устройство, принципы работы и 3 модификации

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

История создания двигателя Стирлинга

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

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

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

Виды двигателей

Существует несколько видов моторов Стирлинга отличающихся по своей конструкции:

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

Ниже будет подробно рассмотрена конструкция каждого из видов силового агрегата.

Альфа

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

Бета

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

Гамма

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

Роторный двигатель Стирлинга

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

Принцип работы двигателя Стирлинга

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

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

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

• Под действием высокой температуры воздуха в полости рабочей камеры нагревается и увеличивается в объеме. Увеличение объема воздуха воздействует на поршень, перемещая его в верхнюю мертвую точку;
• Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень возвращается в обратном направлении. После этого цикл повторяется.

Двигатель 1 NZ FE: Обзор и технические характеристики

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

Область применения

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

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

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

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга внешнего сгорания имеет ряд достоинств и недостатков.

Преимущества

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

Недостатки

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

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

Двигатель Стирлинга своими руками

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

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

Рабочая камера

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

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

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

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

Двигатель 2jz: Обзор двигателя и технические характеристики

Вытеснитель

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

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

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

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

Подставка

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

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

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

Цилиндр

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

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

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

Поршень

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

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

Двигатель 4s fe: Характеристики двигателя и тюнинг

Маховик

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

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

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

Коленчатый вал и шатун

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

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

Держатель коленчатого вала

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

Вентилятор

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

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

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

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

Запуск двигателя

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

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

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

Из вышеперечисленного следует, что двигатель Стирлинга это силовой агрегат, работающий от разницы температур рабочего тела. Мотор может работать на любом виде топлива.

Модель силовой установки можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Для этого не потребуется специализированных материалов и оборудования.

В качестве источника питания для модели силовой установки может использоваться свеча, сухое горючее и т.п.

У какого двигателя стирлинга лучшая конструкция с максимальным кпд

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок.

Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле).

Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх.

Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла.

При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый – полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность: двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло – силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен, так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

• неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
• потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
• отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата.

Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.

Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны).

Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля.

Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino, расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Двигатель внешнего сгорания: 3 модификации двинателя Стирлинга

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания.

Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки.

Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

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

История создания

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

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

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

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

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

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

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

• Также советуем прочитать статью нашего специалиста, в которой он рассказывает о принципе работы и особенностях двигателя Ибадуллаева.
• Дополнительно советуем внимательно изучить статью нашего автора, в которой подробно описывается роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
• 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.

Советуем также прочитать статью нашего специалиста в которой он рассказывает о КПД двигателя внутреннего сгорания.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %.

Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа.

Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %.

Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению.

Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД.

Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

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

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

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

Модификация «Бета»

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

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень.

А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя.

Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач).

Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность.

Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность.

В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

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

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.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group.

Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель.

Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС. В случае поломки, можно купить грузовые двигатели и произвести выгодную замену.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем.

Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями.

Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам.

Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово.

Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

(Пока оценок нет) Загрузка…

Двигатель Стирлинга.

Виды и конструкции. Устройство и работа

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.
• Солнечные электростанции. 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 аккумуляторы, 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.

Похожие темы:

МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ИЛИ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

• Главная
• Список секций
• Математика
• МОДЕЛЬ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ИЛИ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

• Авторы
• Файлы работы
• Наградные документы

Бакалов А.М. 1Тихонов А.А. 1

1МОУ СОШ №53

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьника

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Сегодня, нафонеширокоизвестныхисточниковальтернативнойэнергии, начинаетпоявлятьсяещёоднохитроеустройство. Придумали его почти двести лет назад, но не справедливо забыли в эпоху дешевых энергоносителей, имя ей — Двигатель Стирлинга.

Это устройство способно преобразовывать любую тепловую энергию, в механическую. Его можно подключить к генератору и получать электричество. Или к насосу, циркулярной пиле, короче, к любому потребителю механической энергии. Наиболее заманчиво выглядит утилизация, с его помощью, тепла, вылетающего в трубы котельных, дровяных печей или падающего на нас с неба, в виде солнечных лучей.

Но самое главное – это то, что этот двигатель можно собрать своими силами.

