí pro tehdejší sériově vyráběné stroje následující parametry:
| uspořádání | ležaté (systém Lehmann) | stojaté (systém Rider) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| výkon | 0,33 | 1 | 2 | 0,33 | 1 | HP |
| otáčky | 110 | 110 | 90 | 140 | 100 | ot./min |
| spotřeba | 4..5kg černého uhlí | 12kg hn.uhlí nebo 6kg koksu | za hodinu | |||
| spotřeba chladící vody | 80 | 200 | 400 | neuvedeno | ltr./hod. | |
| průměr řemenice | 300 | 550 | 775 | 300 | 470 | mm |
| šířka řemenice | 75 | 120 | 150 | 40 | 150 | mm |
| délka stroje | 1500 | 1700 | 2000 | 800 | 1400 | mm |
| šířka stroje | 2000 | 2300 | 3000 | 600 | 850 | mm |
| výška stroje | 2000 | 2600 | 3500 | 1600 | 2400 | mm |
| váha stroje | 1200 | 2000 | 4100 | 500 | 1350 | kg |
Budeme-li věřit důkladně propracované staré rytině a jejím proporcím můžeme předpokládat, že dvouválcový stroj systému Rider o výkonu 1HP při 100ot./min. měl vrtání přibližně 240mm a zdvih 350mm.
Jedním z výrobců těchto strojů u nás byla strojírna a slévárna A. Smékala v Čechách pod Kosířem. (Bohužel není známo, že by se některý z těchto strojů dochoval. Jediným dokladem jsou listy z nabídkového firemního katalogu, který je vystaven v místním Hasičském muzeu.)
Postupem doby byly však teplovzdušné motory vytlačeny výkonnějšími a úspornějšími spalovacími motory, které při vyšším výkonu pracovaly s výrazně menší spotřebou paliva, zejména motory plynosacími (dřevoplyn, koksový plyn). S moderními poznatky a novými materiály nastává renezance těchto motorů. Zejména pro tu jejich vlastnost, že dokáží využívat odpadní teplo a měnit je na mechanickou práci, aniž by při tom vznikal odpad zatěžující životní prostředí. Jinou možností je použití řízeného spalování tuhých paliv (pilinové brikety, spalovny odpadů) nebo teploty v ohnisku zrcadlových solárních systémů. Vhodnější plyny s větší tepelnou vodivostí (vodík) místo vzduchu výrazně zvyšují účinnost. Kvalitní žáruvzdorné oceli umožňují ohřev až na 1000°C. Jeho mechanická konstrukce i koncepce se oproti původním typům zcela změnila. Za těchto podmínek se stává Stirlingův motor vážným konkurentem současných stabilních spalovacích motorů na kapalná paliva. Vývoj a výzkum tohoto motoru stále pokračuje.
Kontrolní otázka:
Myslíte si, že by jednoduchý teplovzdušný motor stačil na pohon dynama pro elektrifikaci vaší chatičky a k pohonu využíval teplo marnotratně unikající do komína z malých kamínek, ve kterých si topíte?
Odpověď:
Stačil, na pár úsporných zářivek a přenosnou televizi zcela určitě a ještě k tomu budete mít (jako odpadní surovinu) teplou vodu.