3. Низкотемпературные двигатели
На сегодняшний день не существует четкой границы между высоко — и низкотемпературными двигателями. Если рассматривать проблемы компоновки и оптимизации параметров внутреннего контура и не принимать во внимание вопросы, связанные с системами охлаждения, регулирования, а также с камерой сгорания или каким-либо другим источником теплоты, то к низкотемпературным следует отнести машины Стирлинга с отношением температуры охладителя и нагревателя более, чем 0,6…0,7. Соответственно, для таких двигателей температура нагревателя будет не более 550 К, а температура охладителя для рефрижераторных машин составляет не менее 230 К.
Среди опубликованных работ нет исследований, которые содержали бы результаты экономического обоснования целесообразности применения таких двигателей. Очевидно, что им будут присущи большие массогабаритные показатели и относительно невысокая эффективность. По этим причинам величина построечной стоимости и расходы на эксплуатацию являются определяющими при решении вопроса о целесообразности применения низкотемпературных двигателей.
Этими обстоятельствами объясняется то, что большинство таких двигателей выполняются с использованием самых дешевых технологий и в значительной части конструкций предполагается, что их изготовление вполне доступно рядовому механику из распространенных дешевых материалов. Именно так, большей частью в ВУЗ’ах, выполнены демонстрационные двигатели с жидкостными поршнями (Университет Калгари, Военно-морской инженерный колледж Плимута) [8, с.1950], двигатели с перекладкой вытеснителя (I. Kolin, Университет Загреба) [1], микродвигатели, способные работать при температурных перепадах в 10…20 К (W. Lutzer, J. R. Senft) [4]. К их числу можно отнести и претендующие на утилитарность Стирлинг-насосы разработки W. Kufner [2] и Delta T Photon [3]. По результатам испытаний в Мюнхенском университете, используя солнечное излучение, агрегаты Delta T Photon массой 400…500 кг при частоте вращения 60…120 мин-1 приводят насос мощностью до 200 Вт. Их специфической особенностью является сопутствующий подогрев перекачиваемой воды, причем тепловая мощность подогревателя составляет 4…6 кВт [14, с.113].
Наиболее интересная работа в этом направлении выполнена в Университете Сайтама (Япония) (рис. 2) [10, с.29]. Выполненный здесь опытный двигатель LDSE характеризуется несколькими принципиальными особенностями. Кинематический механизм на подшипниках качения по γ-схеме, но с соосным расположением цилиндров. Фактически это двигатель по β-схеме, но с дополнительным мертвым объемом в холодной полости. Для привода рабочего поршня применен ползунный механизм (подобный механизму двигателя KS15D), исключающий возникновение боковой силы. Кольцевые теплообменные аппараты располагаются в области перемещения вытеснителя. Нагреватель и охладитель кожухотрубного типа с оребренными трубками, причем рабочее тело циркулирует в межтрубном пространстве, а по трубкам прокачиваются холодный и горячий теплоносители.
Низкотемпературный стирлинг
Рис. 2. Одноцилиндровый низкотемпературный двигатель Стирлинга LDSE
1- вытеснитель, 2 — полость сжатия, 3 — маховик, 4 — буферная полость, 5 — ползунный механизм рабочего поршня, 6 — КШМ вытеснителя и коленчатый вал, 7 — рабочий поршень, 8 — охладитель, 9 — регенератор, 10 — нагреватель, 11 — полость расширения.
Мощность 146 Вт при атмосферном давлении в картере и частоте вращения 143 мин-1, рабочее тело — воздух, картер герметичный, максимальное давление в картере 0,3 МПа. Размеры цилиндров: рабочий — 40/20, вытеснитель — 80/8. Угол заклинки кривошипов 90˚.
Источник теплоты в экспериментах — этиленгликоль, его расход 20 л/мин, температура — 403 К. Температура охлаждающей воды — 313 К.
