Двигатель стирлинга принцип действия


Устройство и принцип работы двигателя Стирлинга, модификации


Новые двигатели современного автомобилестроения почти достигли своего пика, кажется уже нечего усовершенствовать. Добавление в систему ДВС турбонаддува повышает мощность, но уменьшает ресурс двигателя, оно и понятно, объем двигателя небольшой, а из него выжимают мощь, как у мотора большего объема, но без турбины. Инженеры автоиндустрии начинают перебирать все возможные направления в развитие двигателестроения. Некоторые разрабатывают супертопливо, некоторые ищут нестандартные конструкции силового агрегата, некоторые планируют создать современный двигатель на базе двигателя Роберта Стирлинга, который был создан в 19 веке. Сейчас продаются сувениры ДВС, купить двигатель Стирлинга можно и на алиэкспресс.
  • Плюсы двигателя Стирлинга.
  • Минусы конструкции ДВС Стирлинга.
  • КПД.
  • Опыт использования двигателя.
  • Видео.
  • Схема работы двигателя Стирлинга

    Двигатель Стирлинга — это устройство, которое преобразует внешнюю энергию в полезную механическую. Это достигается за счет изменения температуры жидкости или газа, циркулирующие в замкнутой системе двигателя.

    Кто понимает физические законы, тому легко понять принцип работы любого двигателя. Что касается данного силового агрегата, то схема его выглядит следующим образом: внизу устройства устройства находится газ, например, воздух, который нагревается и расширяясь толкает поршень. Затем горячий воздух попадает в верхнюю часть ДВС и охлаждается радиатором. Избыточное давление, которое толкало поршень снижается, и поршень опускается, затем воздух опять нагревается и поднимает поршень. Так повторяются циклы.

    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.

    Это интересно: Как успешно сдать экзамены на права в 2021 году? 13 полезных советов

    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.

    Три основных варианта двигателя Стирлинга

    Модификация Альфа

    Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.

    Модификация Бета

    Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.

    Модификация Гамма

    Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень.

    Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

    «Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

    Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

    Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

    Плюсы двигателя Стирлинга

    Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.

    Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.

    Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

    Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.

    Конструкция двигателя Бета

    Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.

    Двигатель Стирлинга своими руками

    Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

    Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

    • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
    • Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
    • Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
    • Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
    • В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
    • Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
    • Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
    • Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

    • Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
    • Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
    • Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

    Коэффициент полезного действия

    КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом.

    На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.

    Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.

    Преимущества.

    Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой. • «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д. • Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью. • Увеличенный ресурс — простота конструкции, 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. • 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). • Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

    Двигатель стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

    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.

    Достоинства двигателя Стирлинга по схеме двойная гамма.

    Основное достоинство двойной гаммы заключается в меньшей суммарной потери мощности на трении. Т.е. рабочий поршень тратит энергию на преодоление силы трения только в половине такта, работая на первый вытеснительный цилиндр, а во второй половине такта тратит энергию, работая на второй вытеснительный цилиндр. В обычной же гамме (см. Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство), рабочий цилиндр работает только половину такта, а вторую половину происходит холостой ход и поэтому затраты в два раза больше.

    Второе небольшое достоинство — лучшая сбалансированность конструкции сдвоенной гаммы

    Два вытеснителя всегда движутся в противофазе на 180° и это позволяет заострить внимание только на балансировке рабочего поршня

    Уменьшение материалоёмкости и сложности. По сути на два вытеснителя в обычной компоновке нам бы пришлось использовать два рабочих поршня. Т.е. в 2 раза больше затраты на производство и занимаемый объём. Также вы можете воспользоваться стирлинг-калькулятором для оценки мощности двигателя.

    Достоинства двойной гаммы можно использовать не только для двигателей внешнего подвода тепла, но и в холодильниках и тепловых насосах.

    А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

    Преимущества ДВС Стирлинга

    Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.

    Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.

    Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

    Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.

    Конструкция двигателя Бета

    конструкция стирлинга

    Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.

    Двигатель Стирлинга: физическая сторона вопроса

    Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

    При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

    Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

    https://youtube.com/watch?v=64mTLfTRaB4

    Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора

    У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки —  то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.

    Пожалуйста, смотрите на мои новые видео YouTube, как прогрессирует развитие. Я искренне благодарю всех вас за проявленный интерес!

    Дэйв Кирк

    Кирк Двигатели, Inc.

    Далее некоторые данные из самого видео.

    Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.

    Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов

    Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов

    Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.

    Корпус регенератора

    Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного  процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений

    Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом

    Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой

    Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.

    Компрессионный насос двигателя стирлинга

    «Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.

    Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга

    Cпасибо

    Недостатки двигателя внешнего сгорания

    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.

    Классификация двигателей Стирлинга[править]

    Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

    Бета-Стирлинг — 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, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

    Гамма-Стирлинг — 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 может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

    Конфигурации.

    Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

    Превью – увеличение по клику.

    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, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.
    Бета-Стирлинг — цилиндр 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, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
    Гамма-Стирлинг — 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 может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

    Преимущества.

    Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.
    • «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
    • Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
    • Увеличенный ресурс — простота конструкции, 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.
    • 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).
    • Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

    Альтернатива паровым двигателям.

    В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

    Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

    Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

    Конфигурация и конструкция двигателя Стирлинга:

    Существует несколько конфигураций двигателя Стирлинга:

    – альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном.

    Рис. 3. α-Стирлинг

    @ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

    У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной,

    – бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости.

    Рис. 4. β-Стирлинг

    @ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

    Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем,

    – гамма-Стирлинг — 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).

    Рис. 5. γ-Стирлинг

    @ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

    Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

    Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

    Наглядный пример практической реализации – двигатель Стирлинга на шестнадцать цилиндров. Оригинальная современная конструкция технологичного устройства

    Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

    • давление,
    • объём,
    • температура газа.

    Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

    Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

    1. Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
    2. Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
    3. Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
    4. Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

    Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

    Принцип работы двойной гаммы.

    При рассмотрении вопроса о том как работает двойная гамма нужно понимать, что оба вытеснителя (дисплейсера) всегда жёстко работают в противофазе. Рабочий поршень работает с разницей от вытеснителей на 90°. Т.е. относительно одного на +90°, а относительно другого на -90°.

    1. Вытеснитель 1 находится в своей верхней мёртвой точке (ВМТ). Всё рабочее тело (рабочий газ) расположено в нижней части цилиндра 1 (т.е. в холодильнике), поэтому газ сжат и имеет минимальный объём. Давления на рабочий поршень сверху отсутствует и «втягивает» рабочий поршень вверх. В этот же момент в цилиндре 2 вытеснитель 2 находится в НМТ. Рабочий газ при этом находится в горячей области цилиндра (вверху) и имеет максимальную температуру и соответственно максимальное давление. При этом давление в рабочем цилиндре максимальное и газ давит на рабочий поршень снизу.
    2. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вниз, газ из холодильника перетекает в нагреватель и тем самым начинает расширяться, повышая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вверх. Рабочий газ из нагревателя переходит в холодильник и тем самым давление на рабочий поршень снизу ослабевает. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в правом вытеснительном цилиндре выше давления в левом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вверх.
    3. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в горячем цилиндре 1 становится больше давления в горячем цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в левом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из правого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вниз.
    4. Когда вытеснитель 1 находится в НМТ, а вытеснитель 2 в своей ВМТ, то давление на рабочий поршень сверху становится максимальным, а давление снизу минимальным. Рабочий поршень при этом будет находиться посередине своего цилиндра и продолжать движение вниз.
    5. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вверх, газ из нагревателя перетекает в холодильник и тем самым начинает сжиматься, понижая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вниз. Рабочий газ из холодильника переходит в нагреватель и тем самым давление на рабочий поршень снизу усиливается. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в левом вытеснительном цилиндре выше давления в правом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вниз.
    6. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в холодном цилиндре 1 становится меньше давления в холодном цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в правом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из левого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вверх.

    История двигателя Стирлинга

    Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

    Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

    Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

    P*V=n*R*T

    здесь

    • P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
    • V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
    • n – молярное количество газа в двигателе;
    • R – постоянная газа;
    • T – степень нагрева газа в двигателе К,

    Модель двигателя Стирлинга:

    За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

    Пожаробезопасность

    Очень много пожаров в отопительный сезон происходит по причине неисправности тепловентиляторов. Поэтому вы должны купить такую модель, в которую производители изначально заложили три вида защиты:

    термостат

    предохранитель

    термореле двигателя вентилятора

    Как выяснить, что такие защиты присутствуют в конструкции, и на что в первую очередь нужно обращать внимание? Не будете же вы в магазине разбирать устройство. У качественного товара должен быть сертификат пожаробезопасности

    У качественного товара должен быть сертификат пожаробезопасности.

    Это прямое доказательство наличия защиты и негорючего пластика у изделия. В дешевых ноунейм моделях такого сертификата вам никто не предоставит.

    К сожалению, обязательной сертификации тепловой техники у нас пока нет, поэтому добросовестные производители (о них скажем чуть позже) проходят ее добровольно и самостоятельно.

    О каких видах защиты идет речь?

    Первое – в прибор должен быть встроен защитный термостат в виде биметалической пластины.

    В случае поломки обдува вентилятора и перегрева спирали или керамики, он автоматически отключит устройство.

    При этом не путайте термостат безопасности с рабочим термостатом, который обеспечивает, так называемый климат-контроль.

    То есть, постоянное поддержание температуры в комнате, с периодическим отключением прибора.

    Второе – для защиты от короткого замыкания внутри хорошего обогревателя кроме термостата присутствует термопредохранитель.

    Помимо этих двух элементов для предотвращения перегрева обмоток двигателя вентилятора, глубоко внутри запрятано термопредохранительное реле.

    Где найти все эти защиты, как их проверить и починить в случае выхода из строя, читайте в отдельной статье.

    Применение двигателя Стирлинга:

    Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже, например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины:

    – универсальные источники электроэнергии,

    – насосы,

    – тепловые насосы,

    – холодильная техника.

    Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com, https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга, https://dvigyn.com/?p=1032

    карта сайта

    как работает как сделать двигатель стирлинга в домашних условияхвакуумный большой термоакустический солнечный самодельный роторный простой низкотемпературный мощный рабочий двигатель внешнего сгорания альфа стирлингадвигатель стирлинга из банок с генератором купить большой мощности своими руками чертежи видео дома домашних условиях квт кпд купить майнкрафт модель для сборкидвигатель стирлинга принцип работы сгорания скачать схема цена чертежи лучшая конструкция и максимальный кпдмодель сборка расчет мощность применение работа двигателя стирлинга купитьтипы двигателей стирлинга

    Коэффициент востребованности
    3 188

    Двигатель Стирлинга – принцип работы. Низкотемпературный двигатель Стирлинга

    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.

    Двигатель внешнего сгорания

    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.

    Принцип работы

    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.

    Возрождение

    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.

    Низкотемпературный стирлинг соотношение вытеснителя и рабочего цилиндра. Двигатель Стирлинга – принцип работы

    Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

    Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей - тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

    Двигатель Стирлинга: физическая сторона вопроса

    Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге , следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

    При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

    Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

    Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт .


    Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

    Современные конфигурации Стирлинга

    Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

    • альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
    • бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
    • гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

    Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

    Преимущества и недостатки

    Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

    Настольная электростанция Стирлинга, которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

    • большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
    • использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
    • потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
    • резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

    Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

    • любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
    • экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПД на 30% выше;
    • экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
    • конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
    • повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

    Области применения двигателей Стирлинга

    Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

    Видео материал: YouTube.com/watch?v=fRY6rkuw3LA

    Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород.

    Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

    С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

    Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

    Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

    История двигателя Стирлинга

    Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

    Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

    Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

    P*V=n*R*T
    • P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
    • V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
    • n – молярное количество газа в двигателе;
    • R – постоянная газа;
    • T – степень нагрева газа в двигателе К,

    Модель двигателя Стирлинга:


    За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

    Цикл

    Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

    Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

    Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

    Идеальные круговые явления:

    • 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
    • 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
    • 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
    • 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

    Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

    Из расчёта (моль) вещества:

    Подводимое тепло:

    Получаемое охладителем тепло:

    Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

    R – Универсальная постоянная газа;

    СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

    За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

    КПД кругового явления:

    ɳ =

    Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

    Принцип работы двигателя

    Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.


    Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

    Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

    Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

    Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

    Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

    Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

    Виды двигателей

    Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:


    Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

    • Двигатель «β – Стирлинг»:


    Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

    • Двигатель «γ – Стирлинг»:


    Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

    Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

    • Роторный двигатель Стирлинга.


    Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

    • Термоакустический двигатель Стирлинга.


    Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

    Двигатель Стирлинга своими руками

    Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

    Низкотемпературный двигатель Стирлинга:


    • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
    • Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
    • Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
    • Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
    • В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
    • Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
    • Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
    • Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;


    • Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
    • Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
    • Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

    После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.


    Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

    Преимущества

    Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

    • Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
    • Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
    • Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
    • Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
    • Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
    • Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
    • Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

    Недостатки

    К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

    • Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
    • Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
    • Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
    • Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
    • Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

    Использование

    Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

    • Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

    Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

    • Двигатель, как насос (электрика).

    Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

    • Двигатель, как насос (обогреватель).

    В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

    Двигатель Стирлинга на подводной лодке:


    • Двигатель, как насос (охладитель).

    Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

    • Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

    Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

    • Двигатель для подводной техники.

    Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

    Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:


    • Двигатель, как аккумулятор энергии.

    Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

    • Солнечный двигатель.

    Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

    - тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

    Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье - "История изобретения паровых машин" . А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

    История создания...

    Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим "экономом".

    В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название - «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

    В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 % инвестировала фирма "Филипс". Поскольку двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, то в эпоху паровых машин он был широко распространён.

    Недостатки.

    Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. 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 счёт увеличенных радиаторов.

    Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками 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 теплообменник работает в очень напряжённых 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 преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

    «Всеядность» двигателя - как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

    Простота конструкции - конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

    Увеличенный ресурс - простота конструкции, 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.

    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).

    Экологичность - сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

    Альтернатива паровым двигателям.

    В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

    Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении - уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

    Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

    Конфигурации.

    Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

    Превью - увеличение по клику.

    Содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

    Бета-Стирлинг - цилиндр 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, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

    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 может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

    Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

    Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

    Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

    Устройство и принцип работы

    Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

    В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

    В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

    Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

    В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

    В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

    Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

    В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

    В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

    Разные конструкции

    Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

    Конструкция исполнения «Альфа»

    Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

    Конструкция исполнения «Бета»

    Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

    Конструкция исполнения «Гамма»

    Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

    Преимущества
    • Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
    • Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
    • Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
    • Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
    • Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

    • В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
    Недостатки
    • При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
    • Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
    • Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
    • Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.
    Двигатель Стирлинга и его использование

    При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

    • Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
    • Насосы . Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
    • Холодильное оборудование . В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
    • Сверхнизкие температуры . Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
    • . Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
    • Аккумуляторы тепла . С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические , и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
    • Автомобилестроение . Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

    Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

    Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

    Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно . Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники . К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).


    Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

    Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

    Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

    Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

    Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

    В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).


    Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

    На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

    Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

    Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

    В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).


    Рисунок 3 - График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

    Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

    Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).


    Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

    Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

    Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

    Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.


    Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

    Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

    Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

    В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору .


    Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

    Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
    А так турбина выглядит у них в реальности:


    Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

    Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

    Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

    Список использованных источников

    М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
    Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
    Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

    Двигатель Стирлинга - Молекулярно-кинетическая теория

    Испарение и конденсацияПленочное кипениеСверхтекучий гелийЭксперименты
    События и мероприятияБиблиотека• История холода• Разделение газовых смесей• Методические указания. Анализ криогенных установок• Оборудование гелиевого ожижителя Г-45• Методические указания. К практическим занятиям в криоцентре• Криогенные трубопроводы• Хранение и транпорт ожиженных газов• Основы методики проектирования криогенных установок• Вспомогательное оборудование криогенных установок• Расчет низкотемпературных установок• Методика расчета схем криогенных установок (рефрижераторы и ожижители)• Методика расчета схем криогенных установок (рефрижераторы с нестационарными потоками)• Характеристики криогенных систем при работе на смесяхСправочные данные
    БольцманиадаХейке Камерлинг-ОннесКриогениус


    Бродянский В.М. От твердой воды до жидкого гелия (история холода)

    Роберт Стирлинг (1790-1878 гг.) - шотландский пастор, доктор богословия, вошел в историю не как выдающийся деятель церкви, а как изобретатель и инженер. Газета "Таймс" в некрологе, посвященном его памяти, с некоторым сожалением отмечала, что он не оставил "ни одного богословского произведения".

    Работая в свободное от основных обязанностей время вместе со своим братом над тепловыми машинами, он изобрел новый двигатель, названный впоследствии его именем. В 1816 г. он получил патент (N 4081) на машину, которая "производит движущую силу посредством нагретого воздуха", а в 1827 и 1840 гг. - еще два (N 5456 и 8652) на усовершенствованные ее варианты. В 1845 г. на литейном заводе в Данди была пущена машина Стирлинга мощностью 50 л.с. (36,7 кВт), проработавшая больше трех лет.

    Долгое время после этого двигатели Стирлинга не строились, а его работы были почти полностью забыты. Только в 1938 г. началось "возрождение" двигателей Стирлинга, и сейчас над ними работают во всем мире.

    Все это очень интересно как для истории, так и для определения тенденций современного развития тепловых двигателей. Но какая здесь связь с криогенной техникой, где все наоборот? Оказывается, как ни странно, что самая непосредственная.

    Нельзя и тут не вспомнить А.С. Пушкина: "...лед и пламень не столь различны меж собой…" Чтобы увидеть, как проявляется эта связь в данном случае, необходимо разобраться в том, как работает двигатель Стирлинга. Прежде всего нужно отметить, что он принципиально отличается от паровой машины двумя особенностями, Во-первых, он работает не на воде и водяном паре, а на воздухе; другими словами, этот двигатель газовый (в том смысле, что агрегатное состояние его рабочего тела не меняется - нет ни испарения, ни конденсации). Во-вторых, все процессы изменения параметров рабочего тела проходят полностью в цилиндре машины; воздух из него не выпускается и в него не впускается; поэтому никаких распределительных устройств, вроде клапанов или золотника, в нем нет.


    Рис. 8.3. Принцип действия двигателя Стирлинга: а - конструктивная схема двигателя; б - положения поршня и вытеснителя в разных фазах процесса; в - процесс на диаграмме р, v.

    На рис. 8.3 а показан схематически разрез двигателя, на рис. 8.3 б - положение рабочих органов в четырех исследовательских положениях. Цилиндр 1 двигателя имеет головку 2, которая постоянно поддерживается в горячем состоянии, так как омывается снаружи продуктами сгорания топлива. В нижней части цилиндра, охлаждаемой водой или воздухом, помещен рабочий поршень 3, связанный с коленчатым валом 4. Через отверстие в поршне пропущен шток 5, на конце которого закреплен так называемый вытеснитель 6 (элемент, который определяет основные особенности двигателя Стирлинга). Он представляет собой тоже поршень, который может перемещаться в цилиндре с небольшим радиальным зазором. Управление его движением осуществляется от того же вала 4.

    Проследим работу двигателя. В фазе I и поршень, и вытеснитель расположены каждый в своей верхней мертвой точке. Воздух находится в промежутке между ними и имеет температуру, близкую к Тос, так как соприкасается со стенками холодной части цилиндра. Затем вытеснитель перемещается вниз, придвигаясь вплотную к рабочему поршню (фаза II). Воздух при этом переходит по кольцевому зазору между вытеснителем и цилиндром в горячую головку цилиндра, где нагревается. При этом его давление возрастает, он давит на поршень и, расширяясь, смешает его вниз, производя работу, передающуюся на вал машины. Вытеснитель посредством штока тоже сдвигается вниз вслед за поршнем; оба оказываются в самом нижнем положении (фаза III). Далее вытеснитель перемещается снова в самое верхнее положение (фаза IV). При этом расширившийся воздух переталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром снова в нижнюю холодную часть цилиндра. При понижении температуры воздуха его давление падает, и поршень снова вдвигается в цилиндр до верхнего положения, соответствующего фазе I; на этом цикл завершается, и все повторяется сначала.

    Таким образом, блестящая идея Стирлинга сводилась к тому, чтобы периодически с помощью придуманного им простого устройства — вытеснителя переталкивать газ из холодной зоны цилиндра в теплую и обратно. Остальное совершалось автоматически: при нагревании давление газа повышалось, и он давил на поршень, производя работу, а при охлаждении - понижалось, и поршень вдвигался обратно. Работа определялась разностью между той работой, которая отдавалась на вал при расширении горячего воздуха (движение поршня вниз), и той, которая затрачивалась при сжатии холодного (движение поршня вверх). На передвижение вытеснителя работа почти не тратилась, так как он двигался почти без сопротивления (воздух легко проходил через зазор между ним и цилиндром, поэтому давления над ним и под ним мало различались).

    На рис. 8.3 в помещена диаграмма, показывающая, как изменяется объем v и давление р газа (воздуха) при работе машины. Процессы переталкивания (I - II и III - IV) проходят при неизменных объемах (изохорно), а расширение при высокой температуре Тг (II - III) и сжатие при низкой Тос (I - II) - при неизменных температурах Тг и Тос. Площади на диаграмме соответственно равны: a-II-III-b - работе LI-III, отдаваемой поршнем, b-IV-I-a - работе LIV-I, затрачиваемой на его возвращение, а их разность (площадка I-II-III-IV) LII-III — полезной работе машины.

    В связи с изобретением вытеснителя Стирлинг впервые ввел в технику и другое устройство, которое затем "оторвалось" от машины Стирлинга и "зажило самостоятельной жизнью", проникнув во многие отрасли техники. Более того, люди забыли не только о том, откуда оно появилось, но и фамилию того, кто его изобрел. Этим устройством является тепловой регенератор (или регенератор тепла). Началось с того, что Стирлинг заметил: при работе его двигателя воздух, проходя через кольцевой зазор между вытеснителем и цилиндром из холодной зоны в горячую и обратно, в первом случае несколько нагревался, а во втором - охлаждался. Причина этого была очевидна: горячий воздух, проходя в зазор, нагревал как стенку цилиндра, так и вытеснитель, а сам охлаждался; холодный воздух, напротив, встречаясь с горячими стенками, нагревался, охлаждая их, и т.д.

    Оба эти процесса были очень полезны. Действительно, если бы холодный воздух без этого подогрева сразу попадал в горячую зону, то пришлось бы дополнительно затрачивать тепло для его нагрева в процессе I - II. Соответственно пришлось бы понижать температуру горячего воздуха в процессе III - IV за счет внешнего охладителя. Регенеративный теплообмен в зазоре между вытеснителем и стенкой цилиндра позволяет проводить процесс нагрева I - II за счет охлаждения в процессе III - IV. Чтобы этот процесс теплообмена шел по возможности полнее, Стирлинг обмотал цилиндрическую поверхность вытеснителя проволокой, которая омывалась воздухом и служила дополнительной массой, аккумулирующей тепло, как впоследствии насадка в регенераторах Френкля. В дальнейшем тепловой регенератор 7 был вынесен за пределы цилиндра, как показано на рис. 8.3 а, и соединен трубками 8 с горячей и холодной полостями. Такая конструкция позволяла как облегчить вытеснитель, так и сделать регенератор нужного размера. Вытеснитель при этом двигался в цилиндре с минимальным зазором и прогонял воздух из одной полости в другую через кольцевой регенератор. Машина-двигатель Стирлинга превзошла по КПД лучшие паровые машины того времени. Но... верхняя горячая часть цилиндра быстро прогорала, и машина выходила из строя. Паровые машины, более приспособленные к технологии того времени, постепенно совершенствовались, затем появились двигатели внутреннего сгорания... К началу нашего века и сам Стирлинг, и его машина были совершенно забыты. О них не вспоминали даже историки теплотехники.

    Следующая страница: Обратная машина Стирлинга (криогенный вариант)



    Тепловой двигатель стирлинга. Принцип работы двигателя внешнего сгорания. Современные конфигурации стирлинга

    Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).

    Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских - конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.

    В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило - слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

    Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме "Филипс" построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

    Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.

    В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.

    Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.

    И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.

    Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

    Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления.

    Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F =∆p (S б -S м ), где ∆p - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S б - рабочая площадь большого ротора; S м - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

    См. в номере на ту же тему

    В минувшем году журналу , в первом номере которого читателей приветствовал А.Эйнштейн , исполнилось 85 лет.

    Немногочисленный коллектив Редакции продолжает издавать ИР , читателями которого вы имеете честь быть. Хотя делать это становится с каждым годом все труднее. Уже давно, в начале нового века, Редакции пришлось покинуть родное место жительства на Мясницкой улице. (Ну, в самом деле, это место для банков, а не для какого-то органа изобретателей). Нам помог однако Ю.Маслюков (в то время председатель Комитета ГД ФС РФ по промышленности) перебраться в НИИАА у метро "Калужской". Несмотря на точное соблюдение Редакцией условий договора и своевременную оплату аренды, и вдохновляющее провозглашение курса на инновации Президентом и Правительством РФ, новый директор в НИИАА сообщил нам о выселении Редакции "в связи с производственной необходимостью". Это при уменьшении численности работающих в НИИАА почти в 8 раз и соответствующем высвобождении площадей и, при том, что занимаемая редакцией площадь не составляла и одну сотую процентов необозримых площадей НИИАА.

    Нас приютил МИРЭА, где мы располагаемся последние пять лет. Дважды переехать, что один раз погореть, гласит пословица. Но редакция держится и будет держаться, сколько сможет. А сможет она существовать до тех пор, пока журнал "Изобретатель и рационализатор" читают и выписывают.

    Стараясь охватить информацией большее число заинтересованных людей мы обновили сайт журнала, сделав его, на наш взгляд, более информативным. Мы занимаемся оцифровкой изданий прошлых лет, начиная с 1929 года - времени основания журнала. Выпускаем электронную версию. Но главное - это бумажное издание ИР .

    К сожалению, число подписчиков, единственной финансовой основы существования ИР , и организаций, и отдельных лиц уменьшается. А мои многочисленные письма о поддержке журнала к государственным руководителям разного ранга (обоим президентам РФ, премьер-министрам, обоим московским мэрам, обоим губернаторам Московской области, губернатору родной Кубани, руководителям крупнейших российских компаний) результата не дали.

    В связи с вышеизложенным Редакция обращается с просьбой к вам, наши читатели: поддержите журнал, разумеется, по возможности. Квитанция, по которой можно перечислить деньги на уставную деятельность, то бишь издание журнала, опубликована ниже.

    Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

    С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

    Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

    Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

    История двигателя Стирлинга

    Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

    Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

    Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

    P*V=n*R*T
    • P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
    • V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
    • n – молярное количество газа в двигателе;
    • R – постоянная газа;
    • T – степень нагрева газа в двигателе К,

    Модель двигателя Стирлинга:


    За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

    Цикл

    Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

    Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

    Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

    Идеальные круговые явления:

    • 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
    • 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
    • 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
    • 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

    Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

    Из расчёта (моль) вещества:

    Подводимое тепло:

    Получаемое охладителем тепло:

    Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

    R – Универсальная постоянная газа;

    СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

    За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

    КПД кругового явления:

    ɳ =

    Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

    Принцип работы двигателя

    Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.


    Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

    Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

    Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

    Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

    Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

    Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

    Виды двигателей

    Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:


    Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

    • Двигатель «β – Стирлинг»:


    Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

    • Двигатель «γ – Стирлинг»:


    Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

    Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

    • Роторный двигатель Стирлинга.


    Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

    • Термоакустический двигатель Стирлинга.


    Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

    Двигатель Стирлинга своими руками

    Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

    Низкотемпературный двигатель Стирлинга:


    • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
    • Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
    • Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
    • Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
    • В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
    • Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
    • Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
    • Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;


    • Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
    • Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
    • Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

    После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.


    Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

    Преимущества

    Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

    • Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
    • Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
    • Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
    • Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
    • Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
    • Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
    • Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

    Недостатки

    К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

    • Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
    • Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
    • Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
    • Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
    • Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

    Использование

    Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

    • Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

    Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

    • Двигатель, как насос (электрика).

    Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

    • Двигатель, как насос (обогреватель).

    В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

    Двигатель Стирлинга на подводной лодке:


    • Двигатель, как насос (охладитель).

    Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

    • Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

    Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

    • Двигатель для подводной техники.

    Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

    Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:


    • Двигатель, как аккумулятор энергии.

    Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

    • Солнечный двигатель.

    Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

    Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина - главный соперник бензинового мотора - обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
    В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и "всеядностью" паровой установки. Это - знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

    Физика процесса

    Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду - цикл повторится.
    в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
    Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
    Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».

    Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

    Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

    Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

    Устройство и принцип работы

    Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

    В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

    В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

    Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

    В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

    В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

    Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

    В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

    В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

    Разные конструкции

    Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

    Конструкция исполнения «Альфа»

    Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

    Конструкция исполнения «Бета»

    Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

    Конструкция исполнения «Гамма»

    Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

    Преимущества
    • Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
    • Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
    • Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
    • Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
    • Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

    • В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
    Недостатки
    • При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
    • Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
    • Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
    • Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.
    Двигатель Стирлинга и его использование

    При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

    • Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
    • Насосы . Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
    • Холодильное оборудование . В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
    • Сверхнизкие температуры . Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.

    • . Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
    • Аккумуляторы тепла . С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические , и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
    • Автомобилестроение . Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

    Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

    Двигатель Стирлинга. Принцип действия двухтактного двигателя. Конструкции механизма газораспределения двигателя внутреннего сгорания. Система смазки двигателя внутреннего сгорания

    2.Двигатель Стирлинга

    Двигатели Стирлинга по конструкции делятся на следующие три типа: альфа – типа с двумя цилиндрами (горячий и холодный), между которыми расположен регенератор;

    бета – типа с одним цилиндром (горячий с одного конца и холодный с другого), внутри которого движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий объем горячей полости с перекачиванием газа из холодной части цилиндра в горячую через регенератор;

    гамма – типа, где также есть поршень и вытеснитель, но при этом установлено два цилиндра – один холодный (в нем движется поршень, с которого снимается мощность), а второй – горячий с одного конца и холодный с другого (в нем движется вытеснитель) с регенератором соединяющим горячую часть второго цилиндра с его холодной частью и одновременно с первым (холодным) цилиндром.   

    Источником теплоты для двигателя Стирлинга может служить любой источник, генерирующий теплоту при температуре 500К и выше.

    Принцип работы этого двигателя, так же как и у двигателей внутреннего сгорания, основан на сжатии рабочего тела при низкой температуре и расширении при высокой. Разность работ (полученной в процессе расширения и затраченной в процессе сжатия) дает работу цикла. В двигателе Стирлинга холодное рабочее тело сжимается рабочим поршнем. Поршень – вытеснитель остается неподвижным. Затем поршень – вытеснитель начинает двигаться, переталкивая рабочее тело через нагреватель в горячую полость над поршнем – вытеснителем. Рабочий поршень пока неподвижен. При расширении рабочего тела оба поршня движутся вниз. Затем вытеснительный поршень возвращается в исходное положение, перемещая рабочее тело через охладитель (О) в холодную полость над рабочим поршнем, и цикл повторяется. Для уменьшения потерь теплоты между нагревателем и охладителем установлен регенератор (Р), в котором накапливается теплота при охлаждении рабочего тела и возвращается при его нагревании. Регенератор представляет собой высокопористую со сквозными порами теплоаккумулирющую массу (металлическая сетка, путанка, спеченная высокопористая керамика и т.д.), которая получает тепло от проходящего через нее горячего рабочего тела из нагревателя и отдает ее при обратном движении холодного рабочего тела из охладителя. Таким образом, в регенераторе двигателя благодаря внутреннему теплообмену осуществляется подогрев рабочего тела перед поступлением в нагреватель за счет аккумулированной теплоты. В результате уменьшается количество теплоты, подведенной извне к нагревателю, и повышается КПД двигателя.    

    Габаритные размеры и масса двигателя Стирлинга значительно выше, чем у ДВС. На автомобиле использование этого двигателя затрудняется также необходимостью применения радиатора увеличенных размеров, так как с отработанными газами (ОГ) отводится только 9% подведенной теплоты.

    В то же время двигатель Стирлинга обладает рядом преимуществ по сравнению с ДВС. В первую очередь, это высокий КПД, который в реальных конструкциях достигает 40...41%, а следовательно, высокая экономичность работы.

    3  Газотурбинные двигатели

    Газотурбинная силовая установка (ГСУ) при равной мощности легче и компактней ДВС с искровым зажиганием (ДсИЗ) и дизелей, работающих с воспламенением от сжатия. Кроме того, ГСУ  хорошо уравновешена, а ОГ в ней менее токсичны. Газовая турбина в силу особенностей своих тяговых характеристик может работать на автомобиле без коробки передач. Технология производства газовой турбины давно освоена авиационной промышленностью.

    На рис.1.7 и 1.8. показаны соответственно опытный и экспериментальный автомобили с газотурбинной силовой установкой.    Преимущества газотурбинного двигателя – низкая токсичность без использования дополнительных приспособлений по очистке газов; очень плавная работа; многотопливность; увеличенные интервалы между обслуживаниями.

    Недостатки – высокая стоимость изготовления, неудовлетворительная работа при неустановившихся режимах и повышенный расход топлива. 

    6 Принцип действия поршневого ДВС с разделенным циклом

    Конструктивная схема этого « двигателя будущего» показана на рис.1.16. Проект носит название Split – Cycle Engine и разрабатывается американской компанией Scuderi Group LLC.

    Идея такова: наделить цилиндры четырехтактного двигателя специализированными функциями. В рассматриваемом двигателе в одном цилиндре будут происходить

    Двигатель Стирлинга - преимущества, принцип работы, схема, применение

    В поисках все более интересных и эффективных способов получения энергии из различных видов топлива инженеры иногда обращаются к очень старым изобретениям. Один из них — двигатель Стирлинга, запатентованный более 200 лет назад, в 1816 году.

    Двигатель Стирлинга

    представляет собой довольно причудливый поршневой двигатель с возвратно-поступательным движением. Его особенность заключается в том, что, как и в случае с паровой машиной, в самой машине не происходит процесса сгорания топлива.Он оснащен двумя поршнями и одним или двумя цилиндрами, теплый и холодный , т.е. один к которому нужно подводить тепло, а другой который нужно охлаждать. Именно этот процесс передачи тепла через двигатель заставляет поршни двигаться, передавая энергию коленчатому валу.

    Конечно, источником энергии может быть сжигание топлива, но это не обязательно. Вы могли бы также использовать солнечную энергию в нем.

    Как работает двигатель Стирлинга?

    Принцип работы двигателя Стирлинга в некоторых отношениях больше похож на холодильник, чем на самый распространенный двигатель внутреннего сгорания - дизельный или бензиновый.Он бывает двух типов — альфа (два отдельных цилиндра) и бета (один цилиндр с двумя секциями).

    Рабочим телом в двигателе является газ с высокой удельной теплоемкостью и высокой теплопроводностью, например водород или гелий.

    Двигатель Стирлинга версия бета , схема. Автор: Зефирис. Источник: wikimedia.org.

    Газ в теплом баллоне нагревается, увеличивая таким образом его объем. Газ толкает рабочий поршень, высвобождая механическую энергию.

    Затем газ поступает во второй, охлаждаемый цилиндр (или во вторую, охлаждаемую часть цилиндра), где он выделяет тепло и уменьшает свою температуру и объем. Цикл замыкается, когда газ поступает в нагретый цилиндр.

    Преимущества двигателя Стирлинга

    Двигатель Стирлинга, безусловно, имеет несколько преимуществ, популярность которых в ближайшем будущем может возрасти.

    Прежде всего, может использовать практически любой источник тепла или топливо .Нет необходимости использовать топливо очень точно регулируемого качества, такое как автомобильный бензин, сжиженный нефтяной газ или природный газ. С тем же успехом вы могли бы снабжать его теплом от сжигания древесины, биогаза, мусора, отходящего тепла от кухонной плиты или солнечной энергии.

    Генераторная установка Philips MP1002CA 1951 года. Подробнее в тексте ниже. Фото: Geni по лицензии CC-BY-SA. Источник: Викисклад.

    Вторым преимуществом является способность сжигать топливо очень точно контролируемым и непрерывным образом .В отличие от двигателей внутреннего сгорания, где у нас очень мало времени (1/10 секунды) и технических возможностей для обеспечения достаточно точного и чистого сгорания. В случае двигателя Стирлинга мы можем очищать выхлопные газы так же эффективно, как в электростанции или котельной.

    С технической точки зрения преимущество, безусловно, у , тем более что в некоторых отношениях конструкция намного проще, например двигатель лишен ГРМ. Двигатель почти бесшумный, что также может иметь большое значение в некоторых приложениях.

    Применение двигателя Стирлинга

    Двигатель Стирлинга

    , скорее всего, найдет в будущем все больше и больше применений благодаря вышеупомянутым преимуществам.

    Важно то, что это не безупречное устройство. К ним относятся, в том числе проблема с герметизацией цилиндров, а двигатель Стирлинга тем эффективнее, чем выше в нем давление газов. Это, в свою очередь, напрямую приводит к большим проблемам с герметизацией.

    Ожидаю роста популярности таких двигателей для выработки электроэнергии .Интересным фактом в этом отношении является электрогенератор Philips MP1002CA 1950-х годов. Мне удалось откопать его руководство. Блок весил около 30 кг, в сухом состоянии выдавал переменный ток напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Он достиг мощности 180 Вт при сжигании 0,4 литра керосина в час. Так как керосин имеет теплотворную способность 9,8 кВтч/л, то можно легко подсчитать, что КПД этого агрегата составляет порядка 5%.

    .

    Двигатель Стирлинга

    Двигатель Стирлинга

    Поставьте двигатель на ровную поверхность (не холодную и не горячую) и попробуйте прокрутить его заслонкой. Как видите, свет гаснет после нескольких оборотов.
    Повторите это действие, но после того, как поставите двигатель на какую-нибудь горячую (но не на плиту!) или холодную поверхность (это может быть стакан с только что вскипяченной водой или даже на собственной руке) и подождите около половины в минуту
    На этот раз, если поставить в правильном направлении, затвор крутится почти «бесконечно».

    Двигатель работает за счет разницы температур. Нижняя поверхность должна иметь другую температуру, чем верхняя, поэтому одна из поверхностей является источником тепла, а другая – приемником (радиаторами). Используя подведенное извне тепло, двигатель Стирлинга преобразует подведенную тепловую энергию в механическую энергию.

    Внутри два цилиндра с петлями: один большой - горячий, а другой маленький - холодный. Токарные станки соединены друг с другом так, что большой на 1/4 оборота короче. на протяжении всего термодинамического цикла.Цао полон воздуха и плотный закрыто. Схема такого двигателя Стирлинга показана на соседнем рисунке.

    В результате нагревая воздух, он рассеивается, что вызывает движение большого колеса д и менее в гр. Как только долгий путь достиг своей низшей точки, газ охлаждается с верхней поверхности и затем утекает. Что, в свою очередь, заставляет большой токарный станок двигаться вверх.

    Коротко весь термодинамический цикл состоит из четырех процессов:

    1. отопление
    2. дисперсия
    3. пешком
    4. стирка

    Этот поразительно простой двигатель был разработан в 1816 году шотландским пастором Робертом Стирлингом.Тогда он должен был стать альтернативой существующим паровым двигателям, которые часто были ненадежными и взрывоопасными. Как видите, этим двигателям не нужно топливо для внутреннего сгорания, что имеет дополнительное преимущество в том, что они очень тихие.

    Преимущества этих двигателей теперь используются на некоторых подводных лодках в качестве бесшумного источника движения для восстановления источников тепла и электричества.

    Последние исследования ученых из Лос-Аламоса позволяют полагать, что модифицированная версия двигателя Стирлинга будет использоваться при исследовании удаленных от Солнца регионов с применением космических зондов.Модификация заключается в замене рабочего газа, которым изначально был воздух с определенным свойством, на стоячие акустические волны, распространяющиеся в гелии [1]. Правильное использование этого явления увеличивает КПД с 7% для обычного двигателя Стирлинга до 18% для этого двигателя с термоакустическим генератором.


    [1] Бакхаус, С. Твард, Э., Петах, М., Термоакустический электрогенератор бегущей волны, Письма по прикладной физике, Т. 85, Вып. 6, 2004, С. 1085-1087.

    [2] Двигатель Стирлинга, http://www.bekkoame.ne.jp/~khirata/


    .

    Двигатель Стирлинга | Transzystor.pl

    Принцип работы
    Двигатель Стирлинга представляет собой поршневую рабочую машину, работающую в замкнутом цикле с любым рабочим газом (например, гелием, водородом, неоном, воздухом) и с регенерацией тепла постоянного объема. Один из первых вариантов такого двигателя был разработан и запатентован в 1816 году. Роберта Стирлинга, в котором он использовал воздух в качестве рабочего газа. Двигатели этого типа получили название двигателей горячего воздуха.

    В рабочем пространстве двигателя Стирлинга замкнута постоянная масса рабочего газа, участвующего в его последовательных циклах.Один из примеров конструкции двигателя Стирлинга показан на рисунке ниже. Это двигатель одностороннего действия в системе γ, на конструкции которого основан прототип двигателя SEPS-1, разработанный и построенный на кафедре теплотехники корабля факультета морской техники Щецинского технологического университета. Двигатель имеет поршень и вытеснитель, которые движутся в двух отдельных цилиндрах, соединенных друг с другом двумя каналами. В одном из каналов установлен набор теплообменников: охладитель К, регенератор Р и нагреватель Н.Плунжер опережает на угол α, движение поршня перемещает рабочий газ между пространством сжатия С и расширением Е. Под поршнем имеется буферное пространство, задачей которого является уменьшение перепада давления на уплотнениях поршня при высоких газовых нагрузках. давления используются в рабочем пространстве.

    Расчет двигателя Стирлинга в системе γ:
    w - рабочий объем; т - поршень; рг - давление газа; pb - давление в буферном пространстве;
    С - компрессионное пространство; Е - пространство расширения;
    Н - обогреватель; Р - регенератор; К - охладитель;
    α - угол фазового сдвига; ω - угловая скорость. Для осуществления теплового цикла необходимо попеременно подводить и отводить теплоту из рабочего пространства двигателя, т. е. нагревать и охлаждать рабочее тело.Этот процесс осуществляется в регенераторе. В связи с тем, что совершенная регенерация тепла невозможна, для осуществления соответствующего превращения в ходе термического цикла к рабочему телу необходимо подводить дополнительное тепло. Кроме того, сжатие и расширение рабочего тела должны происходить при постоянной температуре, поэтому рабочий газ должен нагреваться при расширении и охлаждаться при сжатии. Эти процессы осуществляются соответственно в нагревателе и охладителе.Поэтому необходимо разделить рабочее пространство двигателя Стирлинга на низкотемпературное и высокотемпературное и обеспечить перенос всей массы рабочего газа между этими пространствами.

    В представленном на рисунке конструктивном решении двигателя Стирлинга в качестве рабочего механизма использован кривошипно-шатунный механизм, состоящий из двух коленчатых валов, соединенных зубчатой ​​передачей. Один из них работает с поршнем, а другой с рабочим объемом. Поршень отделяет низкотемпературное пространство сжатия от буферного и обеспечивает сжатие рабочего тела, а грузило разделяет оба рабочих пространства, обеспечивая перенос рабочего тела между ними.В свою очередь отделение рабочего пространства от картерного пространства возможно благодаря сальникам штоков и вытеснителя. Такое решение требует применения уплотнений для отдельных элементов рабочего механизма, т.е. поршня и вытеснителя, а также сальников штоков поршня и вытеснителя.

