Отдел продаж
8 (499) 755-89-57
Лодки, запчасти
8 (499) 755-89-57

Двигатель стирлинга принцип работы


Двигатель Стирлинга – принцип работы. Низкотемпературный двигатель Стирлинга (фото)

Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована тепловая машина, названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.

Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.

Двигатели внешнего сгорания от Philips

Подобные моторы бывают следующих типов:

  • паровой;
  • паротурбинный;
  • Стирлинга.

Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления – в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой – расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой – высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз – возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор – полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

  • КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов.
  • В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации.
  • В Стирлингах нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны.
  • В них не бывает того эффекта, когда говорят, что «двигатель заглох».
  • Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени.
  • Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива.
  • Сгорание происходит вне мотора.

Недостатки

  • Главным минусом конструкции является ее материалоемкость.
  • Рабочее тело нужно охлаждать, из-за чего габариты существенно увеличиваются.
  • Для получения равных с ДВС характеристик необходимо использовать высокое давление.
  • К рабочему телу тепло подводят через стенки теплообменников, у которых ограниченная теплопроводность.
  • Чтобы изменить мощность двигателя, изменяют объем буферной емкости, среднее давление рабочего тела, фазного угла между вытеснителем и поршнем.

Применение

В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на легковых автомобилях.

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Будущее

Явные преимущества, которые имеет поршневой и роторный двигатель Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания. Однако с учетом того, что ДВС на протяжении всего времени совершенствовали, он не может быть легко смещен. Так или иначе, именно такой двигатель сегодня занимает лидирующие позиции, и сдавать их в ближайшее время не намерен.

fb.ru

Двигатель Стирлинга – Устройство, виды и принцип работы

Для приведения в действие машин и механизмов используются силовые агрегаты различной конструкции. Двигатель Стирлинга является одним из силовых агрегатов внешнего сгорания. Для того чтобы понять как работает двигатель Стирлинга необходимо разобраться в его устройстве.

История создания двигателя Стирлинга

До появления силовых агрегатов Стерлинга использовались моторы, работающие на водяном пару. Такие агрегаты могут работать на твердом топливе. Паровые двигатели имеют сложную конструкцию и требуют особого обслуживания. Двигатели Стирлинга имеют простейшую конструкцию. Выполнять ремонт силовой установки можно, не имея технических знаний и особого оборудования.

Конструкция была запатентована в 1816 году. По сравнению с паровыми двигателями мотор был безопасен в использовании и имел простую конструкцию. Главным преимуществом силового агрегата является возможность использования любого вида топлива. Мотор работает от перепадов температуры.

СПРАВКА: При одинаковом объеме рабочей камеры двигатель внутреннего сгорания обладает более высокими показателями мощности.

Виды двигателей

Существует несколько видов моторов Стирлинга отличающихся по своей конструкции:

  1. Альфа;
  2. Бета;
  3. Гамма;
  4. Роторный.

Ниже будет подробно рассмотрена конструкция каждого из видов силового агрегата.

Альфа

Конструктивно состоит из двух цилиндров. На один из цилиндров установлен охлаждающей радиатор. Второй край этого цилиндра подвергается нагреву. В каждой рабочей камере установлен отдельный поршень. Передача усилия от поршневой группы осуществляется на коленчатый вал. Коленчатый вал с поршнем и вытеснителем  соединены шарнирно.

Бета

В конструкцию входит одна рабочая камера. Она одновременно подвергается нагреву и охлаждению.  Нагреву подвергается один край рабочей камеры, охлаждению – второй. Под действием изменения давления воздуха или газа находящегося в рабочей камере перемещается поршень.

Гамма

Отличием конструкции являются два рабочих цилиндра отдельно стоящие друг от друга. Одна рабочая камера постоянно подвергается нагреву. На нее устанавливают радиатор охлаждения. Вторая камера постоянно охлаждённая.

Роторный двигатель Стирлинга

Отличается отсутствием кривошипно-шатунного механизма. Это уменьшает габаритно массовые параметры силового агрегата. Конструкция роторного двигателя позволяет улучшить герметичность рабочей камеры.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Мотор преобразует энергию, получаемую от источника тепла в механическую силу. В рабочей камере находится воздух или газ. Одна часть рабочей камеры оснащена радиатором охлаждения или водяной рубашкой. Это необходимо для охлаждения воздушной массы находящейся в полости цилиндра. Вторая часть подвергается нагреву.

СПРАВКА: Для нормальной работы силового агрегата подойдет любое жидкое, твёрдое или газообразное топливо.

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

  • Под действием высокой температуры воздуха в полости рабочей камеры нагревается и увеличивается в объеме. Увеличение объема воздуха воздействует на поршень, перемещая его в верхнюю мертвую точку;
  • Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень возвращается в обратном направлении. После этого цикл повторяется.
Читайте также:  Shift lock release на АКПП: Для чего нужна эта кнопка

Нагревание и охлаждение воздуха в рабочей камере осуществляется при помощи вытеснителя. Он смещает воздушную массу от горячей части цилиндра к холодной и наоборот. Вытеснитель занимает большую часть объема рабочей камеры.

Область применения

Двигатели Стирлинга, работающие от внешнего источника тепла, могут применяться для изготовления:

  • Генераторов. При помощи силового агрегата можно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Это очень удобно в местах, где подача электричества осуществляется с перебоями или отсутствует;
  • Насосов для перекачки различных жидкостей.мощности силовой установки достаточно для перекачивания различных жидкостей;
  • Климатического оборудования;
  • Автомобилей и самоходной техники.

Простота конструкции позволяет использовать силовые агрегаты для создания автомобилей и различного оборудования. Работа на любом топливе позволяет использовать такие моторы в местах, где подача электроэнергии осуществляется с перебоями или отсутствует.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга внешнего сгорания имеет ряд достоинств и недостатков.