На рабочем поршне и штоках вытеснителя применены уплотнения одностороннего действия, обеспечивающие среднее давление цикла выше давления в картере-буфере. Этот двигатель нельзя в полной мере отнести к простым и дешевым, однако на его примере экспериментально доказано, что при температуре источника теплоты 403 К вполне возможно рассчитывать на получение механической работы с эффективным КПД около 5 %, что соответствует 22,4 % от величины КПД цикла Карно (при температуре охлаждающей воды 313 К).
Литература.
1. Kolin I. Stirling Motor. History-theory-Practice, Dubrovnic, 1991.
2. Kufner W. Stirlingmaschinen einfacher Bauart. 1992.
3. Low-Temperature Diffrence Solar Stirling Engines. Delta T Photon. Energietechnik F&E (Проспект).
4. Lutzer W. Hand Warme Stirling. — Hamburg. (Проспект)
5. Ocean Eng. and Environ. Conf., vol.1, San Diego, 1985.
6. Proc. 18th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Orlando, Fi., 1983.
7. Proceedings of 26th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Boston, 1991.
8. Proceedings of 29th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Monterey, CA, 1994.
9. Proceedings of 6th International Stirling Engine Conf., Eindhoven, Netherlands, 1993.
10. Proceedings of 8th International Stirling Engine Conference and Exhibition. — University of Ancona, Italy, 1997.
11. Steimle F. Stiling-Maschinen-Technik: Grundlagen, Konzepte und Chancen. — Heidelberg, Muller, 1996.
12. Stine W. B., Diver R. B. A Compendium of Solar Dish/Stirling Technology /SAND93-7026 UC-236 Unlimited Release, Sandia National Laboratories, USA, Alburquerque, 1994.
13. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1994, Osnabruck 22-24 Marz 1994.
14. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1996, Osnabruck 26-28 Februar 1996.
15. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1998, Osnabruck 24-26 Februar 1998.
Статья опубликована в журнале «Двигателестроение», 2002, № 3, с. 15-18.
Проблемы двигателей Стирлинг
ctirling.ru
Этот двигатель за годы своего существования был всегда популярен. Это связно с тем, что он очень функционален, удобен в использовании и экономичен. Принцип устройства машины знаком, пожалуй, даже ребенку – это система двигателя внутреннего сгорания, который работает на основе разницы температур, возникающей в пределах механизма. Рабочая среда нагревается, а затем остывает, и это изменение порождает выделение энергии.
Сегодня двигатели Стирлинга работают в экономически отсталых регионах, индустриальных центрах, в пучине вод и на околоземной орбите. Устройство их таково, что позволяет работать в самых экстремальных условиях. И единственная проблема, которая до сих пор не решена, – это вопрос механического разрушения работающего агрегата.
Разница температур, возникающая внутри отсеков, достигается благодаря внешнему нагреванию. При этом в качестве нагревательных элементов может служить газ, твердое топливо, солнечная энергия, биотопливо и даже энергия звука.
Однако не всегда можно добиться нужного перепада температуры, а получение большего количества энергии при минимальной разнице – это мечта любого инженера. Вот почему и был изобретен низкотемпературный генератор Стирлинга.
Особенности работы двигателя
Низкотемпературный двигатель может работать при минимальной разнице, перепаде всего в несколько градусов. Экспериментальная модель может производить энергию даже при контакте с теплой человеческой рукой или чашкой чая. Естественно, что до промышленного производства таких моделей еще далеко, однако технический прорыв налицо.
Низкотемпературный Стирлинг представляет собой двигатель типа «гамма». Конструктивно основную нагрузку несут нагреватель и охладитель – нижний и верхний диски. При этом нижний по площади значительно превышает верхний, обеспечивая концентрацию тепловой энергии. При этом энергия накапливается в нижнем диске, создавая определенный дополнительный потенциал, чтобы двигатель продолжал работу некоторое время после исчезновения источника энергии.