    Информация о двигателях и других машинах, работающих по циклу Стирлинга, будет последовательно дополняться, так как целью является популяризация знаний об этих очень интересных устройствах.

    История В начале 19 века параллельно шло развитие паровых машин и двигателей, использующих воздух в качестве рабочего газа.Эти двигатели получили название «двигатели горячего воздуха». Разработанные в то время конструкции двигателей, в которых использовался принцип регенерации тепла при циркуляции, можно разделить на две группы:

    * Двигатели Ericsson - двигатели с синхронизацией и регенерацией тепла при постоянном давлении,
    * Двигатели Стирлинга - двигатели, работающие с замкнутым рабочим пространством и регенерацией тепла при постоянном объеме.

    Различные варианты конструкции двигателей, относящихся ко второй группе, были названы в честь конструктора или изобретателя патента, т.е.Двигатели Бенье, Венама, Стирлинга и т. д. Однако использование компанией Philips в этих двигателях других рабочих газов, таких как гелий, водород или азот, сделало название «двигатели горячего воздуха» совершенно неадекватным. Поэтому было предложено принять один общий термин «двигатели Стирлинга» по отношению к двигателям замкнутого цикла на любом рабочем газе. Это имя широко используется и по сей день.

    Одной из первых версий теплового двигателя, работающего по замкнутому контуру с рекуперацией тепла, была конструкция, запатентованная шотландским инженером Робертом Стирлингом в 1816 году, проиллюстрированная на рисунке ниже.

    Схема оригинального двигателя Стирлинга 1816 года. - английский патент № 4081

    Роберт Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом много раз совершенствовали конструкцию своего двигателя, но без особого коммерческого успеха, перед лицом жесткой конкуренции со стороны паровых двигателей и поршневых двигателей внутреннего сгорания, изобретенных в более поздние годы. Роберт Стирлинг полагал, что препятствием были технологические и материальные соображения, ведь основные узлы двигателя изготавливались из чугуна, который характеризовался сравнительно малой прочностью для существующих нужд.Низкий КПД и трудности в эксплуатации двигателя Стирлинга объяснялись необходимостью применения толстых чугунных стенок, создававших значительное термическое сопротивление. За два года до своей смерти, в 1876 году, Роберт Стирлинг писал:

    . «Если бы сталь Бассемера была известна на тридцать или сорок лет раньше, нет сомнений, что двигатель горячего воздуха имел бы огромный успех. В настоящее время он представляет собой потенциальную возможность развития в руках амбициозных и образованных механиков, которые при благоприятных обстоятельствах могут достичь намеченной цели в будущем.«Как показало время, предсказания Роберта Стирлинга не сбылись, а достижения науки и техники обеспечили динамичное развитие поршневых двигателей внутреннего сгорания. С другой стороны, двигатели Стирлинга долгие годы оставались в забвении. Энергоснабжение Двигатель Стирлинга, как двигатель с внешним питанием, позволяет использовать для своего движения различные источники тепловой энергии. В рабочем пространстве этого двигателя замкнута постоянная масса сжатого рабочего газа, которым может быть гелий, водород и даже воздух.Передача тепловой энергии от внешнего источника тепла рабочему телу, которая затем преобразуется в механическую работу, осуществляется путем теплообмена в пространстве специальной формы, называемом нагревателем. Таким образом, подача тепловой энергии может осуществляться непосредственно от источника энергии или с помощью непрямых систем, таких как, например, тепловая труба или паровой теплообменник, что позволяет свободно использовать любую форму высокотемпературной тепловой энергии с достаточно высокой концентрацией мощности. .В тепловых энергосистемах используются двигатели Стирлинга, в том числе следующие источники энергии:

    * энергетическое топливо - топливо в виде нефтяных соединений, твердое топливо в виде угля или древесины, газообразное топливо и все альтернативные виды топлива, и даже металлы (алюминий, литий, натрий, магний),
    * могут быть сгорающие в камере сгорания аккумуляторы тепловой энергии - принимают и накапливают тепловую энергию для передачи ее тепловому двигателю в нужный момент,
    * радиоактивная энергия - радиоактивный распад ядерного топлива (напр.обогащенный изотоп урана U235) вызывает выделение тепловой энергии, которая преобразуется в электрическую динамическим способом, основанным на преобразовании тепловой энергии в механическую, а затем механической энергии в электрическую,
    * солнечная энергия - эта энергия концентрируется на элементах подогревателя двигателя через концентратор,
    * геотермальная энергия, - использование тепловой энергии геотермальных вод,
    * биомасса - преобразуется в жидкое топливо (нефть, спирт) или используется при прямом сжигании твердого биотопливо (древесина, солома) и газообразное топливо в виде биогаза (свалочный газ, газ от ферментации осадка сточных вод, газ от анаэробного сбраживания навоза животных),
    * энергия отходов - энергия выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания большой мощности, напримерглавная силовая установка корабля.

    Важно, что практически одна и та же конструкция двигателя Стирлинга может получать тепловую энергию от любого из этих источников. Для получения высокого КПД и высокой концентрации мощности система теплового энергоснабжения должна обеспечивать достаточно высокую температуру в горячей части двигателя (отопителя).

    Применение Ряд преимуществ, характеризующих работу двигателей Стирлинга, в том числе высокий тепловой КПД, очень низкий уровень шума, надежный запуск, очень низкий выброс вредных компонентов выхлопных газов и огромное разнообразие источников тепловой энергии создают большие перспективы для применения этих двигателей в различных отраслях промышленности.Кроме того, обратимость цикла Стирлинга позволяет этим машинам работать практически без конструктивных изменений в качестве тепловых насосов или охлаждающих и криогенных устройств. Все эти факторы означают, что многие исследовательские центры по всему миру проводят масштабные исследования, направленные на разработку и коммерческое применение машин и двигателей Стирлинга, которые в ближайшем будущем могут стать весьма конкурентоспособными для поршневых двигателей внутреннего сгорания и традиционных устройств охлаждения.

    Обзор публикаций, представленных на циклических конференциях по машинам, работающим по циклу Стирлинга, в т.ч. Международная конференция по двигателям Стирлинга (ISEC) или Европейский форум Стирлинга, журнал Stirling Machine World, а также множество монографий, посвященных этим устройствам, позволяют провести некоторую систематизацию основных областей применения двигателей и машин Стирлинга, важнейшие из которых которые:

    * электроэнергетика:
    - стационарные и переносные электрогенераторы,
    - комбинированные системы производства тепла и электроэнергии,
    - системы преобразования солнечной энергии,

    * автомобильная промышленность:
    - главный привод для автомобилей,
    - гибридные силовые агрегаты для автомобилей,

    * морская промышленность:
    - движители подводных лодок,
    - вспомогательные двигательные установки и генераторные установки,
    - системы утилизации тепла выхлопных газов судовых двигателей,
    - генераторы для зарядки аккумуляторов парусных лодок,
    - привод малого подводного робота,

    * космическая промышленность:
    - вспомогательные источники энергии в электроэнергетических системах космических аппаратов,

    * лекарство:
    - искусственный сердечный насос,

    * Холодильное, кондиционирующее и криогенное оборудование,

    * тепловые и водяные насосы,

    * Изготовление моделей:
    - привод для миниатюрных моделей автомобилей,
    - привод для миниатюрных моделей плавсредств.

    Представленные примеры основных областей применения машин и двигателей Стирлинга и их избранных конструкций, конечно, не исчерпывают всего вопроса, так как существует множество устройств-прототипов, работающих по циклу Стирлинга, предназначенных для различных применений, но позволяют приблизить их привлекательность и масштаб проводимых над ними исследований.

    Артикул:

    Жмудзки С.: Двигатели Стирлинга. WNT, Варшава, 1993.
    Жмудзки С.: Тенденции в конструкции и применении двигателей Стирлинга. Материалы научного симпозиума "Проблемы развития тепловых двигателей". Щецинский технологический университет, Щецин 1994.
    American Stirling Company - www.stirlingengine.com

    .Двигатель Стирлинга

    - принцип работы. Низкотемпературный двигатель Стирлинга (фото)

    Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, раньше был последний, достойный конкуренции. Однако на какое-то время об этом забыли. Как этот двигатель используется сегодня, каков принцип его работы (в статье также можно найти чертежи двигателя Стирлинга, наглядно показывающие его работу), и каковы перспективы использования в будущем, читайте ниже.

    История

    В 1816 году в Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, названную сегодня в честь ее изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство чистящее средство, которое в технической литературе называется регенератором или теплообменником. В результате КПД двигателя увеличился, когда машина была прогрета.

    Двигатель оказался самой стабильной парой машины, доступной в то время, так как он никогда не взрывался.Раньше эта проблема часто возникала с другими двигателями. Несмотря на быстрый успех, в начале 20 века от его разработки отказались, поскольку он стал менее экономичным по сравнению с другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями, разработанными в то время. Однако Стирлинг продолжали использовать в некоторых отраслях.

    Двигатель внутреннего сгорания

    Принцип работы всех тепловых двигателей заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии требуются большие механические усилия, чем для холодного сжатия.Для наглядной демонстрации можно провести опыт с двумя сосудами, наполненными холодной и горячей водой, а также с бутылью. Последнюю опускают в холодную воду, закупоривают пробкой, а затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начинает совершать механическую работу и выталкивает пробку. Первый двигатель внутреннего сгорания был полностью основан на этом процессе. Однако позже изобретатель понял, что часть тепла можно использовать для обогрева. Таким образом, производительность значительно возросла.Но даже это не помогло двигателю стать обычным явлением.

    Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате многие экземпляры использовались для работы в шахтах, на кораблях и в типографиях. Но они были слишком тяжелы для экипажей.

    Двигатели внутреннего сгорания Philips

    Такие двигатели бывают следующих типов:

    • пара;
    • паровая турбина;
    • Стерлинг.

    Последний вид не получил развития из-за низкой надежности и других не самых высоких показателей по сравнению с другими типами появившихся агрегатов. Однако в 1938 году Филипс возобновил свою работу. Двигатели стали приводить в движение генераторы в неэлектрифицированных районах. В 1945 году инженеры компании пришли к выводу, что они представляют собой противоположное применение: если раскручивать вал посредством электродвигателя, то охлаждение ГБЦ будет минус сто девяносто градусов по Цельсию.Тогда было принято решение использовать в охлаждающих агрегатах усовершенствованный двигатель Стирлинга.

    Принцип работы

    Работа двигателя (продолжение) Термодинамические циклы, в которых сжатие и расширение происходят при разных температурах. При этом регулировка расхода рабочей жидкости осуществляется за счет изменяющегося объема (или давления – в зависимости от модели). Это принцип работы большинства таких машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы.Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают как тепловые насосы, холодильники, генераторы давления и так далее.

    Кроме того, существуют двигатели с открытым циклом, в которых управление потоком осуществляется с помощью клапанов. Их называют двигателями Эриксона, за исключением общего имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, прокачки топлива, нагревания полученной смеси с вкраплениями сгорания и расширения.

    Двигатель Стирлинга имеет тот же принцип работы: при низких температурах происходит сжатие, а при высоких температурах происходит расширение.Но по-другому происходит нагрев: тепло подается через стенку цилиндра извне. Именно поэтому его назвали двигателем внешнего сгорания. Стирлинг использовал периодическое изменение температуры с поршнем смещения. Последний переносит газ из одной цилиндрической полости в другую. С одной стороны температура постоянно низкая, а с другой стороны высокая. При движении поршня вверх газ перемещается из горячей полости в холодную, а вниз возвращается в горячую полость. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а потом получает столько же тепла от нагревателя, сколько отдал.Между обогревателем и холодильником находится регенератор – полость, заполненная материалом, от которого газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

    Топливная система соединена с рабочим поршнем, сжимая холодный газ и позволяя ему расширяться при нагревании. За счет сжатия при более низкой температуре совершается некоторая полезная работа. Вся система проходит четыре цикла с прерывистыми движениями. Кривошип обеспечивает непрерывность. Поэтому нет жестких границ между шагами цикла и производительность двигателя Стирлинга не снижается.

    Учитывая все вышеизложенное, напрашивается вывод, что данный двигатель является поршневой машиной с внешним источником тепла, в которой рабочее тело не покидает замкнутого пространства и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его работы.

    Сведения о работе

    Солнце, электричество, ядерная энергия или другие источники тепла могут обеспечивать энергию для двигателя Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в использовании гелия, водорода или воздуха.Идеальный цикл имеет максимально возможный тепловой КПД от тридцати до сорока процентов. Но благодаря эффективному регенератору он может работать с более высоким КПД. Регенерация, нагрев и охлаждение обеспечиваются встроенными теплообменниками, работающими без масла. Обратите внимание, что двигатель требует очень мало смазки. Среднее давление в баллоне обычно составляет от 10 до 20 МПа. Поэтому требует отличной системы герметизации и возможности просачивания масла в рабочие полости.

    Сравнительная характеристика

    В большинстве работающих сегодня двигателей используется этот вид топлива. В то же время постоянное давление легко контролировать, что помогает снизить выбросы. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность при массе сравнима с турбодвигателями, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна коэффициенту дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

    Стоимость производства двигателя намного выше, чем на ДВС.А на деле получается наоборот.

    Преимущества

    Каждая модель двигателя Стирлинга имеет множество преимуществ:

    • КПД в современной конструкции может достигать семидесяти процентов.
    • Двигатель не имеет сильноточной системы зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно регулировать на протяжении всего срока службы.
    • В Стирлинге нет такого взрыва, как в ДВС, дающего большие нагрузки на коленчатые валы, подшипники и шатуны.
    • Они не имеют этого эффекта, когда говорят, что двигатель потух.
    • Благодаря своей простоте устройство можно использовать длительное время.
    • Может работать как на дровах, так и на ядерном или любом другом топливе.
    • Сгорание происходит вне двигателя.

    Недостатки

    • Основной недостаток конструкции - материалоемкость.
    • Рабочий орган должен охлаждаться, за счет чего значительно увеличиваются габариты.
    • Для получения равных свойств с ДВС необходимо использовать высокое давление.
    • Подвод тепла к рабочему органу осуществляется через стенки теплообменников, обладающих ограниченной теплопроводностью.
    • Для изменения мощности двигателя, изменения буферного объема, среднего давления рабочей жидкости, фазового угла между грузилом и поршнем.

    Применение

    В настоящее время генератор с двигателем Стирлинга используется во многих областях. Это универсальный источник электроэнергии в холодильниках, насосах, подводных лодках и солнечных электростанциях.Именно благодаря использованию различных видов топлива возможно его широкое применение.