Преимущества

  • Возможность работы на разном топливе. Для нормальной работы может быть использован абсолютно любой источник тепла.  В некоторых случаях применяется солнечная энергия. Для этого солнечный свет концентрируется на поверхности цилиндра;
  • Простота конструкции. В силовом агрегате нет большого количества комплектующих. Это делает мотор простым в эксплуатации и ремонте. Обслуживание двигателя может проводить человек, имеющий минимальные технические знания;
  • Минимальный уровень шума. Двигатель Стирлинга при работе издает минимальный уровень шума. Это возможно благодаря отсутствию большого количества вращающихся деталей и воспламенения топлива в рабочей камере;
  • Моторесурс. Минимальное количество комплектующих позволяет использовать мотор длительное время без ремонта и дополнительного обслуживания;
  • Экологичность. При использовании источника тепла не загрязняющего окружающую среду мотор будет экологически чист.

Недостатки

  • Большие габаритно массовые параметры. Для увеличения мощности необходимо использовать рабочую камеру и поршень большого диаметра. Это требует применения охлаждающего радиатора увеличенных размеров;

  • Сложность в регулировке оборотов. Для регулировки частоты вращения коленчатого вала необходимо изменять показатели температуры;
  • Необходимость в использовании жаропрочных материалов. Увеличение моторесурса возможно при применении материалов устойчивых к высоким температурам.

Двигатель Стирлинга своими руками

Некоторые люди задаются вопросом, как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях? Существует большое количество разновидностей самодельных двигателей Стирлинга. Для того чтобы создать двигатель Стирлинга не обязательно иметь чертежи и специализированные материалы. Создать силовой агрегат дома, можно из подручных материалов, не применяя специализированное сложное оборудование.

Перед сборкой необходимо определиться какой мощности будет силовая установка. Как правило, умельцы создают изделия небольшой мощности, которой хватает для вращения маленького вентилятора. Мотор изготавливается в следующей последовательности:

Рабочая камера

Создавая двигатель Стирлинга своими руками в первую очередь, изготавливают большой цилиндр. В полости этой камеры будет перемещаться вытеснитель воздуха. Он необходим для смещения воздушной массы в рабочей камере.

Камеру изготавливают из термоустойчивых материалов. Это может быть как цельная металлическая ёмкость, так и сосуд, составленный из двух частей. Соединение частей должно быть герметичным. В верхней части камеры необходимо просверлить отверстие.

ВАЖНО: Отсутствие герметичности в рабочей камере приведет к нарушению работоспособности силового агрегата. Во избежание этого необходимо герметизировать места соединения термоустойчивым герметизирующим составом.

Если камера изготавливается из двух частей, то для соединения выбирают клей или пайку. Внутренняя поверхность камеры в месте соединения не должна иметь заусенец или выпирающих частей. Это необходимо для того, чтобы не было препятствий для движения вытеснителя воздушной массы.

Вытеснитель

Перед окончательным соединением частей рабочей камеры необходимо самостоятельно изготовить вытеснитель. Это устройство, которое будет смещать воздушную массу в камере. Размеры вытеснителя должны быть меньше диаметра рабочей камеры. Между стенками камеры и вытеснителем должен быть зазор позволяющий изделию свободно перемещаться.

Для изготовления применяется поролон или другой лёгкий материал. Толщина материала выбирается исходя из внутреннего объема камеры.

После изготовления вытеснителя необходимо закрепить на нём шток. Он изготавливается из металлической проволоки диаметром 0.5 мм. Хорошо подойдет разогнутая канцелярская скрепка. Проволоку крепят к втулке из резины или другого эластичного материала. Втулку крепят к поролоновому диску. Такая конструкция позволяет создать прочное соединение.

Перед сборкой рабочей камеры необходимо продвинуть шток вытеснителя в заранее просверленное, в верхней части камеры, отверстие. Шток должен свободно перемещаться в отверстии. После установки поролонового диска герметизируется рабочая камера.

Подставка

Изготовление подставки является необязательным. Она необходима для установки силового агрегата. В подставке предусматривается место для закладки топлива. Это может быть свеча, сухое горючее, или любой другой источник тепловой энергии.

Подставка изготавливается из термостойких материалов. Хорошо подходит металлическая банка от напитков. Верхнюю часть банки срезают. В боковой части вырезают окно для загрузки топлива. Во избежание травмирования на острые срезы банки устанавливают резиновые уплотнения.

СПРАВКА: При использовании в качестве топлива сухого горючего на дно банки устанавливают металлическую площадку. Хорошо подойдет металлическая шайба толщиной 0.5 – 1 мм. Шайба крепится ко дну банки при помощи самореза или болта.

Цилиндр

Цилиндр используется для установки у него силового поршня. Полость рабочего цилиндра сообщается с полостью камеры через просверленное отверстие в верхней крышке. Соединение цилиндра с рабочей камерой должно быть герметичным. Это необходимо для предотвращения утечки воздуха из полости рабочей камеры в атмосферу.

ВНИМАНИЕ: Герметизация осуществляется путём пайки или нанесения на место соединения герметизирующих составов.

Для изготовления цилиндра используют тонкий лист металла. Из листа вырезают полосу шириной 30-35 мм. Сворачивая полосу, изготавливают цилиндр. Место соединения стенок цилиндра герметизируют при помощи пайки.

Поршень

Поршень изготавливается из пластмассы, дерева или пробки. Для исключения утечки воздуха через зазор между поршнем и цилиндром изделие оснащают мембраной. Мембрану изготавливают из полиэтиленового пакета, воздушного шара, или медицинской перчатки.