Такая модель очень проста, однако пока не имеет промышленного значения. Коллекционные модели изготавливаются на заказ, миниатюрные и более крупные двигатели создаются отдельными фирмами, либо поставляются по деталям заказчику, для самостоятельной сборки. Однако у данного устройства большая перспектива, поскольку эффективность производства энергии у него достаточно велика.
zaryad.com
Коленвал- из тех же скрепок, что и весь каркас двигателя. В процессе работы двигателя Стирлинга он перемещает воздух внутри корпуса от горячей части к холодной и обратно. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания.
Достаточно один раз сделать и увидеть его в работе, как захочется их делать снова и снова. Относительная простота этих двигателей позволяет делать их буквально из мусора. Приступим сразу к постройке простейшего низкотемпературного гамма-Стирлинга. Корпус двигателя Стирлинга вырезается из пластиковой бутылки из под молока. Эти винты нужны для тонкой настройки двигателя. Малейшая утечка воздуха и двигатель не заработает.
В определенный момент магнитная связь будет разорвана и вытеснитель упадет на дно. Таким образом воздух в двигателе перестанет контактировать с нагреваемой частью и начнет охлаждаться. Ещё очень важная часть этого этапа заключается в том, что тут можно прочувствовать принцип работы двигателя Стирлинга.
Этим шприцем можно регулировать объем воздуха внутри двигателя. Увидев это чудо, у меня возникло желание его сделать)) Тем более на просторах Интернета оказалось много чертежей и конструкций двигателя. Чем меньше зазор между крышками и вытеснителем в верхнем и нижнем положении, тем больше кпд двигателя. Двигатель Стирлинга является уникальной машиной, преобразующий тепловую энергию в механическую, за счет изменения объёма рабочего тела при его нагреве и периодическом охлаждении в закрытом контуре.
Диаметр должен быть таким, чтобы вытеснитель склеенный из них, мог свободно перемещаться внутри корпуса двигателя. Теперь из проволоки длиной 25 мм формируем крючок и «сажаем» его на клей в заранее просверленное отверстие в поршне. Отрезаем так, чтобы шток в самом нижнем его положении едва касался днища камеры двигателя.
Процесс сборки Стирлинга в самом разгаре. Получившиеся значение и будет расстоянием между первым и вторым кривошипом на коленчатом валу двигателя. Сверловка станины стирлинга. Вытеснитель сердце стирлинга он должен быть лёгким и мало проводящим тепло. Шток взят с того же старого винчестера. Это одна из направляющих линейного двигателя.Очень подходит,калённая ,хромированная.
Мой первый двигатель )). Рабочий поршень из эпоксилина, рабочий цилиндр из сантехнического магазина, шатуны из велосипедных спиц, с медной проволокой. Этот двигатель может взорваться, если он никуда не подключен и имеет избыток электроэнергии. Подключенный к чему либо двигатель не взрывается. Данный двигатель представляет собой устройство, работающее с использованием тепловой энергии.
В этой статье представлена модель подобного двигателя, изготовленная из банки от напитка «Кока-кола». Далее вам понадобится усиленный вулканизированной резиной воздушный шарик. Разрежьте его и, следуя фото, натяните на банку. В центральной части диафрагмы приклейте фрагмент вулканизированной резины.
Для сглаживания острых краев окантуйте арку посредством электрокабеля.Обязательно протестируйте двигатель. Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.
В XIX веке инженеры хотели создать безопасную замену паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давленийпара и неподходящих материалов для их постройки. Хороший вариант появился с созданием двигателя Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур.
Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат.
Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, подробное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга.
Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.
Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных «стирлингах», ниже потери на трение, так как давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным диаметром поршней.
Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.
Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.
Громоздкость и материалоёмкость — основной недостаток поршневых вариантов двигателя. Чем больше площадь теплообмена, тем больше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе.
В последнем случае отклик двигателя на управляющее действие водителя является почти мгновенным. Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой. Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм.