    Revival

    Эти двигатели снова начали разрабатываться компанией Philips. В середине ХХ века она подписала контракт с General Motors. Она руководила разработкой приложений Стирлинга в космических и подводных устройствах, на кораблях и автомобилях. Вслед за ними к их разработке, в том числе возможному использованию в легковых автомобилях, приступила другая компания из Швеции, United Stirling.

    Сегодня линейный двигатель Стирлингана используется в подводных, космических и солнечных установках.Большой интерес к этой проблеме обусловлен актуальностью вопроса ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также в Японии ведутся активные поиски развития и усовершенствования его использования.

    Будущее

    Явные преимущества поршневого и роторного двигателя Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе, использовании различных видов топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его весьма перспективным на фоне двигателя внутреннего сгорания.Однако, учитывая тот факт, что ДВС все время совершенствовался, его нелегко передвигать. Так или иначе, именно этот двигатель в настоящее время находится в авангарде и сдавать его в ближайшее время не намерен.

    .

    Современные применения машин Стирлинга | RynekInstalacyjny.pl 9000 1

    Двигатели Стирлинга на солнечной электростанции; pl.wikipedia.org

    Машины Стирлинга изначально строились как двигатели, а с развитием этой технологии их стали использовать также как холодильники и тепловые насосы. Многочисленные преимущества этого решения делают его реальной альтернативой используемым в настоящее время классическим технологиям.

    См. также

    Брикоман Электромонтаж в доме. Как расположить кабели и розетки?

    Электромонтаж в доме. Как расположить кабели и розетки?

    Вы не видите электрические установки каждый день, поэтому легко недооценить, насколько сложна сеть проводов и кабелей в наших домах. Достаточно отметить, что освещение и розетки в данной комнате...

    Вы не видите электрические установки каждый день, поэтому легко недооценить, насколько сложна сеть проводов и кабелей в наших домах.Достаточно заметить, что освещение и розетки в данном помещении — это две совершенно отдельные цепи. В свою очередь расположение розеток может дополнительно усложнить всю ситуацию. Подготовка проекта электроустановки, обеспечивающего комфорт и безопасность использования, – задача не из легких. Вот почему мы предлагаем, как это сделать!

    Проект ТТУ Грузовые лестницы - транспортные средства для профессионалов

    Грузовые лестницы - транспортные средства для профессионалов

    Подъемники электрические грузовые изготавливаются с учетом специфических условий работы в строительной, транспортной и монтажной отраслях - необходимость быстрого подъема по лестнице и перевозки крупногабаритных грузов...

    Подъемники электрические грузовые изготавливаются для специфических условий работы в строительной, транспортной и монтажной отраслях - необходимость быстрого подъема по лестнице, перевозки крупногабаритных грузов, погрузки в автомобиль или автоматического нивелирования. Они позволяют снизить нагрузку на сотрудников и повысить безопасность их труда.

    Алео.com У каждого из нас есть доступ к базе данных KRS? Какую информацию вы там будете проверять о подрядчике?

    У каждого из нас есть доступ к базе данных KRS? Какую информацию вы там будете проверять о подрядчике?

    Предприниматели часто утверждают, что, с их точки зрения, самые интересные данные можно найти в базе данных NIP.Это не совсем правда. Национальный судебный реестр – кладезь знаний ... 9000 4

    Предприниматели часто утверждают, что, с их точки зрения, самые интересные данные можно найти в базе данных NIP. Это не совсем правда. Национальный судебный реестр — это кладезь знаний почти во всех сферах деятельности компании. Какие данные вы можете там найти?

    Развитие цивилизации тесно связано с производством энергии. С начала промышленной революции наиболее доступные ископаемые виды топлива были основным источником энергии.Однако интенсивная эксплуатация этих видов топлива приводит, с одной стороны, к быстрому истощению их ресурсов, а с другой - к выбросу загрязняющих веществ в окружающую среду. Поэтому поиск новых источников энергии и способов ее преобразования в настоящее время сосредоточен на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная энергия и биотопливо.

    На рубеже девятнадцатого и двадцатого веков велись поиски эффективных технологий для эффективного преобразования легко генерируемого тепла в механическую работу. Помимо известных паровых машин, разработанных в 18 в.,и изобретенные в девятнадцатом веке двигатели внутреннего сгорания, реализующие циклы Отто и дизеля, в начале девятнадцатого века была построена интересная термодинамическая машина, осуществляющая цикл на замкнутой порции газа. Этот цикл и машина, в которой он осуществляется, были названы в честь изобретателя, шотландского священнослужителя Роберта Стирлинга.

    Читать статью Линзы Френеля - концентрация солнечного излучения »

    Двигатель Стирлинга

    (защищен английским патентом № 4081 от 1816 г.).) впервые был использован для удаления воды из карьера. Несмотря на теоретический КПД цикла, равный КПД цикла Карно, развитие этой техники в последующие годы было не таким динамичным, как развитие двигателей внутреннего сгорания или паровой машины. Основными причинами были трудности, связанные с ограниченностью материалов (частые отказы) и, по тем временам, сложный (трудно описываемый) термодинамический процесс.

    Прогресс в области материаловедения, особенно во второй половине 20 века., а развитие вычислительной техники и, следовательно, возможность использования численных вычислительных методов привели к тому, что большинство технических проблем более чем 100-летней давности теперь носят исторический характер. Ученые и инженеры возвращаются к концепции машины Стирлинга, поскольку ее особенности, такие как высокая энергоэффективность, компактная и относительно простая конструкция, гибкость в выборе источника питания и экологически нейтрального рабочего тела практически идеально вписываются в современные условия.

    Таким образом, забытая, почти двухсотлетняя конструкция, которая на момент своего создания превосходила возможности тогдашней техники, сейчас переживает настоящий ренессанс в виде все большего числа коммерческих внедрений в различных областях техники - от охлаждающих устройств до промышленных двигателей.

    Производство приборов с циклом Стирлинга все еще довольно дорого, в основном потому, что они предлагаются небольшими сериями. Высокая стоимость обусловлена ​​специфическими рабочими параметрами этих устройств (высокое давление и рабочая температура), что напрямую выливается в относительно высокие цены, особенно на прототипы.Производители стремятся снизить затраты за счет использования новых материалов в современных конструкциях и поиска оптимальных рабочих параметров при пониженном среднем давлении в рабочей камере.

    Двигатели Стирлинга в газовых конденсационных котлах »

    Примером эффектного коммерческого применения является двигатель Kockums Stirling мощностью 75 кВтэ, использовавшийся на подводных лодках в качестве электрогенератора [5].

    Термодинамическая основа работы и структура машины Стирлинга

    Двигатель Стирлинга представляет собой двигатель внешнего сгорания.Это означает, что процесс сгорания происходит вне двигателя, в отличие от поршневых двигателей внутреннего сгорания, где сгорание происходит внутри камеры. Тепло, поступающее извне, передается рабочему телу через теплообменник, что позволяет использовать любое топливо для привода устройства.

    Двигатель

    может работать не только на жидком топливе и газе, как в случае с классическими поршневыми двигателями, но и на твердом топливе, таком как биомасса или уголь.На базе двигателей Стирлинга также производятся солнечные батареи с КПД до 45%.

    Рис. 1. Теоретический термодинамический цикл машины Стирлинга

    С точки зрения термодинамики машина Стирлинга представляет собой устройство, реализующее цикл, теоретически именуемый совокупностью четырех термодинамических превращений ( две изотермы и две изохоры - рис. 1 ). В этом цикле замкнутая в рабочем пространстве масса газа движется циклически с одновременным изменением давления.Этот процесс осуществляется в идеальной машине Стирлинга, если предположить, что цилиндры также являются теплообменниками, а регенератор — обратимым устройством. Такой идеальный регенератор будет иметь нулевой энергетический баланс в течение одного цикла (Q2-3 - Q4-1).

    Представление устройства таким образом основано на предположении, что некоторая часть газа движется в рабочем пространстве, претерпевая последовательные термодинамические превращения. В случае реальной машины Стирлинга такой анализ нефизичен и приводит к ошибкам даже в случае чисто теоретических соображений.

    В реальном устройстве рабочий газ заключен в пространстве, состоящем из цилиндров и теплообменников, включая регенератор. В процессе работы устройства газ перемещается в рабочем пространстве и претерпевает изменения. Однако он никогда полностью не покидает ни один элемент рабочего пространства. Иными словами, рабочее тело остается в течение цикла во всех составных пространствах рабочей камеры при температуре, зависящей от них.

    Рис. 2. P – v диаграмма цикла двигателя Стирлинга в изотермическом и адиабатическом режимах

    Они составляют вредное пространство устройства, поэтому предпринимаются усилия по их минимизации. Поэтому для теоретического анализа циркуляции следует использовать методы, учитывающие описанный выше характер процессов, протекающих в машине Стирлинга, например анализ Шмидта (изотермический) или адиабатический анализ. Состояние газа при циркуляции в системе напор-объем показано на диаграмме (рис.2) .

    Теоретический КПД идеального цикла Стирлинга, независимо от используемого метода анализа, равен КПД цикла Карно и выше, чем у цикла Дизеля или Отто. Это связано с изотермическими превращениями, при которых происходит теплообмен с внешними источниками. На самом деле невозможно построить идеальную машину Стирлинга, работающую по схеме , показанной на диаграммах циклов ( рис. 1 и 2 ) из-за необратимости реальных преобразований энергии.Однако тот же принцип применим ко всем термодинамическим циклам, при этом двигатель Стирлинга до сих пор остается единственным строящимся тепловым двигателем, имеющим теоретический КПД цикла Карно.

    По конструкции приборы, реализующие цикл Стирлинга, можно разделить с учетом геометрической конфигурации на три группы - альфа, бета, гамма ( рис. 3-5 ) - и дополнительную комплектацию, т.е. термоакустические устройства с т.н. бегущая волна [1–4, 6].Наибольшая эффективность достигается у альфа-устройств за счет наименьшего количества необратимых процессов и наименьшего вредного пространства. Недостатком этой конфигурации является то, что оба поршня должны быть герметизированы. По этой причине большинство холодильных устройств, произведенных по циклу Стирлинга, работают в бета-конфигурации.

    Рис. 3. Охладитель Стирлинга в системе alpha

    Рис. 4. Beta

    Холодильник Stirling

    Рис. 5. Холодильник Стирлинга в системе гамма

    Примеры включают: холодильник, разработанный Global-Cooling, который достигает коэффициента эффективности охлаждения (COP) 2 при разнице температур 35 K, двигатели GPU3 от General Motors [2], MP1002CA Philips [2] или Allison PD-46. [1] . Экспериментальные испытания чиллера Стирлинга в системе «В-90о» альфа представлены в публикации [12].Испытания проводились с гелием и аргоном при различных давлениях наполнения.

    Другим используемым в настоящее время решением, использующим цикл Стирлинга, являются термоакустические устройства с бегущей волной [17]. В основном они используются в криогенике из-за отсутствия поршней и других движущихся частей, расположенных вблизи низкотемпературных теплообменников. Это позволяет избежать проблем с материалами, а охладители с импульсными трубками могут достигать температуры 10 K.

    Термоакустические устройства [6], как правило, уступают эквивалентным другим устройствам Стирлинга из-за рассеивания энергии в газе и теплопроводности (часто на «холодном» конце устройства используются дополнительные теплообменники для смягчения последствий этого процесс).Однако в данном случае КПД не является самым важным параметром, а основной целью является достижение экстремально низких температур. Термоакустические двигатели с бегущей волной в настоящее время находятся на стадии прототипа.

    Применение машин Стирлинга и перспективы развития

    Двигатели

    Машины Стирлинга изначально строились как двигатели, а с развитием этой технологии их стали использовать также как холодильники и тепловые насосы. Благодаря высокой энергоэффективности двигатели Стирлинга сегодня используются в когенерации и являются перспективным решением для гибридных приводов.Примером может служить свободнопоршневой двигатель [21], где электроэнергию вырабатывает линейный генератор, заключенный в герметичный корпус двигателя и соединенный с ним, или двигатель, оборудованный теплообменником, установленным непосредственно в топке [18], с электрическая мощность 75 кВт и тепловая мощность 475 кВт.

    Преимуществом машин Стирлинга является возможность сжигания дешевого биотоплива без необходимости использования промежуточных контуров, как в случае с паровыми машинами, что способствует значительному снижению их КПД.Комбинированная генерация тепла в настоящее время имеет самый короткий срок окупаемости среди всех инвестиций в возобновляемые источники энергии.

    Читайте также Комплексный дизайн - Что нас ждет? »

    Благодаря благоприятному правовому регулированию это очень динамично развивающаяся область энергетики в мире. Одним из технологических решений систем когенерации, перечисленных в Директиве ЕС по ТЭЦ, являются системы с двигателями Стирлинга [8-10].Директива также подчеркивает экологический аспект применения этих систем, в частности снижение выбросов CO2.

    Табл. 1 показаны выбросы CO, CHx и NOx в атмосферу при работе устройств с различными двигателями . В случае двигателя Стирлинга эти значения одни из самых низких. В случае когенерационных систем использование двигателя Стирлинга особенно выгодно, так как это единственная в настоящее время экономически жизнеспособная технология, позволяющая производить малое и среднее комбинированное производство энергии на основе твердого топлива (особенно биомассы).Использование биомассы позволяет добиться гораздо более выгодных экономических показателей по сравнению с классически используемыми установками, работающими на природном газе.

    Таблица 1. Сравнение выбросов двигателей внутреннего сгорания [г/кВтч] [7]

    Таблица 2. КПД двигателей, работающих по различным термодинамическим циклам

    Котлы на биомассе теперь в основном являются автоматическими устройствами, а заполнения контейнера топливом достаточно для длительного периода работы, в зависимости от размера контейнера и мощности устройства.Конкурентоспособные (по достигнутой мощности) газовые микротурбины мощностью от 35 до 200 кВтэ работают на высокоэнергетическом ископаемом топливе, в основном на природном газе (снабжать их биомассой не представляется возможным).

    Интересным применением является использование двигателя Стирлинга для создания солнечной батареи . При этом солнечное излучение концентрируется в теплообменнике, представляющем собой двухфазный термосифон с натрием в качестве циркулирующей среды [19, 20]. Установки этого типа показывают гораздо более высокий КПД, чем фотоэлектрические солнечные батареи.