Поршень приклеивают к мембране при помощи клея. К цилиндру мембрана крепится при помощи резинки или прочной нити. В верхней части поршня устанавливают крепление для шатуна. Его изготавливают из тонкой проволоки. Крепление выполнено в виде петли с винтом, который вкручивается в поверхность поршня. К петле при помощи болта крепится шатун.

Читайте также:  Двигатель УД 25: Особенности и технические характеристики

Маховик

Работа свободнопоршневого двигателя собранного своими руками будет нестабильной. Для стабилизации оборотов силового агрегата изготавливают маховик. Он стабилизирует частоту вращения за счёт силы инерции.

Маховик изготавливают из прочного материала. Хорошо подходит  металлическая крышка для консервации или CD диск. В центре маховика необходимо закрепить коленчатый вал.

ВАЖНО: Коленчатый вал необходимо крепить точно в центре маховика. Смещение точки крепления приведет к разбалансировке в работе силового агрегата.

Коленчатый вал и шатун

Коленвал изготавливают из толстой металлической или медной проволоки. На коленчатом валу выполняют два изгиба. Угол между коленами должен составлять 90 градусов. На одно колено шарнирно устанавливается шатун, второй конец которого  крепится к поршню. На второе колено шарнирно устанавливается  шток вытеснителя.

В качестве шарниров можно использовать клеммы для соединения проводов. Для этого необходимо предварительно удалить с них зажимающие винты. Для того чтобы провести расчёт глубины колена необходимо разделить на 2 ход поршня от верхней до нижней мертвой точки.

Держатель коленчатого вала

Держатель изготавливают из металла или пластика. Можно использовать стальную, медную проволоку, стержни, трубки и т.д. Нижняя часть держателя жёстко устанавливается на корпус рабочей камеры. Для этого его приклеивают или припаивают к поверхности. В верхней части держатель шарнирно соединяется с коленчатым валом.

Вентилятор

Вместо вентилятора может быть изготовлено любое другое устройство, которому будет передаваться крутящий момент от коленчатого вала. Вентилятор изготавливают из листа металла или пластика. Перед изготовлением вентилятора на материал наносят чертеж.

После этого вырезают деталь. Во избежание получения травм острые края, полученной детали обрабатывают наждачной бумагой.

В центре вентилятора сверлят отверстие. В него устанавливают резиновую, пробковую, или любую эластичную втулку.  Изготовленную деталь крепят на коленчатый вал.

ВНИМАНИЕ: Во избежание разбалансировки необходимо крепить  коленчатый вал точно по центру вентилятора. Найти центр можно при помощи циркуля.

Запуск двигателя

После проверки рабочей камеры на герметичность и сборки двигателя необходимо проверить его работоспособность. Для этого:

  • Подобрать источник тепловой энергии. Это может быть свеча или любое другое топливо. Можно использовать сосуд с горячей водой. Для этого нижнюю поверхность рабочей камеры необходимо установить на емкость с жидкостью;
  • Установить изделия на подставку. На дно подставки поместить источник тепловой энергии;
  • На верхнюю поверхность рабочей камеры поместить кубики льда;
  • Раскрутить маховик вручную.

После раскручивания маховика двигатель должен начать работу. Поршень и шток вытеснителя будут попеременно воздействовать на коленчатый вал установки. Стабильную работу будет обеспечивать сила инерции маховика.

Из вышеперечисленного следует, что двигатель Стирлинга это силовой агрегат, работающий от разницы температур рабочего тела. Мотор может работать на любом виде топлива. Модель силовой установки можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Для этого не потребуется специализированных материалов и оборудования. В качестве источника питания для модели силовой установки может использоваться свеча, сухое горючее и т.п.