Стирлинг-насос может использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку герметичен. Стирлинг-насос с жидким поршнем использует цикл, отличный от цикла Стирлинга. Перепады давления, возникающие в двигателе, непосредственно используются для перекачки тепла тепловым насосом. Для этого его приводят в движение любым другим внешним двигателем (в том числе с помощью другого «Стирлинга»).
Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках типа «Сорю». На текущее время двигатель Стирлинга рассматривается как многообещающий единый всережимный двигатель НАПЛ 5-го поколения. Для этого двигатель Стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического отражателя и двигателя Стирлинга.
Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любой теплоты. Двигатель Стирлинга может работать и в режиме холодильной машины (обратный цикл Стирлинга). Цикл Стирлинга позволил получить работающий на практике двигатель в приемлемых размерах.
kakbypridaser.ru
двигатель наружного сгорания, изобретённый Стирлингом в 1816 году, работает на разнице температур нагреваемого элемента и радиатора. Изготовка механизма такового уровня точности просит работы исполнителей — механиков высшей квалификации. На видео представлена модель мотора Стирлинга, работающая от нагрева цилиндра вытеснителя жаркой водой с температурой 100°С, залитой в чашечку. Для работы мотора нужно поддерживать разность температур меж нижней и верхней пластинами цилиндра вытеснителя более 60-80°С.В чем все-таки сущность пуска работы модели термического низкотемпературного мотора Стирлинга, «КОФЕКОР»?В чашечку заливается только-только вскипяченная вода. Для пуска и работы модели нужен источник тепла с исходной температурой около 100°С. Отлично, если поперечник чашечки совпадает либо мало меньше поперечника цилиндра вытеснителя. Если вода будет смачивать нижнюю пластинку, — двигатель можно запускать через 10-15 секунд, а если ее уровень не доходит до края чашечки 2-3 мм, — через 30-40 секунд. Пуск делается легким толчком маховика.Различают три типа мотора Стирлинга: «альфа», «бета» и «палитра». Эта модель относится к типу «палитра». Рабочий цилиндр размещен на крышке цилиндра вытеснителя. Через прозрачную стену цилиндра вытеснителя виден поршень. Он не касается боковых стен, не делает давления либо разрежения и при работе только перемещает воздух снутри цилиндра от нижней пластинки к верхней и назад.Так как работа, затрачиваемая рабочим поршнем на сжатие рабочего тела (воздуха) меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, — двигатель производит полезную механическую энергию.Исходя из убеждений термодинамики рабочий цикл мотора Стирлинга определяется как замкнутый регенеративный цикл.Исключим источник термический энергии в виде жаркой воды и поставим, для наглядности, двигатель Стирлинга на перевернутую пустую чашечку. Он будет работать еще пару минут без наружного источника тепла, используя тепло, запасенное нижней пластинкой цилиндра вытеснителя. На припасе жаркой воды около пол литра, с исходной температурой около 100°С, эта модель работает более 10 минут. При всем этом вода в чашечке остывает до 60-70°С, а верхняя пластинка, с которой лишнее тепло не успевает стопроцентно удаляться в атмосферу, греется на несколько градусов. Чтоб продлить работу мотора, можно поменять воду либо поставить на верхнюю пластинку стаканчики со льдом.Работа мотора Стирлинга на чашечке с жарким чаем вправду завораживает.Модель делается на заказ. Может быть изготовка в виде набора деталей для домашней сборки.Спецы ООО «Полиформпласт» спроектировали и сделали некоторое количество видов движков Стирлинга. На последующей страничке Вы сможете узреть двигатель, работающий на разнице температур 300°С (со спиртовкой). В разработке находится модель для различия температур менее 20°С.
ctirling.ru
Двигатель Стирлинга. Почти для любого самодельщика эта замечательная штука может стать настоящим наркотиком. Достаточно один раз сделать и увидеть его в работе, как захочется их делать снова и снова. Относительная простота этих двигателей позволяет делать их буквально из мусора. Я не буду останавливаться на общих принципах и устройстве. Про это полно информации в интернете. Например: Википедия. Приступим сразу к постройке простейшего низкотемпературного гамма-Стирлинга.