    Табл. 2 сравнивается эффективность двигателя Стирлинга (на основе уже построенных и реализованных устройств) и традиционных двигателей, работающих по другим схемам. Созданные до сих пор двигатели имеют широкий диапазон мощностей — от нескольких кВт до более 1 МВт — и высокий КПД, чаще всего больший, чем у двигателей внутреннего сгорания. Вт табл. 3 показаны основные технические данные выбранных двигателей Stirling , построенных за последние несколько десятков лет.

    Таблица 3. Основные характеристики различных двигателей Stirling

    Холодильное оборудование

    В 1987 году в Монреале было подписано международное соглашение по борьбе с озоновой дырой, на основании которого соединения, разрушающие озоновый слой и способствующие глобальному потеплению, постепенно выводятся из производства и использования. Дополнительным эффектом замены хладагентов на новые является необходимость изменения конструкции самих охлаждающих устройств.

    Новые хладагенты, представленные на рынке, такие как R134a, должны были временно заменить вещества, использовавшиеся до сих пор. За последние два десятилетия большинство развитых стран приняли решение о поэтапном отказе от ГХФУ и ХФУ [11], а лаборатории все еще работают над новыми хладагентами.

    Отказ от использования хладагента R22, который в настоящее время используется в большинстве промышленных установок и кондиционеров, также связан с высокими затратами. Альтернативой широко используемым в настоящее время паровым циклам может быть использование газового цикла в холодильнике, реализующего цикл Стирлинга.Используемый в качестве рабочего тела гелий безопасен по токсичности и горючести (группа безопасности А1) и имеет ОРП (озоноразрушающий потенциал), равный нулю.

    Гораздо меньшее количество движущихся частей, чем в традиционных чиллерах, и более простая система автоматизации способствуют повышению надежности и долговечности этого типа устройств. Эффектом от их внедрения в серийное производство станет снижение энергозатрат, связанных с работой кондиционеров, бытовых холодильников и тепловых насосов, так как эти устройства характеризуются более высоким КПД (теоретический цикл Стирлинга имеет максимально возможную термодинамическую эффективность).

    Выводы

    Машины Stirling являются реальной альтернативой технологиям, используемым сегодня в качестве тепловых двигателей и охлаждающих устройств. В последние несколько десятилетий компании, проектирующие и строящие устройства, реализующие цикл Стирлинга, предпринимали попытки использовать его в двигателях автомобилей и самолетов, а также в газовых тепловых насосах, а также в качестве дополнительного источника энергии в других устройствах.

    Основным барьером развития данной технологии является наличие на рынке конкурентоспособных решений в виде отработанных классических технологий.За счет массового производства себестоимость классических устройств очень низкая, что затрудняет выход на рынок новых продуктов. Однако строгие требования к выбросам парниковых газов и фреона, а также рост цен на энергию привели к значительному увеличению интереса к машинам Стирлинга в последнее десятилетие, о чем свидетельствует коммерческое внедрение как двигателей, так и холодильников.

    В конструкциях приборов Стирлинга в последнее время можно наблюдать новые тенденции - снижение рабочего давления и оптимизация термодинамического процесса.Это особенно важно в случае двигателей, так как высокое рабочее давление и высокая температура источника тепла требуют использования дорогих и труднообрабатываемых материалов.

    Дополнительным параметром, значение которого можно изменить, является частота вращения (частота поршня), что вызывает высокие потери на трение и сокращает срок службы двигателя. Использование гелия или водорода в качестве рабочего тела требует особого внимания к используемым уплотнениям, чтобы исключить «утечку» газа.По этой причине некоторые компании стараются заменить вышеуказанные газы воздухом или азотом, что снижает эффективность машин.

    Важнейшими преимуществами двигателя Стирлинга являются экономия за счет более высокой эффективности оборудования и возможности использования самых разных видов топлива, а также бесшумная работа, низкое воздействие на окружающую среду и эксплуатационная надежность.

    Литература

    1. Мартини В.Р., Руководство по проектированию двигателя Стирлинга, University Press of the Pacific, Гонолулу, 2004 г.
    2. Орган А. Дж., Регенератор и двигатель Стирлинга, John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1997.
    3. Финкельштейн Т., Орган А.Дж., Air Engine, ASME Press, 2001.
    4. Томбареа Д.Г., Верма С.К., Технологические разработки двигателей с циклом Стирлинга, «Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии», 2008 г.
    5. Маески Дж., Оценка двигателя Стирлинга – отчет, EPRI 2002.
    6. Swift GW, Термоакустика: объединяющая перспектива для некоторых двигателей и холодильников, Лос-Аламосская национальная лаборатория, Акустическое общество Америки, 2002 г.
    7. Кириллов Н.Г., Энергетические установки на двигателях Стирлинга: новые технологии на основе альтернативных топлив, "Российские инженерные изыскания" Т. 28, № 1 2/2008.
    8. Нуоркиви А., Комбинированное производство тепла и электроэнергии (ТЭЦ). Централизованное теплоснабжение (ЦТ), Польское национальное агентство по энергосбережению S.A.
    9. Директива 2009/28/ЕС Европейского парламента и Совета от 23 апреля 2009 г. о содействии использованию энергии из возобновляемых источников, изменяющая и впоследствии отменяющая Директивы 2001/77/ЕС и 2003/30/ЕС (Журнал Законы № L 140 из 5.июнь 2009 г.).
    10. Директива 2004/8/ЕС Европейского парламента и Совета от 11 февраля 2004 г. о содействии когенерации на основе полезного спроса на тепло на внутреннем энергетическом рынке и вносящая изменения в Директиву 92/42/ЕЕС (Вестник законов № L 52 от 21 февраля 2004 г.)
    11. Регламент Европейского парламента и Совета № 2037/2000 от 29 июня 2000 г. о веществах, разрушающих озоновый слой (Вестник законов № L 244 от 29 сентября 2000 г.).
    12. Сунь Леань, Чжао Юаньян, Ли Ляньшэн, Шу Пэнчэн, Производительность прототипа бытового холодильника Стирлинга, «Прикладная теплотехника» №.29/2009.
    13. Тиджани М.Э.Х., Споэльстра С., Исследование коаксиального термоакустического охладителя Стирлинга, "Криогеника" № 48/2008.
    14. Юки Уэдаа, Тецуши Биваа, Тайчи Язакиб, Уитиро Мизутания, Конструкция термоакустического охладителя Стирлинга, "Physica B", 2003.
    15. Шаовей Чжу, Ёити Мацубара, Численный метод холодильника с импульсной трубкой с инерционной трубкой, «Криогеника» No. 44/2004.
    16. en.wikipedia.org.
    17. Свифт Г.В., Термоакустика: объединяющая перспектива для некоторых двигателей и холодильников, Лос-Аламосская национальная лаборатория, Акустическое общество Америки, 2002 г.
    18. Бидерманн Ф., Карлсен Х., Обернбергер И., Шох М., Малая ТЭЦ на базе герметичного восьмицилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 75 кВтэ для топлива из биомассы – разработка, технология и опыт эксплуатации, 2-я Всемирная конференция и выставка по биомассе для Энергетика, промышленность и защита климата, Рим, 2004 г.
    19. .
    20. Дайвер Р.Б., Андрака К.Е., Морено Дж.Б., Адкинс Д.Р., Мосс Т.А., Тенденции в проектировании солнечных приемников с тарельчатой ​​системой Стирлинга, Труды IECEC, Рино, 1990.
    21. Андрака К.E. et al., Испытания тепловых трубок на солнечных батареях тепловых двигателей Стирлинга 4-120 Engine Stirling, Paper No. 96306, Труды IECEC, Вашингтон, 1996 г.
    22. Бакхаус С., Свифт Г.В., Термоакустический тепловой двигатель Стирлинга, «Журнал Акустического общества Америки», июнь 2000 г.

    Хотите быть в курсе? Подпишитесь на наши новости!

    теги:
    солнечные батареи машины Стирлинга использование двигателя Стирлинга Двигатели Стирлинга на солнечных электростанциях использование двигателей Стирлинга в конденсационных котлах инновационные технологии двигатель Стирлинга конденсация
  • Рысь.1. Теоретический термодинамический цикл машины Стирлинга.
  • Рис. 2. Диаграмма p – v цикла двигателя Стирлинга в изотермическом и адиабатическом режимах
  • Рис. 3. Охладитель Стирлинга в альфа-системе
  • Рис. 4. Охладитель Стирлинга в бета-системе
  • Рис. 5. Холодильник Стирлинга в гамма-системе
  • Таблица 1. Сравнение выбросов двигателей внутреннего сгорания [г/кВтч] [7]
  • Таблица 2. КПД двигателей, работающих по разным термодинамическим циклам
  • Таблица 3.Основные технические данные различных двигателей Стирлинга
  • Фотогалерея

    Название перейти в галерею

    Брикоман Электромонтаж в доме. Как расположить кабели и розетки?

    Электромонтаж в доме. Как расположить кабели и розетки?

    Вы не видите электрические установки каждый день, поэтому легко недооценить, насколько сложна сеть проводов и кабелей в наших домах. Достаточно указать, что освещение и розетки в данной комнате...

    Вы не видите электрические установки каждый день, поэтому легко недооценить, насколько сложна сеть проводов и кабелей в наших домах. Достаточно заметить, что освещение и розетки в данном помещении — это две совершенно отдельные цепи. В свою очередь расположение розеток может дополнительно усложнить всю ситуацию. Подготовка проекта электроустановки, обеспечивающего комфорт и безопасность использования, – задача не из легких. Вот почему мы предлагаем, как это сделать!

    Проект ТТУ Грузовые лестницы - транспортные средства для профессионалов

    Грузовые лестницы - транспортные средства для профессионалов

    Подъемники электрические грузовые изготавливаются с учетом специфических условий работы в строительной, транспортной и монтажной отраслях - необходимость быстрого подъема по лестнице и перевозки крупногабаритных грузов...

    Подъемники электрические грузовые изготавливаются для специфических условий работы в строительной, транспортной и монтажной отраслях - необходимость быстрого подъема по лестнице, перевозки крупногабаритных грузов, погрузки в автомобиль или автоматического нивелирования. Они позволяют снизить нагрузку на сотрудников и повысить безопасность их труда.

    Алео.com У каждого из нас есть доступ к базе данных KRS? Какую информацию вы там будете проверять о подрядчике?

    У каждого из нас есть доступ к базе данных KRS? Какую информацию вы там будете проверять о подрядчике?

    Предприниматели часто утверждают, что, с их точки зрения, самые интересные данные можно найти в базе данных NIP.Это не совсем правда. Национальный судебный реестр – кладезь знаний ... 9000 4

    Предприниматели часто утверждают, что, с их точки зрения, самые интересные данные можно найти в базе данных NIP. Это не совсем правда. Национальный судебный реестр — это кладезь знаний почти во всех сферах деятельности компании. Какие данные вы можете там найти?

    Шариб Хасан Интеллектуальные парковочные системы — пространственный поток датчиков IoT

    Интеллектуальные парковочные системы — пространственный поток датчиков IoT Интеллектуальная система парковки

    включает в себя систему на основе IoT, которая передает данные о свободных (и занятых) парковочных местах через проводную или беспроводную систему через приложение...

    Интеллектуальная система парковки

    включает в себя систему на основе IoT, которая передает данные о свободных (и занятых) парковочных местах через проводную или беспроводную систему с использованием веб-приложения или мобильного приложения. Устройство IoT, включающее в себя контроллер и множество датчиков, может быть размещено в нескольких отдельных местах парковки. Пользователи получат живое обновление доступных парковочных мест и смогут выбрать удобное для них место.

    Касторама Бензиновая газонокосилка — все, что нужно о ней знать

    Бензиновая газонокосилка — все, что нужно о ней знать

    Красивый сад и безукоризненно подстриженная трава – мечта каждого владельца домашнего оазиса спокойствия. Чтобы иметь возможность наслаждаться таким видом, вам нужна подходящая бензиновая газонокосилка, способная ...

    Красивый сад и безукоризненно подстриженная трава – мечта каждого владельца домашнего оазиса спокойствия.Чтобы иметь возможность наслаждаться таким видом, вам нужна подходящая бензиновая газонокосилка, которая справится с любыми условиями и в то же время удобна и проста в использовании. Есть много факторов, которые следует учитывать при покупке такой машины. На его работу влияют, в том числе, тип двигателя, способ эксплуатации и дополнительные функции. Предложение на рынке чрезвычайно велико, поэтому ...

    merXu Платформа MerXu.com - как ею пользоваться?

    Платформа MerXu.ком - как им пользоваться?

    На недавно запущенной платформе www.merXu.com, где компании могут торговать промышленными и строительными товарами между собой, мы можем найти несколько сотен тысяч предложений, в том числе, материалы ...

    На недавно запущенной платформе www.merXu.com, где компании могут торговать промышленными и строительными товарами между собой, мы можем найти несколько сотен тысяч предложений, в том числе, строительные материалы, установки, изоляционные или электротехнические и осветительные изделия.Стоит взглянуть на эту торговую площадку, которая может дать многим польским компаниям шанс значительно расширить группу подрядчиков - не только в Польше, но и за рубежом. Какие функции полезны при вождении... 9000 4

    merXu Запущен MerXu - инновационная платформа электронной коммерции, предназначенная для торговли B2B в регионе Центральной и Восточной Европы.

    Запущен MerXu - инновационная платформа электронной коммерции, предназначенная для торговли B2B в регионе Центральной и Восточной Европы.

    Запущена горизонтальная платформа электронной коммерции MerXu для компаний B2B из Центральной и Восточной Европы.Инновационный маркетплейс отличается рядом функций, строго адаптированных к потребностям ...

    Запущена горизонтальная платформа электронной коммерции MerXu для компаний B2B из Центральной и Восточной Европы. Инновационную торговую площадку отличает ряд функциональных возможностей, строго адаптированных к потребностям предпринимателей и условиям рынка B2B, в сочетании с удобством использования на самом высоком уровне. Предприятия из Польши, Чехии, Словакии, Литвы и Эстонии могут торговать непотребительскими товарами на MerX.За проектом стоит опытная команда специалистов по электронной коммерции из региона ...

    .