toptexnik.ru

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга - это тепловой двигатель, который сильно отличается от двигателя внутреннего сгорания в вашем автомобиле. Изобретенный Робертом Стирлингом в 1816 году, двигатель Стирлинга обладает потенциалом быть намного более эффективным, чем бензиновый или дизельный двигатель. Но сегодня двигатели Стирлинга используются только в некоторых очень специализированных средствах, таких как подводные лодки или вспомогательные генераторы для яхт, где важна тихая работа. Хотя для двигателя Стирлинга не было успешного применения на массовом рынке, некоторые изобретатели работают над их улучшением. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания. • Газы, используемые внутри двигателя Стирлинга, никогда не покидают двигатель. Нет выпускных клапанов, которые выпускают газы высокого давления, как в бензиновом или дизельном двигателе, и взрывов не происходит. Из-за этого двигатели Стирлинга очень тихие. • Цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, который может быть чем угодно, от бензина до солнечной энергии и тепла, производимого разлагающимися растениями. Внутри цилиндров двигателя не происходит сгорания. Существуют сотни способов собрать двигатель Стирлинга. В этой статье мы узнаем о цикле Стирлинга и увидим, как работают две разные конфигурации этого двигателя. Ключевой принцип двигателя Стирлинга состоит в том, что фиксированное количество газа герметизируется внутри двигателя. Цикл Стирлинга включает в себя ряд событий, которые изменяют давление газа внутри двигателя, заставляя его работать. Существует несколько свойств газов, которые имеют решающее значение для работы двигателей Стирлинга: • Если у вас есть фиксированное количество газа в фиксированном объеме пространства, и вы повышаете температуру этого газа, давление будет увеличиваться. • Если у вас есть фиксированное количество газа, и вы сжимаете его (уменьшаете объем его пространства), температура этого газа будет увеличиваться. Давайте пройдемся по каждой части цикла Стирлинга, рассматривая упрощенный двигатель Стирлинга. Наш упрощенный двигатель использует два цилиндра. Один цилиндр нагревается от внешнего источника тепла (например, огня ), а другой - от внешнего источника охлаждения (например, льда). Газовые камеры двух цилиндров соединены, а поршни механически связаны друг с другом с помощью коленчатого вала, который определяет, как они будут двигаться относительно друг друга. В цикле Стирлинга четыре части. Два поршня в приведенной выше анимации выполняют все части цикла: 1. Тепло передается газу внутри нагретого цилиндра (слева), вызывая повышение давления. Это заставляет поршень двигаться вниз. Это та часть цикла Стирлинга, которая выполняет эту работу. 2. Левый поршень движется вверх, а правый - вниз. Это выталкивает горячий газ в охлаждаемый цилиндр, который быстро охлаждает газ до температуры источника охлаждения, понижая его давление. Это облегчает сжатие газа в следующей части цикла. 3. Поршень в охлаждаемом цилиндре (справа) начинает сжимать газ. Тепло, генерируемое этим сжатием, отводится источником охлаждения. 4. Правый поршень движется вверх, а левый - вниз. Это заставляет газ поступать в нагретый цилиндр, где он быстро нагревается, создавая давление, после чего цикл повторяется. Двигатель Стирлинга делает полезную работу в течение первой части цикла. Существует два основных способа увеличить выходную мощность цикла Стирлинга: • Увеличьте выходную мощность на первом этапе. В первой части цикла давление нагретого газа, толкающего поршень, выполняет работу. Увеличение давления во время этой части цикла приведет к увеличению мощности двигателя. Одним из способов повышения давления является повышение температуры газа. Когда мы посмотрим на двухпоршневой двигатель Стирлинга позже в этой статье, мы увидим, как устройство под названием регенератор может улучшить выходную мощность двигателя путем временного накопления тепла. • Уменьшите потребление энергии на третьем этапе. В третьей части цикла поршни выполняют работу, используя часть энергии, произведенной в первой части. Понижение давления во время этой части цикла может уменьшить мощность, используемую во время этой стадии цикла (эффективно увеличивая выходную мощность двигателя). Одним из способов снижения давления является охлаждение газа до более низкой температуры. В этом разделе описан идеальный цикл Стирлинга. Фактически работающие двигатели слегка меняют цикл из-за физических ограничений их конструкции. В следующих двух разделах мы рассмотрим несколько различных типов двигателей Стирлинга. Двигатель типа вытеснителя, вероятно, легче всего понять, поэтому мы начнем с него. Вместо двух поршней двигатель типа вытеснителя имеет один поршень и вытеснитель. Вытеснитель служит для управления, когда газовая камера нагревается и при охлаждении. Этот тип двигателя Стирлинга иногда используется на демонстрациях в классе. Вы даже можете купить комплект для сборки самостоятельно! Для работы двигателя выше необходим перепад температур между верхом и низом большого цилиндра. В этом случае разницы между температурой вашей руки и воздухом вокруг нее достаточно для запуска двигателя. На рисунке выше вы можете увидеть два поршня: 1. Силовой поршень - это меньший поршень в верхней части двигателя. Это плотно закрытый поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри цилиндра. 2. Вытеснитель - это большой поршень. Этот поршень очень свободно сидит в своем цилиндре, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретой и охлаждаемой частями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз. • Когда вытеснитель находится вблизи верхней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя нагревается источником тепла и расширяется. Внутри двигателя создается давление, заставляющее силовой поршень подниматься вверх. • Когда вытеснитель находится у основания большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя охлаждается и сжимается. Это приводит к падению давления, облегчая движение силового поршня и сжатие газа. Двигатель многократно нагревает и охлаждает газ, извлекая энергию из расширения и сжатия газа. Далее мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга. В этом двигателе нагретый цилиндр нагревается от внешнего пламени. Охлаждаемый цилиндр охлаждается воздухом и имеет ребра для облегчения процесса охлаждения. Шток, идущий от каждого поршня, соединен с небольшим диском, который, в свою очередь, соединен с маховиком большего размера. Это обеспечивает движение поршней, когда двигатель не генерирует мощность. 1. В первой части цикла давление возрастает, заставляя поршень двигаться влево, выполняя работу. Охлажденный поршень остается приблизительно неподвижным, потому что он находится в точке своего вращения, где он меняет направление. 2. На следующем этапе оба поршня двигаются. Нагретый поршень перемещается вправо, а охлажденный поршень движется вверх. Это перемещает большую часть газа через регенератор и в охлаждаемый поршень. Регенератор - это устройство, которое может временно накапливать тепло - это может быть сетка из проволоки, через которую проходят нагретые газы. Большая площадь поверхности проволочной сетки быстро поглощает большую часть тепла. Это оставляет меньше тепла для удаления охлаждающих ребер. 3. Далее поршень в охлаждаемом цилиндре начинает сжимать газ. Тепло, генерируемое этим сжатием, отводится охлаждающими ребрами. 4. В последней фазе цикла оба поршня двигаются - охлажденный поршень движется вниз, а нагретый поршень движется влево. Это проталкивает газ через регенератор (где он улавливает тепло, которое хранилось там во время предыдущего цикла) и в нагретый цилиндр. В этот момент цикл начинается снова. Почему нет массового применения двигателей Стирлинга? В следующем разделе мы рассмотрим некоторые причины этого. Есть несколько ключевых характеристик, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования в легковых и грузовых автомобилях. Поскольку источник тепла является внешним, двигателю требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подаваемого на цилиндр - требуется время, чтобы тепло проходило через стенки цилиндра и нагревало газ внутри двигатель Oil Union. Это означает, что: • Двигателю требуется некоторое время для прогрева, прежде чем он сможет вырабатывать полезную работу. • Двигатель не может быстро изменить свою выходную мощность. Эти недостатки почти гарантируют, что он не заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее, гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга может быть целесообразным.
Сам ГАЗ конструировал и выпускал моторы довоенного периода. Это тяжелые низкооборотистые нижнек... Вокруг присадок регулярно разгораются скандалы, что напоминает историю с БАДами – биологически активными добавками, которые то признают полезными, то пытаются запретить. Разберемся, стоит ли заливать присадки в мотор, или лучше держать... Двигатель четырехтактный, с распределенным впрыском топлива, рядный, с верхним расположением распределительного вала. Система охлаждения двигателя - жидкостная, закрытого типа, с принудительной циркуляцией жидкости. Двигатель имеет комбинированную си... Двигатель ВАЗ 21116 1.6 8V Гранта, Калина 2 — это глубокая модернизация 1,6-литрового мотора ВАЗ-21114. Перед нами двигатель 21116, представляющий собой доработанный мотор 21114 1,6 л. который в свою очередь базируется на всем известном 21083 мотор...
Двигатели Toyota Corolla считаются надежными и неприхотливыми еще с 1993 года. Японцы умеют создавать конструкции, которые при небольшом объеме обладают высокой мощностью, при этом могут похвастаться минимальным расходом. Это технически совершенные и... Топливом является то, что мы сжигаем, чтобы получить энергию. Химическая реакция выглядит следующим образом: Топливо + кислород (из воздуха) > выделенная тепловая энергия + диоксид углерода (CO 2 ) + вода (H 2 O). Т... Эта маленькая красная красавица - новый электромобиль Baojun E200 из Китая. Это не какой-то концепт-кар, Baojun E200 появился на китайском автомобильном рынке в конце лета 2018 года. Внешность почти как у смартфона,... Не уверены, стоит ли покупать внедорожник? Вот пять наиболее распространенных причин, по которым люди покупают спортивный внедорожник. Являются ли они вескими причинами, решать вам. Количество сидячих мест...