Руководствуясьпояснением принципа работы двигателя Стирлинга и рекомендациями его изготовления и опираясь на технологию изготовления моделей из подручных материалов собираем своюмодель.

Рис.1.Схема устройства двигателя Стирлинга.

Описание изготовления изделия.

1.Изготовление цилиндра.

Он изготавливается из двух банок от чипсов, у которых металлическое донышко и картонная стенка- это то, что нам нужно. Отрезаем две половины цилиндра.

На одной (верхней), размечаем центры 2 отверстий. Одно отверстие под центральную втулку для толкателя вытеснителя, другое к краю крышки. Сверлим два отверстия 2,5мм и 5мм соответственно.

Припаиваем медную трубку (держатель) к центральному отверстию верхней крышки, для закрепления в ней фторопластовой втулки.

Над вторым отверстием, с помощью эпоксилина приклеиваем штуцер (1.2дюйма).

Из скрепок изготовляем два держателя для коленчатого вала и закрепляем их на верхней крышке. Изготовление цилиндра(корпуса), еще не завершена, к нему еще вернемся.

2.Изготовление вытеснителя.

Из картона вырезаем вытеснитель. Диаметр картонного вытеснителя меньше внутреннего диаметра цилиндра на 2-3мм. Картон применяю потому, что он плохо проводит тепло и держит температуру. Для придания вытеснителю высоты склеиваем из нескольких слоев(3-4) картона. Изготавливаем из скрепки толкатель. Вклеиваем (Момент) его в вытеснитель.

Вставляем вытеснитель в цилиндр и втулку.

Скрепляем две половины корпуса цилиндра малярной лентой, максимально герметично.

Замеряем ход вытеснителя, этот размер нужен для изготовления коленчатого вала.

3. Изготовление коленчатого вала.

Колено на коленчатом валу равно половине хода толкателя(4мм).

Изготовляем коленчатый вал 2 с двумя коленами.

Из скрепок выполняем шатуны и одеваем их на коленчатый вал 2. Для исключения болтания их на коленчатом валу, вставляем кусочки изоляции от провода. Вставляем коленчатый вал в держатели 3,4 на корпусе цилиндра 7.

На резиновую мембрану 6 закрепляем толкатель (изготовленный из скрепки и обмотан нитками на одном конце). Надеваем мембрану на штуцер. При помощи термо-трубки соединяем толкатели и шатуны (нагревом закрепляем).

Из CD диска изготавливаем моховик 1, для веса используем два диска, закрепляем их на коленчатом валу 2, предварительно изготовив переходнуювтулку. Из медной проволоки изготавливаем подставку3,4 и припаиваем к корпусу цилиндра. При помощи свечи 8(нагрев) проверяем двигатель в работе.

Рис.2.Двигатель Стирлинга.1.Маховик.2.Коленчатый вал.3.4.Держатели.5.Втулка малого цилиндра.6.Втулка больщого цилиндра. 7.Цилиндр.8.Свеча.

Вывод:

1.Простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.2.Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.3Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. ромбический механизм является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

Литература:

1.УокерГ.Машины работающие по циклу Стирлинга.Энергия 1978г.

2.РидерГ. ХуперЧ. .Двигатели Стирлинга Из-во «Мир» М. 1986г.

3. Уокер.Г Двигатели Стирленга. М.изд. «Машиностроение» 1985г.

4.Васильев Г. П., Хрустачев Л. В., Розин А. Г., Абуев И. М. и др. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии // Правительство Москвы Москомархитектура, ГУП «НИАЦ», 2001. — 66C.

Просмотров работы: 622

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.

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.

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.

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.

Минусы двигателя Стирлинга

Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.

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%.

Примеры успешного применения двигателей Стирлинга

Во второй половине 20 века несколько компаний начали разрабатывать моторы Стирлинга и устанавливать их на легковые автомобили. Успешные модели оказались у таких компаний, как Ford Motor Company, Volkswagen Group, UNITED STIRLING (Швеция), General Motors, модель Стирлинга «Philips 4-125DA» (Нидерланды).

Видео

Фильм «Роберт Стирлинг и его двигатель».