Для постройки двигателя своими руками нам понадобится две крышки для стеклянных банок. Они будут выполнять роль холодной и горячей части. От этих крышек ножницами отрезается закраина
В одной крышке по центру делается отверстие. Размер отверстия должен быть чуть меньше диаметра будущего цилиндра.
Корпус двигателя Стирлинга вырезается из пластиковой бутылки из под молока. Эти бутылки как раз поделены на колечки. Нам понадобится одно. Надо заметить, что у разных сортов молока бутылки могут чуть-чуть отличаться.
Корпус приклеивается к крышке пластичным эпоксидным составом или герметиком. 
В качестве цилиндра прекрасно подходит корпус маркера. У этой модели колпачок по диаметру меньше чем сам маркер и может стать поршнем.
От маркера отрезается небольшая часть. У колпачка срезается часть с верху.
Это вытеснитель. В процессе работы двигателя Стирлинга он перемещает воздух внутри корпуса от горячей части к холодной и обратно. Изготавливается из губки для мытья посуды. В центре приклеивается магнит. 
Так как верхняя крышка изготовлена из жести, она может быть притянута магнитом. Вытеснитель может застрять. Чтобы этого не произошло, магнит нужно дополнительно зафиксировать картонным кружком.
Колпачок заполняется эпоксидным составом. С обоих концов сверлятся отверстия для крепления магнита и держателя шатуна. Резьба в отверстиях нарезается непосредственно винтом. Эти винты нужны для тонкой настройки двигателя. Магнит в поршне приклеивается к винту и регулируется таким образом, чтобы находясь в нижней части цилиндра он притягивал вытеснитель. На этот магнит понадобится еще приклеить ограничитель из резины. Подойдет отрезок велосипедной камеры или ластик. Ограничитель нужен для того чтобы магниты поршня и вытеснителя не притягивались слишком сильно. Иначе давления может не хватить чтобы разорвать магнитную связь.
На верхнюю часть поршня наклеивается резиновая прокладка. Она нужна для герметичности и для защиты кожуха от разрыва.
Кожух поршня изготавливается из резиновой перчатки. Отрезать нужно мизинец.
После того как кожух наклеен, сверху клеится еще одна резиновая прокладка. Сквозь резиновые прокладки и кожух шилом протыкается отверстие. В это отверстие вворачивается держатель шатуна. Этот держатель делается из винта и припаянной шайбы.
В качестве держателя коленвала прекрасно подошла упаковка от эпоксидки. Точно такую же баночку можно взять из под шипучих витаминов или аспирина.
У этой баночки отрезается дно и делаются отверстия. В верхней части - для удержания коленвала. В нижней - для доступа к креплению шатуна.
Коленвал и шатун изготавливаются из проволоки. Белые штуки - это ограничитель. Сделан из трубочки от чупа-чупса. От этой трубочки отрезаются маленькие кусочки и получившиеся детали разрезаются вдоль. Так их проще надеть. Высота колена определяется половиной расстояния, которое должен пройти цилиндр от самой нижней точки до верхней точки, в которой перестает действовать магнитная связь.
Итак, у нас все готово для первых испытаний. Сперва необходимо проверить герметичность. Нужно подуть в цилиндр. На все стыки можно нанести пену из жидкости для мытья посуды. Малейшая утечка воздуха и двигатель не заработает. Если с герметичностью все в порядке, можно вставить поршень и закрепить кожух канцелярской резинкой.