24techno-guide.ru

Принцип работы двигателя Стирлинга

Многим интересен принцип работы двигателя Стирлинга, и не только из праздного любопытства, но и потому, что если не понять основу его действия, то очень трудно изготовить работающую модель. В данной публикации подробно и насколько возможно, лаконично, дан ответ на этот вопрос. А наглядно все представлено в видеоуроке со всеми схемами.

В этом китайском магазине можно найти отличный генератор.

Рассмотрим сначала

Принцип работы низкотемпературного двигателя.

Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя – горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета на видео).

Мастера покупают изобретения в лучшем китайском интернет-магазине. Схема низкотемпературного двигателя Стирлинга

При движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.

Далее цикл повторяется, так как вытеснитель и рабочий поршень связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов.

Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга

Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.

Электроника для самодельщиков в китайском магазине. Схема высокотемпературного двигателя Стирлинка

Далее вся механика наглядно на видео. Во второй части видео один из вариантов сборки Стирлинга.

Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях. Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так: – сделать цилиндр с вытеснителем; – вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик; – маховик пока не ставить; – нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя; – если попробовать поднять вытеснитель вверх – шарик резко надуется; – если опустить вытеснитель вниз – шарик сдуется. Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя. – Далее заменим воздушный шарик на поршень; – поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух; – смазать поршень силиконовой смазкой; – проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем; – понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала; – изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов!

– окончательно протестировать готовый аппарат.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло. 2. Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы. 3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую. 4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать. 5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку – она дает очень хороший результат.

Удачи в техническом творчестве!

В другом материале о том, как приспособить для этого движка генератор тока. А тут еще одна модель, которую можно собрать дома.

Как работают двигатели Стирлинга?

В течение почти 200 лет термические двигатели, известные по имени их изобретателя, были известны в как двигатели Стирлинга. Их изобретатель работал над построением наиболее эффективного или оптимального рабочего теплового двигателя. Стирлинг подошел к проблеме довольно научным образом. То есть, двигатель (его теоретическая циркуляция) был проанализирован и проверен вычислительно до того, как был построен прототип. Все в теории выглядело очень многообещающим. В принципе, до сих пор предполагалось, что они должны быть одним из наиболее эффективных тепловых двигателей. Так почему бы нам не путешествовать с автомобилями, использующими Стирлинг, несмотря на их многочисленные преимущества?

Рисунок двигателя Стирлинга из оригинального патента от 1816 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: Индийский технологический институт, копия изображения в патенте Роберта Стирлинга 1816 года .

Чтобы получить полезную мощность от поршневого двигателя, он должен развивать достаточно высокий крутящий момент или достигать высокой скорости вращения. Двигатели Стирлинга не достигают высоких скоростей вращения, поэтому давайте рассмотрим момент. В основном, это будет зависеть от силы, действующей на поршень, а это, в свою очередь, от давления рабочего тела в рабочем ходу и поверхности поршня, которое работает. Эти упрощенные рассуждения помогут нам понять структурные проблемы двигателей Стирлинга. Для того, чтобы двигатель был больше, чем модель на столе, он должен быть огромным – иметь большой диаметр рабочего поршня, или поршень должен находиться под высоким давлением во время рабочего хода.

Типичная «настольная» модель двигателя Стирлинга с рубежа 20 и 21 веков. Диаметр маховика: около 30 мм. Он должен быть включен в группу так называемых «Гаджеты».

История двигателя Стирлинга в 19 веке

В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга. Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.

Промышленный двигатель Стирлинга примерно с 1860 года. Представленный двигатель, произведенный Эрикссоном, реализовал модифицированный цикл Стирлинга, названный в честь его создателя Эрикссоном . Источник: Wikimedia Commons , Vasárnapi Ujság, 1861/8 [1] .

Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах. Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .

Семейство двигателей Стирлинга от компании Louis Heinrici. Иллюстрация из каталога компании с 1914 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: First-Neutron .

Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом. Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга от Philips с середины 20-го века (1953). Электрическая мощность: около 180 Вт. Высота корпуса: около 0,5 м. Источник: Викисклада , Норберт Шнитцлер .

Использование гелия

В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.

Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века

В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.

Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P.389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.

Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…

Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга. Источник: Wikimedia Commons , автор: Загружено Skyemoor .