Как работает двух цилиндровый вакуумный двигатель.

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки. Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

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

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

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

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду. При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла. Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

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

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

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

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

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

Модификация «Бета»

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

Модификация «Гамма»

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

Преимущества двигателя внешнего сгорания

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

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

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.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

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

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

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

Выводы

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

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).

Содержание

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».
Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с цилиндром диаметром 4,2 метра развивала меньше 100 л. е., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло.
Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами как только появились мощные, компактные и легкие бензомоторы и дизели. И вдруг, в 1960-е, спустя почти 80 лет о «стирлингах» и «эриксонах» (будем условно называть их так по аналогии с дизелем) заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Разговоры эти не утихают и поныне. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах?

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением.
Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28—30 и 32—35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон?
той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления.
Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми.
Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

Как работает Стирлинг

Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания:
1 — топливная форсунка;
2 — выпускной патрубок;
3 — элементы воздухоподогревателя;
4 — подогреватель воздуха;
5 — горячие газы;
6 — горячее пространство цилиндра;
7 — регенератор;
8 — цилиндр;
9 — ребра охладителя;
10 — холодное пространство;
11 — рабочий поршень;
12 — ромбический привод;
13 — шатун рабочего поршня;
14 — синхронизирующие шестерни;
15 — камера сгорания;
16 — трубки нагревателя;
17 — горячий воздух;
18 — поршень-вытеснитель;
19 — воздухоприемник;
20 — подвод охлаждающей воды;
21 — уплотнение;
22 — буферный объем;
23 — уплотнение;
24 — толкатель поршня-вытеснителя;
25 — толкатель рабочего поршня;
26 — ярмо рабочего поршня;
27 — палец ярма рабочего поршня;
28 — шатун поршня-вытеснителя;
29 — ярмо поршня-вытеснителя;
30 — коленчатые валы.
Красный фон — контур нагрева;
точечный фон — контур охлаждения

В современной конструкции «стирлинга», работающего на жидком топливе, — три контура, имеющих между собой лишь тепловой контакт. Это контур рабочего тела (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Главное назначение контура нагрева — поддерживать высокую температуру в верхней части рабочего контура. Контур охлаждения поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Сам контур рабочего тела замкнут.
Контур рабочего тела. В цилиндре 8 движутся два поршня — рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла ( Такт I — охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II — сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III — нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV — расширение рабочего тела — рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева. Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения. Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

«Стирлинги» вместо ДВС

Первые же испытания, проведенные пол-века назад, показали, что «стирлинг» почти идеально бесшумен. У него нет карбюратора, форсунок с высоким давлением, системы зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре, хотя и повышается почти до 200 атм, но не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигателе не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания.
Говорят, что, даже приложив руку к двигателю, не всегда удается определить, работает он или нет. Эти качества автомобильного двигателя особенно важны, ибо в крупных городах остро стоит проблема снижения шума.
А вот другое качество — «всеядность». По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода «стирлинга». Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Он может работать на теплоте, запасенной в расплаве какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 литров окиси алюминия заменяет 1 литр бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить водителя, попавшего в беду. Она разрешит остро стоящую проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве.
А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур.
Вот только по стоимости и по весу «стирлинги» пока уступают двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходится 5 кг, что намного больше, чем у бензинового и дизельного моторов. Но не следует забывать, что это еще первые, не доведенные до высокой степени совершенства модели.
Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях «стирлинги» требуют меньших давлений. Это — важное достоинство. И если у них найдутся еще и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении. А вовсе не турбины.