В нижнем положении цилиндра вытеснитель должен притянуться на верх. Дальше вся конструкция ставится на чашку с горячей водой. Через некоторое время воздух внутри двигателя начнет нагреваться и выталкивать поршень. В определенный момент магнитная связь будет разорвана и вытеснитель упадет на дно. Таким образом воздух в двигателе перестанет контактировать с нагреваемой частью и начнет охлаждаться. Поршень начнет втягиваться. В идеале поршень должен начать совершать движения вверх-вниз. Но этого может не произойти. Либо давления будет не достаточно для перемещения поршня, либо воздух нагреется слишком сильно и поршень не втянется до конца. Соответственно у этого двигателя могут быть мертвые зоны. Это не особо страшно. Главное, чтобы мертвые зоны не были слишком большими. Для компенсации мертвых зон нужен маховик.
Ещё очень важная часть этого этапа заключается в том, что тут можно прочувствовать принцип работы двигателя Стирлинга. Я помню свой первый стирлинг который не заработал только потому, что ни как не мог врубиться как и за счет чего эта штука работает. Здесь же, помогая руками поршню ходить вверх-вниз, можно почувствовать как нарастает и спадает давление.
Эту конструкцию можно немного усовершенствовать, если добавить к ней шприц на верхнюю крышку. Этот шприц также необходимо посадить на эпоксидку, держатель иглы немного подрезать. Положение поршня в шприце должно быть в среднем положении. Этим шприцем можно регулировать объем воздуха внутри двигателя. Запуск и регулировка будет намного проще.
Итак можно насаживать держатель коленвала. Высота крепления шатуна к цилиндру регулируется винтом. 
Маховик делается из CD диска. Отверстие залепляется пластичной эпоксидкой. Затем необходимо просверлить дырку точно по центру. Найти центр очень просто. Используем свойства прямоугольного треугольника вписанного в круг. У него гипотенуза проходит через центр. Нужно приложить лист бумаги прямым углом к окраине диска. Ориентация не важна. В местах пересечения сторон листа с окраиной диска наносим метки. Линия проведенная через эти метки будет проходить через центр. Если провести вторую линию в другом месте, то на пересечении мы получим точный центр.
Все двигатель готов.
Ставим двигатель Стирлинга на чашку с кипятком. Немного ждем и он должен сам заработать. Если этого не произойдет, нужно слегка помочь ему рукой.
Процесс изготовления на видео.
Двигатель Стирлинга в работе
www.zabatsay.ru
3. Низкотемпературные движки
На сегодня не существует точной границы меж высоко — и низкотемпературными движками. Если рассматривать задачи сборки и оптимизации характеристик внутреннего контура и не принимать во внимание вопросы, связанные с системами остывания, регулирования, также с камерой сгорания либо любым другим источником теплоты, то к низкотемпературным следует отнести машины Стирлинга с отношением температуры охладителя и нагревателя более, чем 0,6…0,7. Соответственно, для таких движков температура нагревателя будет менее 550 К, а температура охладителя для рефрижераторных машин составляет более 230 К.
Посреди размещенных работ нет исследовательских работ, которые содержали бы результаты экономического обоснования необходимости внедрения таких движков. Разумеется, что им будут присущи огромные массогабаритные характеристики и относительно низкая эффективность. По этим причинам величина построечной цены и расходы на эксплуатацию являются определяющими при решении вопроса о необходимости внедрения низкотемпературных движков.
Этими обстоятельствами разъясняется то, что большая часть таких движков производятся с внедрением самых дешевеньких технологий и в значимой части конструкций подразумевается, что их изготовка полностью доступно рядовому механику из всераспространенных дешевеньких материалов. Конкретно так, большей частью в Университет’ах, выполнены демо движки с жидкостными поршнями (Институт Калгари, Военно-морской инженерный институт Плимута) [8, с.1950], движки с перекладкой вытеснителя (I. Kolin, Институт Загреба) [1], микродвигатели, способные работать при температурных перепадах в 10…20 К (W. Lutzer, J. R. Senft) [4]. К их числу можно отнести и претендующие на утилитарность Стирлинг-насосы разработки W. Kufner [2] и Delta T Photon [3]. По результатам испытаний в Мюнхенском институте, используя солнечное излучение, агрегаты Delta T Photon массой 400…500 кг при частоте вращения 60…120 мин-1 приводят насос мощностью до 200 Вт. Их специфичной особенностью является сопутствующий обогрев перекачиваемой воды, при этом термическая мощность подогревателя составляет 4…6 кВт [14, с.113].