Одной из последних идей использования двигателей Стирлинга было «спуск с параметров». То есть нашли применение для двигателей с низкими характеристиками и существенно более низкой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Примерно в начале XXI века с помощью двигателей Стирлинга была обнаружена идея восстановления энергии, утраченной в процессах нагрева, таких как «дымоход» с дымовым газом из СО-печей. Однако экономический расчет по-прежнему был против использования таких решений в больших масштабах.

Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах. Яднак таких двигателей по-прежнему остается большой «экзотикой» в мире технологий, и, вероятно, большинство читателей этого текста никогда не встретит такой движок…

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга STM с начала 21 века. Электрическая мощность: около 38 кВт или 65 кВт. Высота корпуса: около 1 м. Источник: Викисклада , автор: В.Т.Чыманский.

Мы процитировали выше упрощенную историческую схему тенденций проектирования двигателей Стирлинга. Конечно, мы опустили множество проектов как энтузиастов, так и тех, которые были разработаны в «серьезных» исследовательских проектах (например, машины с жидкими поршнями – «жидкость», термоакустические двигатели и т.д.). Это не меняет того факта, что инженеры и ученые пытались построить эффективный и надежный двигатель Стирлинга почти 200 лет. Практически каждое последующее поколение инженеров пытается решить проблемы этих двигателей, надеясь, что это обеспечит технический прогресс, который произошел в предыдущие 20-25 лет. К сожалению, усилия по-прежнему неэффективны. Я должен признать, что, по-видимому, мое поколение также пыталось это сделать, а также потерпело неудачу. Однако мы глубоко убеждены в том, что

Совсем другое дело, что каждое поколение инженеров начинает свою деятельность почти с самого начала, на практике имея очень сложный доступ к документации ранее выполненных работ… но это снова тема для совершенно другого случая.

Модель двигателя Стирлинга в бета-системе, разработанной и сделанной г-ном Рафалом Ходорковским в рамках инженерных работ на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: Мачей Тулодзекский, PhD). Длина двигателя: около 35 см.

izobreteniya.net

Двигатель внешнего сгорания: 3 модификации двинателя Стирлинга

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.

При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.

Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх.

Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному.

Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость.

Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

Пожалуйста, оцените этот материал!

(5 оценок, среднее: 5,00 из 5) Загрузка...

Если Вам понравилась статья, поделитесь ею с друзьями!

motorsguide.ru

Машина Стирлинга - это... Что такое Машина Стирлинга?

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например — солнечных лучей. Относится к двигателям внешнего сгорания.

История

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Описание

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов их структуры. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остается в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления.

Из термодинамики известно, что давление, температура и объём газа взаимосвязаны и следуют закону идеальных газов: где P — давление газа V — Объём газа n — Количество молей газа R — Универсальная газовая константа

Т — Температура газа в Кельвинах

Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах. Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга. Ниже приведен рабочий цикл двигателя Стирлинга β-типа

1

2

3

4

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения);

1) Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). 2) Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. 3) Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.

4) Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90 градусов относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этой сдвижки машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвижке 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает ее.

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

Альфа Стирлинг

  • Альфа-Стирлинг Содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, у Альфа-Стирлинга имеется ряд технических проблем, вызванных высокой температурой «горячего» поршня и его изоляции.
Схематический разрез ромбического механизма Бета-стирлинга Розовый — горячая полость цилиндра, Тёмно-серый — холодная полость цилиндра (жёлтым показаны патрубки подачи и отвода охлаждающей жидкости), Темно-зелёный — термоизолирующая прокладка между разными концами цилиндра, Светло-зелёный — вытеснитель, Синий — рабочий поршень, Голубой — маховики,

Не показаны: внешний нагреватель и внешний охладитель. В этой конструкции поршень-вытеснитель выполнен без регенератора.

  • Бета Стирлинг У двигателя бета-типа цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, частью теплообменника, или совмещённым с поршнем-вытеснителем.

Гамма Стирлинг

  • Гамма Стирлинг У гамма-типа тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

Недостатки

Основной недостаток двигателя — материалоёмкость.

У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счет увеличенных радиаторов.

Для получения характеристик, конкурентных по сравнению с ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий. Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряженных условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе.

Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске. Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет неоспоримые преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

  • Всеядность двигателя Как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), стирлинг может работать от перепада температур между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печки и т. д. Этот фактор прямо связан с экономичностью двигателя в широком плане — он позволяет заменить дорогие нефтяные топлива на дешевые альтернативные.
  • Простота конструкции В стирлинге отсутствуют многие элементы привычных двигателей: система зажигания, свечи, карбюратор, клапана, глушитель. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач.
  • Увеличенный ресурс Отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
  • Экономичность В случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.[1]
  • Экологичность Стирлинги могут использовать в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.
  • Бесшумность двигателя Стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

Применение

Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока

Универсальные источники электроэнергии

Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любой теплоты. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые фирмы выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи. NASA рассматривает варианты генераторов на основе стирлинга, работающие от ядерных и радиоизотопных источников тепла.

Насосы

Эффективность систем отопления или охлаждения возрастает, если в контуре установлен насос принудительной подачи теплоносителя. Установка электрического насоса снижает живучесть системы, а в быту неприятно тем, что электросчётчик «накручивает» хоть и небольшую, но ощутимую сумму. Насос, использующий принцип двигателя Стирлинга, решает эту проблему.

Стирлинг для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель-насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно служит для охлаждения рабочего тела.

Насос на основе стирлинга может служить для накачки воды в ирригационные каналы посредством солнечного тепла, для подачи горячей воды от солнечного коллектора в дом (в системах отопления теплоаккумулятор стараются установить как можно ниже, чтобы вода шла в радиаторы самотёком).

Стирлинг-насос может использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку абсолютно герметичен.