    Моделирование и применение двигателя Стирлинга с возобновляемыми источниками для производства электроэнергии

    Дурчанский, Петр и Носек, Радован (2018) Моделирование и применение двигателя Стирлинга с возобновляемыми источниками в производстве электроэнергии. Структура и окружающая среда, 10 (4). стр. 386-389. ISSN 2081-1500

    Резюме

    Стремительное развитие человечества и отсталые технологии приводят к увеличению потребности в энергии. В последние несколько десятилетий были опубликованы исследования о том, что рост потребления энергии оказывает негативное влияние на окружающую среду, что приводит к растущей тенденции использования возобновляемых источников энергии. В настоящее время в мире существует ряд систем, использующих энергию воды, ветра, солнца и тепла земли, исследуются различные решения для увеличения производства энергии.Одним из способов является использование возобновляемых источников энергии в когенерационных установках – комбинированное производство электроэнергии и тепла в одном устройстве с высоким общим КПД. В статье рассматривается принцип действия теплового двигателя, его основные расчеты и использование при комбинированном производстве тепла и электроэнергии из биомассы. (Стремительное развитие человечества и технологий приводит к увеличению потребности в энергии. За последние несколько десятилетий были опубликованы исследования, показывающие, что увеличение потребления энергии оказывает негативное влияние на окружающую среду, что приводит к повышению интереса к возобновляемым источникам энергии. .В настоящее время многие системы используют энергию воды, ветра, солнца и земли, а различные решения, повышающие выработку энергии, являются предметом исследований в мире. Одним из методов использования возобновляемых источников энергии являются когенерационные системы – комбинированное производство тепла и электроэнергии в одном устройстве с повышенным суммарным КПД. В статье представлен принцип работы теплового двигателя, основные принципы расчетов и использования биомассы при комбинированном производстве тепла и электроэнергии.)

    Электронная библиотека

    Предварительный просмотр
    .Тепловой двигатель Стирлинга

    . Принцип работы двигателя внешнего сгорания. Современные установки Стирлинга.

    Доктор технических наук В. Нискавский (Екатеринбург).

    Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены вынуждают инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Русский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом тепла, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами.Создатель конструкции двигателя Виталий Максимович Нисковский – конструктор, широко известный металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области метизов при литье стали, один из основоположников отечественной школы криволинейного проектирования машин непрерывного литья под давлением (МНС). В настоящее время 36 таких машин под руководством В. М. Нисковского на Уралмаше эксплуатируются на металлургических комбайнах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.

    В 1816 году Скоттц Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним тепловым двигателем. Изобретение в то время не получило широкого распространения - конструкция была слишком сложной по сравнению с паровой машиной и позже появились двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

    Однако сегодня вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянная информация о новых событиях и попытках их установления. Массовое производство. Например, в голландской компании «Филипс» построено несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей.Двигатели внешнего сгорания ставят на корабли, в малые электростанции и ПД, а в будущем намерены оборудовать космические станции (также следует рассчитывать на запуск электрогенераторов, ведь двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

    Двигатели Стирлинга Высокий КПД Могут работать с любым источником тепла, малошумные, не расходуются рабочим телом, как обычно используется водород или гелий. Двигатель Стирлинга может успешно применяться на атомных подводных лодках.

    В цилиндрах работающего двигателя внутреннего сгорания наряду с воздухом обязательно регистрируются частицы пыли, вызывающие износ притирочных поверхностей. В двигателях с внешним подводом тепла он исключен, так как они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены гораздо реже, чем в передних.

    Двигатель Стирлинга при использовании в качестве внешнего приводного механизма превращается в охлаждающую установку. В 1944 году в Нидерландах был разблокирован образец такого двигателя с электродвигателем, и вскоре температура ГБЦ снизилась до -190°С.Такие устройства успешно применяются для сжижения газов.

    Однако сложность кривошипной системы и рычагов поршневых двигателей Стирлинга ограничивает их использование.

    Проблема решается заменой поршней на роторы. Основная идея изобретения заключается в том, что на комплектный вал с эксцентриковыми роторами и пружинными разделительными пластинами устанавливаются два рабочих цилиндра разной длины. Полость нагнетания (условного сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через пазы в разделительных пластинах, трубопроводе, теплообменнике-регенераторе и нагревателе, а полость расширения малого цилиндра - с полость нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

    Двигатель работает следующим образом. Высокое давление из малого баллона в ответвление в любое время.Выходит немного газа. Заполняют нагнетательную полость большого баллона и при этом поддерживают давление, газ нагревается в регенерате и подогревателе; Его объем увеличивается, а давление остается постоянным. То же самое, но «с обратным знаком» происходит в ветвях низкого давления.

    Из-за разницы поверхностей ротора результирующая сила составляет FA. = ∆ р. ( S б. - S м. ), где δ п. - перепад давления в патрубках высокого и низкого давления; S б. - большая рабочая зона ротора; S м. - Малая рабочая зона ротора. Эта сила вращает вал с рабочими колесами, и рабочая жидкость постоянно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разнице объемов двух цилиндров.

    Смотрите в комнате на эту же тему.

    В прошлом году журнал в своем первом выпуске приветствовал читателей A.Эйнштейн. С мебелью 85 лет.

    Несколько редакционных коллективов до сих пор публикуют 90 039 Ir 90 040 читателей, среди которых вы имеете честь быть. Хотя с каждым годом это становится все труднее. Надолго, в начале нового века, редакторам пришлось покинуть родную резиденцию на Мясной улице. (На самом деле это место для банков, а не для каких-то изобретателей.) Однако нам помог Ю. Маслюков. (на тот момент председатель Комитета Государственной Думы РФ по промышленности) пересесть на Нииаа у станции метро "Калужская".Несмотря на строгое соблюдение условий договора и своевременную оплату аренды и воодушевляющее объявление курса на новаторство со стороны председателя и правительства РФ, новый директор в Нииаа проинформировал нас о выселении редакции «в связи к необходимости производства». Это при снижении количества мероприятий в Нииаа, почти в 8 раз, и соответствующем высвобождении площадей, и это несмотря на то, что занимаемые редакцией редакции не составляют и одной сотой доли присущих ей площадей.

    Нас защищала Мирей, где мы были последние пять лет.Дважды шевельнется, затмится, говорит пословица. Но редакторы держатся и получат столько, сколько смогут. И сможет существовать до тех пор, пока журнал "Изобретатель и рационализатор" Читать и писать в ответ.

    Стремясь охватить больше заинтересованных людей, мы обновили сайт журнала, сделав его, на наш взгляд, более информативным. Мы участвуем в оцифровке последних лет, начиная с 1929 Года - основа склада.Делаем электронную версию. Но главное - это печатная копия Ir .

    К сожалению, число абонентов, единственная финансовая основа существования которых составляет Ir , а количество организаций и лиц уменьшается. И мои многочисленные письма о поддержке журналом государственных деятелей разного ранга (оба президента РФ, премьер-министры, оба мэра Москвы, оба губернатора Московской области, губернатор родной Кубани, руководители крупнейших российских компаний ) результатов не дал.

    В связи с этим редакция обращается к вам, нашим читателям: Конечно, поддержите журнал, конечно, по возможности. Расписка, за которую можно выкупить деньги на уставную деятельность, то вы имеете в виду журнальную публикацию, размещенную ниже.

    Вытеснены другие виды силовых установокОднако работа по отказу от использования этих агрегатов предполагает прямую смену руководства.

    С самого начала технического прогресса, с применением двигателей внутреннего сгорания, было не только очевидно их превосходство.Паровая машина, как конкурент, имеет множество преимуществ: наряду с тяговыми параметрами бесшумна, всеядна, легко управляется и настраивается. Но легкость, надежность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять паром.

    Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, эффективности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счет возобновляемых источников топлива. В 16 веке 19 века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла.Инженеры считают, что этот агрегат способен превратить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает в себе экономичность, надежность, работает тихо, на любом топливе, делает продукт игроком автомобильного рынка.

    Роберт Стирлинг (1790-1878 лет):

    История двигателя Стирлинга.

    Изначально установка разрабатывалась для замены парового автомобиля. Котлы паровых механизмов взорвались, превысив допустимые нормы давления.С этой точки зрения STirling гораздо безопаснее, он работает за счет разницы температур.

    Принцип работы двигателя Стирлинга при альтернативной подаче или отборе тепла в работающем веществе. Само вещество содержится в объеме закрытого типа. Роль рабочего тела выполняют газы или жидкости. Есть вещества, которые выполняют роль двух компонентов, превращая газ в жидкость и наоборот. Жидкостный двигатель Стирлинга имеет: малые габариты, сильный, создает большое давление.

    Уменьшение и увеличение объема газа при охлаждении или нагревании соответственно подтверждается законом термодинамики, согласно которому все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого веществом пространства, действующая сила на единицу относится и описывается формулой:

    Р*в = н*р*т
    • P - мощность газа на единицу площади двигателя;
    • В - количественное значение газа, занимаемого в машинном отделении;
    • н - молярное количество газа в двигателе;
    • Р - твердый газ;
    • Т - степень нагрева газа в двигателе до,

    Модель двигателя STirling:


    По неприхотливости установки двигатели делятся: твердотопливные, жидкотопливные, солнечные энергетические, химические реакции и другие виды нагрева.

    Цикл

    В двигателе внешнего сгорания Стирлинга

    используется тот же набор явлений. Влияние возникновения в механизме велико. По этой причине можно построить двигатель с хорошими характеристиками при нормальных размерах.

    Необходимо учитывать, что при конструкции механизма, нагревателя, холодильника и регенеративного устройства отвод тепла от вещества и возврат тепла в нужный момент.

    Идеальный цикл Стирлинга (диаграмма «температура-объем»):

    Идеальные круговые явления:

    • 1-2 Изменение линейных размеров веществ при постоянной температуре;
    • 2-3 ​​Отвод тепла от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
    • 3-4 принудительное вырезание пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло подается на охладитель;
    • 4-1 принудительное повышение температуры вещества, постоянно занимаемого пространством, за счет тепла, подводимого от теплообменника.

    Идеальный цикл Стирлинга (диаграмма «давление-объем»):

    90 133

    Из расчета (моль) вещества:

    Любимый заезд:

    Радиатор охлаждения теплый:

    Теплообменник отдает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдает тепло (процесс 4-1):

    Р – универсальный твердый газ;

    CV - идеальная способность Газы. Согрейтесь необычными размерами занимаемого пространства.

    За счет использования регенерации часть тепла остается в виде энергии механизма, не отличающегося по отношению к течению круговых явлений. Таким образом, в холодильнике становится меньше тепла, теплообменник экономит теплообменник. Это повышает эффективность установки.

    Проспект явлений КПД:

    ɳ =

    Стоит отметить, что без теплообменника комплекс процессов Стирлинга осуществим, но его эффективность будет значительно ниже. Перемещение всех процессов назад приводит к описанию механизма охлаждения.При этом наличие регенерата является обязательным условием, так как при прохождении (3-2-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Также нельзя отдавать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

    Принцип работы двигателя

    Чтобы понять, как работает двигатель Стирлинга, давайте разберемся в устройстве и частоте агрегатных явлений. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия, в силу воздействия на тело.Весь процесс происходит за счет разницы температур рабочего тела, находящегося в замкнутом контуре.


    Принцип действия механизма основан на расширении под действием тепла. Скорректировано напрямую, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед охлаждением вещество охлаждается. Цилиндр (1) окружен водяной рубашкой (3), она отдает тепло днищу. Поршень, образующий задание (4), размещен во втулке и уплотнен кольцами.Между поршнем и днищем расположен поршневой механизм (2), имеющий значительные зазоры и плавно перемещающийся. Вещество в замкнутом контуре движется по объему аппарата за счет грузила. Движение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Сливное движение обеспечивается штоком (5), проходящим через поршень и функционирующим за счет эксцентрикового отставания на 90° по сравнению с поршневым приводом.

    Поршень находится в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

    Перевертыш занимает верхнее положение, двигаясь, пропускает материал через торцевые щели вниз, охлаждается. Поршень неподвижен.

    Вещество нагревается, увеличивается в объеме под действием тепла и поднимает выступ поршня вверх. Выполняется работа, после которой сопротивление падает вниз, прижимая вещество и охлаждая.

    Поршень опущен, сжимает хладагент, полезная работа выполнена. Маховик предназначен для конструкции энергетической батареи.

    Модель

    рассматривалась без регенерации, поэтому КПД механизма не большой. Теплота вещества после работы передается теплоносителю через стенки. Температура не успевает упасть до нужного значения, поэтому время охлаждения удлиняется, скорость двигателя низкая.

    Типы двигателей.

    Конструктивно существует несколько вариантов по принципу Стирлинга, рассмотрены основные виды:


    В конструкции используются два разных поршня с разными контурами.Первый контур на обогрев, второй контур на охлаждение. Соответственно каждому поршню принадлежит регенерация (горячая и холодная). Устройство имеет хорошее соотношение мощности к объему. Недостатком является то, что температура горячей регенерации создает структурные трудности.


    В конструкции используется один замкнутый контур с разной температурой на концах (холодный, горячий). Полость представляет собой поршень с резистором. Шифтер делит пространство на холодную и горячую зоны.Обмен холодом и теплом происходит за счет прокачки вещества через теплообменник. Конструктивно теплообменник выполнен в двух вариантах: внешний, совмещенный с оборудованием.


    Поршневой механизм предусматривает использование двух замкнутых контуров: холодного и с сопротивлением. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с резистором с одной стороны горячий, с другой холодный. Теплообменник расположен как внутри, так и снаружи проекта.

    Некоторые силовые установки не похожи на основные типы двигателей:

    • Роторный двигатель Стирлинга.


    Конструктивное изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Выстраивается синергетический подход к реализации цикла. Корпус имеет радиальные прорези. В углубление вставлены лопасти с определенным профилем. Пластины сидят на роторе и могут перемещаться вдоль оси при вращении механизма.Все элементы создают изменяющиеся объемы с совершаемыми в них явлениями. Объемы различных роторов связаны с каналами. Расположение каналов смещено на 90° друг к другу. Смещение роторов друг относительно друга составляет 180°.

    • Термоакустический двигатель Стирлинга.


    Двигатель использует акустический резонанс для процессов. Принцип основан на переносе веществ между горячими и холодными полостями. Схема снижает количество движущихся частей, сложность снятия результирующей мощности и поддержания резонанса.Проект относится к бесплатному движку.

    Двигатель Стирлинга своими руками

    Сегодня нередко в интернет-магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологически механизмы достаточно просты, при желании двигатель Стирлинга несложно построить своими руками из средств защиты. В Интернете можно найти большое количество материала: видео, чертежи, расчеты и другую информацию по этой теме.