Более увлекательная работа в этом направлении выполнена в Институте Сайтама (Япония) (рис. 2) [10, с.29]. Выполненный тут опытнейший двигатель LDSE характеризуется несколькими принципными особенностями. Кинематический механизм на подшипниках качения по γ-схеме, но с соосным расположением цилиндров. Практически это двигатель по β-схеме, но с дополнительным мертвым объемом в прохладной полости. Для привода рабочего поршня использован ползунный механизм (схожий механизму мотора KS15D), исключающий появление боковой силы. Кольцевые теплообменные аппараты размещаются в области перемещения вытеснителя. Нагреватель и охладитель кожухотрубного типа с оребренными трубками, при этом рабочее тело циркулирует в межтрубном пространстве, а по трубкам прокачиваются прохладный и жаркий теплоносители.
Низкотемпературный стирлинг
Рис. 2. Одноцилиндровый низкотемпературный двигатель Стирлинга LDSE
1- вытеснитель, 2 — полость сжатия, 3 — маховик, 4 — буферная полость, 5 — ползунный механизм рабочего поршня, 6 — КШМ вытеснителя и коленчатый вал, 7 — рабочий поршень, 8 — охладитель, 9 — регенератор, 10 — нагреватель, 11 — полость расширения.
Мощность 146 Вт при атмосферном давлении в картере и частоте вращения 143 мин-1, рабочее тело — воздух, картер герметичный, наибольшее давление в картере 0,3 МПа. Размеры цилиндров: рабочий — 40/20, вытеснитель — 80/8. Угол заклинки кривошипов 90˚.
Источник теплоты в опытах — этиленгликоль, его расход 20 л/мин, температура — 403 К. Температура охлаждающей воды — 313 К.
На рабочем поршне и штоках вытеснителя использованы уплотнения однобокого деяния, обеспечивающие среднее давление цикла выше давления в картере-буфере. Этот двигатель нельзя полностью отнести к обычным и дешевеньким, но на его примере экспериментально подтверждено, что при температуре источника теплоты 403 К полностью может быть рассчитывать на получение механической работы с действенным КПД около 5 %, что соответствует 22,4 % от величины КПД цикла Карно (при температуре охлаждающей воды 313 К).
Литература.
1. Kolin I. Stirling Motor. History-theory-Practice, Dubrovnic, 1991.
2. Kufner W. Stirlingmaschinen einfacher Bauart. 1992.
3. Low-Temperature Diffrence Solar Stirling Engines. Delta T Photon. Energietechnik F&E (Проспект).
4. Lutzer W. Хэнд Warme Stirling. — Hamburg. (Проспект)
5. Ocean Eng. and Environ. Conf., vol.1, San Diego, 1985.
6. Proc. 18th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Orlando, Fi., 1983.
7. Proceedings of 26th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Boston, 1991.
8. Proceedings of 29th Intersoc. Energy Conver. Eng. Conf., Monterey, CA, 1994.
9. Proceedings of 6th International Stirling Engine Conf., Eindhoven, Netherlands, 1993.
10. Proceedings of 8th International Stirling Engine Conference and Exhibition. — University of Ancona, Italy, 1997.
11. Steimle F. Stiling-Maschinen-Technik: Grundlagen, Konzepte und Chancen. — Heidelberg, Muller, 1996.
12. Stine W. B., Diver R. B. A Compendium of Solar Dish/Stirling Technology /SAND93-7026 UC-236 Unlimited Release, Sandia National Laboratories, USA, Alburquerque, 1994.
13. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1994, Osnabruck 22-24 Marz 1994.
14. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1996, Osnabruck 26-28 Februar 1996.
15. Tagungsband des Europaischen Stirling Forums 1998, Osnabruck 24-26 Februar 1998.
Статья размещена в журнальчике «Двигателестроение», 2002, № 3, с. 15-18.
Трудности движков Стирлинг
ctirling.ru
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.
В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована тепловая машина, названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.
Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.
Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.
Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.
Подобные моторы бывают следующих типов:
Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.
Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления – в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.
Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.
Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой – расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой – высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз – возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор – полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.
Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.
Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.
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.
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.
Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:
В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.
Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на легковых автомобилях.
Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.
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.
Источник: fb.ruКомментарии
Идёт загрузка... Похожие материалы
Домашний уют Вредители моркови и борьба с ними (фото)Морковь является одним из самых вкусных корнеплодов, радующим гурманов не только своим ароматом и вкусом, но и ярким цветом. Однако поживиться сладким, сочным и богатым витаминами овощем также любят и огородные вредит...
Еда и напитки Фаршируем ракушки. Большие фаршированные ракушки: рецепт, фотоБлюда из макаронных изделий считаются повседневными и довольно простыми. Однако даже из них можно приготовить настоящий шедевр, который украсит праздничный стол. Одно из таких блюд – ракушки с фаршем. Большие ма...
Компьютеры Когда появился "Майнкрафт" и другие факты об игре Для многих геймеров день, когда появился «Майнкрафт», стал действительно прекрасным и веселым. Этот мир с возможностью создавать любые предметы, здания и вещи с поправкой на пиксельную графику подарил всем...
Новости и общество Актриса Полина Сидихина: биография, личная жизнь. Лучшие ролиАктриса Полина Сидихина уже давно известна общественности не только как дочь актера Евгения Сидихина. К 27 годам очаровательная блондинка успела сыграть около 20 ролей в кино и сериалах. Зрителям талантливая девушка з...
Автомобили Двигатель турбо: описание, характеристики, принцип работы и фотоКаждый автомобилист знает, что двигатели внутреннего сгорания по своему устройству и принципу действия разделяются на атмосферные и турбированные. Но не все понимают, в чем разница между этими силовыми агрегатами. Дав...
Автомобили Принцип работы двигателя внутреннего сгорания двухтактного типаДвигатель внутреннего сгорания (сокращенно - ДВС) был изобретен еще в середине 19 века. С тех пор очень многое поменялось. В настоящее время он используется абсолютно во всех серийных автомобилях. Этот механизм был ус...
Новости и общество Владикавказ: население, фото. Численность населения города ВладикавказаОдним из самых прекрасных городов Северного Кавказа является Владикавказ. Население здесь гостеприимное и приветливое. Этот город населяет довольно большое количество людей разных национальносей и религий. Давайте под...
Автомобили Насос-форсунка дизельного двигателя: устройство и принцип работыТребования, которые предъявляются к современным дизельным моторам в отношении мощности, экономичности и экологичности, становятся все выше. Чтобы эти требования удовлетворить, следует обеспечить хорошее смесеобразован...
Автомобили Что такое дизель? Принцип работы, устройство и технические характеристики дизельного двигателяДизельные двигатели весьма распространены на легковых автомобилях. Многие модели имеют хотя бы один вариант в моторной гамме. И это без учета грузовиков, автобусов и строительной техники, где их применяют повсеместно....
Автомобили Топливный фильтр для дизельного двигателя: устройство, замена, принцип работыСистема питания двигателя включает массу важных элементов, в том числе и фильтрующих. Они присутствуют как на бензиновых, так и на дизельных двигателях. Что касается последних, такие моторы более требовательны к качес...
monateka.com