Тепловые насосы

Тепловые насосы позволяют существенно экономить на отоплении. Обычно используются теплонасосы, приводимые в движение электричеством. Но электричество в ряде стран производится на теплоэлектростанциях, сжигающих газ, уголь, мазут, и в результате калория, полученная на таком теплонасосе оказывается не дешевле, чем полученная от сжигания газа. Агрегат, в котором совмещены двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга, делает ситуацию более благоприятной. Двигатель Стирлинга отдает в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительных порций тепла, которое забирается из окружающей среды. Гибридный теплонасос «стирлинг-стирлинг» оказывается проще, чем композиция из двух стирлинг-машин. В агрегате совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, непосредственно используются для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее простаранство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением.

Расчёты показывают, что в идеале тепловой насос «стирлинг-стирлинг» на каждую калорию сожжённого газа может добавить ещё от 3 до 10 калорий из окружающей среды. На практике эта величина оказывается меньше. Опыты по использованию таких устройств были прекращены.

Холодильная техника

Практически, все холодильники используют те же тепловые насосы. Применительно к системам охлаждения их судьба оказалась более счастливой. Ряд производителей бытовых холодильников собирается установить на свои модели стирлинги. Они будут обладать большей экономичностью, а в качестве рабочего тела будут использовать обычный воздух.

Сверхнизкие температуры

Стирлинги оказались эфективны для сжижения газов. Если не требуется огромных объемов, то стирлинги выгоднее, чем турбинные установки.

Стирлинги выгодно применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах.

Подводные лодки

Преимущества стирлинга привели к тому, что еще в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка.

Примечания

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

dic.academic.ru

Двигатель Стирлинга

Сейчас начали вспоминать двигатель Стирлинга. Дескать у него и экономичность и экологичность, да и вообще — название красивое. Давайте, что ли, и мы вспомним, чтобы расставить хотя бы часть точек над «i»…

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом. Главная цель изобретения — удалить несовершенные машины с угольных шахт, где они откачивали воду. Классические машины требуют парового котла, который по тем временам часто взрывался и Стирлинг поставил задачу — изобрести машину без высокого давления. Ему это удалось.

Рассмотрим классический стирлинг бета-типа, он самый простой. На схеме красным обозначена часть, которая нагревается от внешнего источника (приятно, что любого), синим цветом — часть, охлаждаемая воздухом, радиатор.

Любой стирлинг работает именно на этой разнице температур. В нижней части под нижним поршнем воздух нагревается и от этого расширяется — и толкает поршень вверх.

В процессе подъема воздух просачивается между поршнем и стенками в верхнюю полость, где радиатор его охлаждает. При этом воздух сверху сжимается из-за охлаждения и опять идет вниз, чтобы начать новый такт.

Двигатель стирлинга работает именно на том, что воздух в одном месте конструкции разогревается и расширяется, а в другом охлаждается и сжимается. Естественно, вариаций такой схемы — вагон и маленькая тележка. Рабочее тело — воздух в цилиндрах и это рабочее тело не расходуется. Стирлинг не впускает ничего снаружи и ничего в атмосферу не выпускает. А так, как внутри цилиндров не происходит вспышки или детонации, а давление слабое — то работает он почти бесшумно (IMHO, это основное преимущество стирлинга). А бесшумность и низкие обороты дают фантастическую долговечность. Ну прямо одни плюсы в конструкции! Ну что ж, идем дальше.

Мы показали самый простой стирлинг, без регенератора и со щелями вокруг поршня, нам он вряд ли пригоден. У него совсем низкая мощность и не ахти какое КПД. Давайте посмотрим на стирлинг с регенератором. Регенератор — это на картинке такая штуковина слева, через которую идет газ. По теории регенератор — это полость, заполненная каким-либо «пористым материалом». На практике там внутри могут быть просто металлические ребра или даже проволока, свернутая в катушку. Регенератор не должен слишком хорошо проводить тепло. Он должен остужать горячий газ, когда он проходит через него и нагревать холодный газ, когда тот возвращается через регенератор.

Без него не будет ни мощности, ни КПД. И его расчет — это первый квест, который достанется попаданцу. То есть расчета и не будет (потому что попаданец не сможет получить входные данные), будет многомесячный подбор количества витков или ребер.

Но это только цветочки. За ними идут ягодки. Дело в том, что машина Стирлинга подозрительно напоминает машину Ньюкомба с орошением холодной водой цилиндра. Отличия есть — во времена Стирлинга смогли сделать такие точные детали, как поршень с цилиндром, ну то есть чтобы в щель между ними палец не пролазил. Поэтому если вы решили построить двигатель стирлинга до классического паровика — будьте готовы решать проблемы, описанные в статье борьба за точность. Но помните — та точность подгонки деталей, которая годилась для паровика, не годится для стирлинга. Потому что кривой паровик все равно выпустит пар и пойдет за следующей порцией, а стирлинг ничего в атмосферу выпускать не должен.

Однако, именно на поле точности у попаданца есть шансы построить стирлинг. Дело в том, что поршни первых паровиков были очень большого диаметра, около метра. Со стирлингом такая штука не получится и цилиндр стирлинга будет куда меньшего диаметра и, соответственно, точность обеспечить много-много проще.

Почему же цилиндр поршня будет меньше? А потому, что теплопередача стирлинга идет через стенки цилиндра. И нагревают именно стенки, ожидая, что тепло передастся газу.

Однако, так получилось, что наш мир трехмерен, и если мы возьмем емкость и линейно увеличим ее размеры, то ее объем вырастет в третьей степени, а ее поверхность — только во второй. То есть при увеличении размеров объем растет гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Именно поэтому ванна остывает куда медленнее, чем чайник. В случае со стирлингом это ведет к тому, что газ внутри цилиндра начинает прогреваться куда медленнее и количество оборотов падает катастрофически. При этом введение всяких ребер не даст нужного эффекта, потому что в системе образуется газ, собранный в «складках местности», который не участвует в работе.