    Низкопрочный двигатель Стирлинга:


    • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, чтобы сделать банку из банок, мягкий пенополиуретан, пластину, шурупы и канцелярские зажимы.Все эти материалы легко найти дома, остаются следующие активности:
    • Берем мягкий пенополиуретан, вырезаем два миллиметра с меньшим внутренним диаметром сантехнической банки. рулевое колесо. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Дулон играет роль Инженера в двигателе;
    • Берем крышку банка, в центре есть отверстие, диаметром два миллиметра. Вдавить в полый стержень, который будет выполнять роль направляющей стержня двигателя;
    • Возьмите круг, вырезанный из пенопласта, вставьте внутрь круга болт и прыгайте в обе стороны.Для стиральной машины припаиваем предварительно выпрямленную клипсу;
    • В двух сантиметрах от центра просверлить отверстия, диаметром три миллиметра, вывернуть резьбу через центральное отверстие оболочки, припаять крышку к банке;
    • Сделать из жести небольшую формочку, диаметром сантиметра полтора-полтора года, припаять ее к крышке банки таким образом, чтобы боковое отверстие крышки оказалось четко по центру внутри цилиндра двигателя;
    • Марка Коленчатый вал двигателя со скрепками. Расчет производится таким образом, чтобы отклонение колена составляло 90°;
    • Сделать сваю под коленвал двигателя.Сделать гибкую мембрану из полиэтиленовой пленки, одеть пленку на цилиндр, продать, запереть;


    90 250

    • Самостоятельно выполнить подключение двигателя, один конец выпрямленного изделия будет в виде чашки, другой конец одеть в кусочек резины. Длина регулируется таким образом, чтобы в крайней нижней точке вытягивался вал Мукера, в крайней верхней точке максимально вытягивалась диафрагма. Установите второй шатун по такому же принципу;
    • Ручной пешеходный резиновый аттракцион.Шалун без резинового наконечника, прикрепленного к стеблю;
    • Установите кривошип маховика двигателя с диска. В банке сделайте ножки, чтобы держать изделие в руках. Высота ножек позволяет поставить под банку свечу.

    После того, как вам удалось сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях, двигатель работает. Для этого под банку кладут зажженную свечу и, прогрев банку, дают тягу маховику.


    Рассматриваемый вариант установки можно быстро собрать дома как визуальное дополнение.Если цель и желание максимально приблизить двигатель стирлинга к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла создаст рабочий макет ничуть не хуже коммерческих версий.

    Преимущества

    Для двигателя Стирлинга характерны такие достоинства:

    • Для запуска двигателя нужна разница температур, которая вызывает нагрев топлива, не важна;
    • Нет необходимости в навесном и вспомогательном оборудовании, конструкция двигателя проста и надежна;
    • Ресурс двигателя, обусловленный конструктивными особенностями, составляет 100 000 часов работы;
    • Работа двигателя не создает посторонних лошадей, так как отсутствует детонация;
    • Процесс работы двигателя не сопровождается выбросами отработанных веществ;
    • Минимальная вибрация при обращении с двигателем;
    • Процессы в установочных баллонах экологически безопасны.Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

    неудобство

    К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

    • Сложно наладить серийное производство, т.к. конструктивно двигатель требует применения большого количества материалов;
    • Большой вес и большие габариты двигателя, так как для эффективного охлаждения требуется большой радиатор;
    • Для повышения КПД двигатель форсируют, используя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает работу агрегата небезопасной;
    • Высокая термостойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняют процесс изготовления двигателя.Значительные тепловые потери в теплообменнике снижают КПД устройства, а использование некоторых материалов делает двигатель дорогим;
    • Для регулировки и перевода двигателя с режима на режим необходимо применять специальные устройства управления.

    С

    Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно используется там, где важны габариты и всеядность:

    • Двигатель электрогенератор.

    Механизм преобразования тепла в электричество.Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установок для использования солнечной энергии.

    • Мотор, как у насоса (электрика).

    Электродвигатель применяется для установки в контуре систем отопления, экономии электроэнергии.

    • Электродвигатель в качестве насоса (нагревателя).

    В странах с теплым климатом двигатель используется в качестве обогревателя.

    Двигатель Стирлинга на подводной лодке:


    90 330

    • Двигатель как помпа (охладитель).

    Практически все холодильники в своих конструкциях используют тепловые насосы, за счет установки двигателя STirling экономятся ресурсы.

    • Двигатель в качестве насоса, обеспечивающий сверхнизкий уровень нагрева.

    Прибор используется в качестве холодильника. Для этого процесс идет в обратном направлении. Агрегат сжиженного газа, охлаждаемые измерительные элементы в точных механизмах.

    • Двигатель для подводной техники.

    Летние корабли из Швеции и Японии с двигателем.

    Двигатель Стирлинга как солнечная установка:


    • Двигатель как энергетическая батарея.

    Топливо в таких агрегатах, соль плавится, двигатель используется как источник энергии. Двигатель по запасу мощности опережает химические элементы.

    Преобразование солнечной энергии в электричество. Веществом в данном случае является водород или гелий. Двигатель расположен в центре максимальной концентрации солнечной энергии, создаваемой с помощью параболической антенны.

    Около ста лет назад двигатели внутреннего сгорания должны были завоевать свое место в современном автомобилестроении в жесткой конкурентной борьбе. Тогда их превосходство не казалось таким очевидным, как сегодня. Действительно, паровой двигатель - главный соперник бензинового двигателя - Обладал по сравнению с ним огромными преимуществами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и удивительной "всеядностью", позволяющей работать на любом виде топливной древесины для бензина. .Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили смириться с их недостатками как неизбежностью.
    В 1950-х годах, с появлением газовых турбин и роторных двигателей, штурм монопольного положения двигателей внутреннего сгорания в автомобильной промышленности, атака, которая еще не увенчалась успехом. В эти же годы были предприняты попытки довести до стадии строительства новый двигатель, в котором умалчивается экономичность и надежность бензинового двигателя, а поразительно сочетается «всемогущая» паровая установка.Это знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

    Физика процессов

    Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на расширении нагретого газа, при этом совершается большая механическая работа, чем требуется прижатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Вначале бутылку опускают в охлажденную воду, а когда воздух в ней остынет, горлышко присоединяют к пробке, и быстро вводят в горячую воду.Через несколько секунд хлопок раскрывается, и газ, нагретый в бутылке, толкает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно вернуть в охлажденную воду - цикл повторится.
    В цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга этот процесс воспроизводился почти в точности, пока изобретатель не понял, что часть тепла отбирается у газа при охлаждении, его можно использовать для частичного нагрева. Нам просто нужен какой-то контейнер, в котором можно было бы хранить тепло, отбираемое у газа при охлаждении, и рециркулировать его при нагревании.
    Но К сожалению, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. В 1885 г. достигнутые здесь результаты были весьма средними: 5-7 процентов КП, 2 литра з.силы, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемой площади.
    Двигатели внешнего сгорания не спас даже успех другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предлагал нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении.8 1887 Несколько тысяч небольших двигателей Эриксона отлично работали в типографиях, домах, шахтах и ​​на кораблях. Они наполняли водоемы, создавали эффект лифтов. Эриксон даже пытался приспособить их к фургонам, но они оказались слишком тяжелыми. В России до революции выпускалось большое количество таких двигателей под названием «тепло и сила».

    Современное автомобилестроение достигло такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации конструкции двигателей внутреннего сгорания.Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, например двигатель Стирлинга.

    Некоторые самодвижущиеся силы сосредоточили свои силы на разработке и подготовке к выпуску электрических серий и гибридных автомобилей Другие инженерные центры тратят ресурсы на проектирование моторов на альтернативной куче из возобновляемых источников. Есть еще одна разработка двигателя, которая в будущем может стать новым двигателем для различных видов транспорта.

    Возможный источник механической энергии автомобильного транспорта Будущее за двигателем внешнего сгорания, изобретенным в 19 веке учеными Стерлинга, изобретенными в 19 веке.

    Устройство и принцип работы

    Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, полученную внешним источником, в механическое движение за счет изменения температуры циркулирующей жидкости в замкнутом объеме.

    Изначально, после изобретения, такой двигатель существовал в виде машины, работающей на принципе теплового расширения.

    В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Сверху цилиндра 1 расположена водяная рубашка 3, нижняя часть цилиндра постоянно нагревается огнём. Цилиндр представляет собой рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, перемещающийся в цилиндре со значительным зазором.

    Воздух, содержащийся в цилиндре, нагнетается выхлопом 2 в нижнюю часть поршня или цилиндра.Переключатель перемещается под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток, в свою очередь, приводится в движение эксцентриковым устройством, отстающим на 90 градусов от возвратно-поступательного привода.

    В положении "А" поршень находится в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытесняющим поршнем, охлаждается стенками цилиндра.

    В следующем положении "В" буек перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, который находится между ними, прижимается к днищу цилиндра, охлаждающей жидкости.

    Пункт "Б" является сотрудником. В нем воздух нагревается внизу цилиндра, расширяется и поднимает два поршня в верхнюю мертвую точку. После совершения рабочего хода вытеснитель стекает по днищу цилиндра, проталкивая воздух под поршень и охлаждая его.

    В положении "G" охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается из верхней точки в нижнюю. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше работы расширения нагретого воздуха, то создается полезная работа.Маховик одновременно служит своеобразной энергетической батареей.

    В рассматриваемом варианте двигатель Стирлинга имеет небольшой КПД, т.к. тепло воздуха после рабочего такта необходимо отводить через стенки цилиндра для охлаждающей жидкости. Воздух за одно движение не успевает снизить температуру до необходимого значения, поэтому пришлось продлить время охлаждения. По этой причине обороты двигателя были низкими. Термическая эффективность также была незначительной. Тепло отработанного воздуха переходило в охлаждающую воду и терялось.

    Различные исполнения

    Возможны различные варианты Оборудование силовых агрегатов, работающих по принципу Стирлинга.

    Исполнение "Альфа"

    Этот двигатель содержит два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень находится в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий прогревается.

    Конструкция "бета" версии

    Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны и нагревается с противоположной.Цилиндр перемещает силовой и рабочий поршень для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор осуществляет обратное движение охлажденного газа в нагретое машинное пространство.

    Конструкция "Гамма"

    Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр холодный. Он перемещает рабочий поршень, другой цилиндр нагревается с одной стороны и холоден с другой и предназначен для перемещения деформирующего поршня.Регенератор откачки охлажденного газа может быть общим для двух цилиндров или может быть включен в устройство объемного вытеснения.

    Преимущества
    • Как и ряд двигателей внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга может работать на разных видах топлива, поскольку для него важна разница температур. При этом совершенно неважно, каким топливом оно называется.
    • Двигатель имеет простое устройство и не нуждается во вспомогательных системах и навесном оборудовании (КПП, стартерный ремень, стартер и т.п.).
    • Конструктивные особенности обеспечивают длительный срок службы: более 100 000 часов непрерывной работы.
    • Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива и не происходит выброс выхлопных газов.
    • Конструкция "бета", оснащенная ромбовидным шатунным устройством, является наиболее сбалансированным механизмом, не создающим вибрации при работе.

    • В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду.При выборе оптимального источника тепла двигатель Стирлинга может быть экологически безопасным устройством.
    неудобство
    • При серьезных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга по ряду причин нереально. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Для охлаждения рабочей жидкости требуется большой нагреватель, что значительно увеличивает габариты и массу оборудования.
    • Современный уровень технологий позволяет двигателю Стирлинга конкурировать в зависимости от характеристик с новыми бензиновыми двигателями.За счет применения сложных типов рабочее тело (водород или гелий) находится под очень высоким давлением. Это значительно снижает риск использования таких двигателей.
    • Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температуростойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло отводится в рабочую зону с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из жаропрочных сплавов, которые также должны быть устойчивы к давлению.Материалы, соответствующие этим условиям, очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
    • Правила перехода двигателя СТИРЛИНГ на другие режимы работы также существенно отличаются от обычных правил. Для этого создают специальные устройства управления. Например, для изменения мощности нужно изменить фазовый угол между силовым поршнем и баклером, давление в цилиндрах или изменить вместимость рабочего объема.
    Двигатель Стирлинга и его применение

    Если вы хотите создать компактный преобразователь тепла, вы можете легко использовать двигатель Стирлинга.При этом эффективность других подобных двигателей значительно ниже.

    • Универсальные источники Электричество. Двигатели Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют конструкции солнечных электроустановок с такими двигателями. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители делают генераторы, работающие от газовой горелки. Существуют также конструкции генераторов, работающих на радиоизотопах от источников тепла.
    • Лаки .Если насос установить на выходе из системы отопления, эффективность обогрева значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливаются насосы. Электрический насос может выйти из строя, он потребляет электроэнергию. Насос Стирлинга решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкости будет проще по обычной схеме, т.к. вместо поршня может использоваться сама перекачиваемая жидкость, которая также используется для охлаждения.
    • Холодильное оборудование .В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свою продукцию мотор Стирлинга, что будет очень экономично. Рабочий грипп будет воздушным.
    • Ультранизкие температуры. Для газов такие двигатели очень эффективны. Их использование более выгодно, чем турбинные устройства. Кроме того, двигатель Стирлинга используется в оборудовании для охлаждения датчиков точной аппаратуры.

    • . Электричество можно получить путем преобразования энергии Солнца. Для этого могут быть использованы двигатели Стирлинга, которые устанавливаются в центре зеркала, так что место нагрева постоянно освещается солнечными лучами. Прожектор управляется по мере движения солнца, энергия которого сосредоточена на небольшой площади. При этом отражение излучения зеркалами составляет около 92 %. Рабочим телом двигателя чаще всего является гелий или водород.
    • Нагрейте батареи. При использовании прибора STirling можно резервировать тепловую энергию с помощью теплоаккумуляторов на солевой основе.Такие устройства имеют энергоснабжение, лучший химический состав и меньшую стоимость. Используя мощность для регулирования мощности, подъем и спад фазового угла между двумя поршнями может накапливать механическую энергию за счет торможения двигателя. В этом случае двигатель служит тепловым насосом.
    • Автомобильная промышленность. Есть существующие модели, несмотря на трудности. Двигатель Стирлинга для автомобилей. Интерес к такому двигателю, подходящему для автомобиля, сохранялся и в прошлом веке.Развитие в этом направлении было вызвано английскими и немецкими автоматическими страхами. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга с использованием единых серийных узлов и узлов. В результате получился 4-цилиндровый двигатель, параметры которого сравнимы с параметрами небольшого дизеля. Этот двигатель успешно прошел испытания в качестве многопутного электрогенератора.

    В настоящее время исследования по укладке установок для подводных, космических и других установок, а также по проектированию главных двигателей ведутся во многих зарубежных странах.Столь высокий интерес к двигателям Стирлинга стал результатом общественного интереса к борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранению природных источников энергии.

    .

    Смотрите также

    
    Оцените статьюПлохая статьяСредненькая статьяНормальная статьяНеплохая статьяОтличная статья (проголосовало 13 средний балл: 5,00 из 5)