Ну хорошо, будем строить небольшой стирлинг. А почему, собственно, первые паровики строили такими большими? Зачем требовался цилиндр в 70 см диаметра? Тут вопрос с том, что давление в котле первых паровых машин было очень мало и чтобы обеспечить мощность, приходилось делать поршни большой площади. Понятно, что такой путь для стирлинга закрыт.

Конечно, есть второй путь — повышение давления. Именно по этому пути пошло развитие паровых машин. Как на эту тему в стирлинге? Да так же, как со всем остальным. Повышение давления требует повышения температуры. А резкое повышение температуры требует использование специальных жаропрочных сталей, с которыми сейчас экспериментируют. Ведь теплопередача идет через металл и наружную сторону приходится раскалять до белого каления. Но были ли доступны такие стали во времена до технологической революции? Ответ найдете сами.

Я не говорю, что со стирлинга нельзя снять неплохую мощность, сейчас это удалось. При использовании водорода, электрического нагрева и давления 200 атмосфер. Проще сразу реактивный двигатель строить.

Итак, с мощностью у стирлинга не вышло. А как с другими параметрами? Давайте посмотрим на количество оборотов за минуту. Вы у какого-нибудь стирлинга видели регулятор оборотов? Нет? А потому, что он не нужен. Стирлинг нельзя раскочегарить до сотен оборотов в минуту (я не беру водородный высокого давления), более того — у стирлинга вообще очень узкий диапазон оборотов, заданных конструкцией. Быстрее крутится он не будет — теплопередача в металле тормозит, а меньше оборотов можно добиться только уменьшением нагрева — то есть уменьшением давления в цилиндре — то есть уменьшением мощности — вплоть до полной остановки. Это я к тому, что если вы решили поставить стирлинг на авто, то потребуется коробка передач и сцепление. Конечно, при той копеечной мощности можно замутить вариатор, как на скутерах.. В 18 веке, ага.

Сейчас количество оборотов регулируется введением дополнительной буферной емкости для газа, но представьте «простоту» этой конструкции! Ведь вся проблема не сделать саму емкость и даже не вентиль к ней. Она должна подключаться и отключаться в определенном такта работы, то есть вентиль должен быть механически связан с маховиком.

И одна из главных проблем стирлинга — обороты будут низкими. И что мы будем делать с низкими оборотами? Можно поставить повышающий редуктор. Мы не будем вспоминать о сложность этой задачи до эпохи паровых машин.

Вопрос в другом — такой редуктор заметно снижает крутящий момент, поэтому если вы хотите сделать что-то типа гоночного автомобиля, то он не разгонится, воздух помешает.

Итак, куда можно поставить стирлинг?

На паровоз? Не хватит крутящего момента сдвинуть с места состав. А если и построить легкую мотодрезину, то как регулировать ее скорость? Втыкать буферную газовую емкость? А место на дрезине будет? Стирлинг вообще отличается удивительно большой материалоемкостью даже среди двигателей внешнего сгорания, а тут еще и дополнительные устройства.

На автомобиль? А попаданец сможет построить вариатор до появления резьбового соединения и соответствующих токарных станков? Я очень хочу увидеть этот девайс!

На пароход? Кому нужен винт, что будет вращаться с мощностью в три лошадиные силы и скоростью меньше ста оборотов в минуту? Конечно, эти обороты — как раз обороты вращения гребного колеса, но гребное колесо — это рычаг, и чтобы его провернуть требуется немалый крутящий момент, даже поболее чем у винта. Конечно, можно построить гребное колесо сантиметров 60 в диаметре, но опять-таки очень хочу это увидеть!

На водяной насос? Да! Это его место! Там не надо ни высокой мощности, ни больших оборотов. Более того — необходимо очень долго держать постоянные обороты, а стирлинг в разнос не пойдет никогда. Самое оно! И напомню — насосы нужны не только на шахтах. Насос, к примеру, работает в классическом холодильнике..

На электростанцию? Можно попробовать. С одной стороны — постоянные обороты. Если правильно подойти, то можно построить линейный генератор, который будет выдавать переменный ток заданной частоты. Стирлинг умеет держать обороты! Но с другой стороны — малая мощность. То есть если вам нужно электричество питать электролампочку и рентгеновский аппарат, ну и плюс зарядить мобилку — годится. А если требуется получать карбид кальция или алюминий — забудьте.

Крутить токарный станок? Да, годится. Только надо не забывать на каждый станок поставить свой стирлинг, ну и без редукторов тут не обойтись. Но если станок получился — на нем можно делать требуемые детали и повышать эффективность.

КПД стирлинга получается порядка 15-18%. Он не настолько высок, как следовало бы ожидать из-за того, что теплопередача идет черех стенку. Как для паровика, это много.

Однако, использовать его можно только там, где нужно маломощный двигатель (маломощный, но не малоразмерный!). То есть там, где бы сейчас поставили электродвигатель.

В двигателе Стирлинга много подводных камней. Вот как выглядит реализация кинематической схемы, показанной выше. И это — самая эффективная схема. Я сомневаюсь, что попаданец будет возиться с двумя валами, скорее всего обойдется классическим кривошипом и маховиком. Соосность будет хуже и достаточно быстро стирлинг начнет выпускать воздух, но разве это кого-то остановит?

Остальные схемы я приводить не буду — они сложнее. Хотя если вся технологическая база уже работает (читай «паровые машины в расцвете»), то и другие модели можно построить, стирлинги реально проще паровиков. И много безопасней. И поэтому дешевле. Вот только паровик стирлингу не заменить…

www.popadancev.net


Смотрите также

Возврат к списку