«Стирлинг» от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой — расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см 2 , а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кГ/см 2 и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час.
Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой — компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель — в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга»:
1 — рабочий цилиндр;
2 — рабочий поршень;
3 — подогреватель;
4 — регенератор;
5 — теплоизолирующая муфта;
6 — охладитель;
7 — компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом.
В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 — охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается — такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 — такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре 1, совершая работу, — такт расширения. При движении поршня 2 в цилиндре 1 вверх газ перекачивается через регенератор 4 и охладитель 6 в цилиндр 7 — такт охлаждения.
Такая схема «стирлинга» наиболее удобна для реверсирования. В объединенном корпусе подогревателя, регенератора и охладителя (об их устройстве речь пойдет позже) для этого сделаны заслонки. Если перевести их из одного крайнего положения в другое, то холодный цилиндр станет горячим, а горячий — холодным, и двигатель будет вращаться в обратную сторону.
Подогреватель представляет собой набор трубок из жаростойкой нержавеющей стали, по которым проходит рабочий газ. Трубки нагреваются пламенем горелки, приспособленной для сжигания различных жидких топлив. Тепло от нагретого газа запасается в регенераторе. Этот узел имеет большое значение для получения высокого КПД. Он выполнит свое назначение, если будет передавать примерно в три раза больше тепла, чем в подогревателе, и процесс займет меньше 0,001 секунды. Словом, это быстродействующий аккумулятор тепла, причем скорость теплопередачи между регенератором и газом составляет 30 000 градусов в секунду. Регенератор, КПД которого равен 0,98 единицы, состоит из цилиндрического корпуса, в котором последовательно расположены несколько шайб, изготовленных из проволочной путанки (диаметр проволоки 0,2 мм). Чтобы тепло от него не передавалось холодильнику, между этими агрегатами установлена теплоизолирующая муфта. И наконец, охладитель. Он выполнен в виде водяной рубашки на трубопроводе.
Мощность «стирлинга» регулируется изменением давления рабочего газа. Для этой цели двигатель оборудуется газовым баллоном и специальным компрессором.

Достоинства и недостатки

Чтобы оценить перспективы применения «стирлинга» на автомобилях, проанализируем его достоинства и недостатки. Начнем с одного из важнейших для теплового двигателя параметров, так называемого теоретического КПД Для «стирлинга» он определяется следующей формулой:

где η — КПД, Тх — температура «холодного» объема и Тг — температура «горячего» объема. Количественно этот параметр у «стирлинга» — 0,50. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический КПД соответственно равен 0,28; 0,30; 0,40.
Как двигатель внешнего сгорания. стирлинг» может работать на различных топливах: бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже на твердом. Такие характеристики топлива, как цетановое и октановое числа, зольность, температура выкипания при горении вне цилиндра двигателя, для «стирлинга» не имеют значения. Чтобы он работал на разных топливах, не требуется больших переделок — достаточно лишь заменить горелку.
Двигатель внешнего сгорания, в котором горение протекает стабильно с постоянным коэффициентом избытка воздуха, равным 1.3. выделяет значительно меньше, чем двигатель внутреннего сгорания, окиси углерода, углеводородов и окислов азота.
Малая шумность «стирлинга» объясняется низкой степенью сжатия (от 1,3 до 1,5). Давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в бензиновом или дизельном двигателе. Отсутствие колебаний столба газов в выпускном тракте определяет бесшумность выхлопа, что подтверждено испытаниями двигателя, разработанного фирмой «Филлипс» совместно с фирмой Ford для автобуса.
«Стирлинг» отличается малым расходом масла и высокой износостойкостью благодаря отсутствию в цилиндре активных веществ и относительно низкой температуре рабочего газа, а надежность его выше, чем у известных нам двигателей внутреннего сгорания, так как в нем нет и сложного газораспределительного механизма.
Важное преимущество «стирлинга» как автомобильного двигателя — повышенная приспособляемость к изменениям нагрузки. Она, например, на 50 процентов выше, чем у карбюраторного мотора, за счет чего можно уменьшить число ступеней в коробке передач. Однако совсем отказаться от сцепления и коробки передач, как в паровом автомобиле, нельзя.
Но почему же двигатель с такими очевидными достоинствами до сих пор не нашел практического применения? Причина проста — у него немало еще неустраненных недостатков. Главнейшие среди них — большая сложность в управлении и регулировке. Существуют и другие «рифы», которые не так просто обойти и конструкторам и производственникам.— в частности, поршням нужны очень эффективные уплотнения, которые должны выдерживать высокое давление (до 200 кГ/см2) и препятствовать попаданию масла в рабочую полость. Во всяком случае, 25-летняя работа фирмы «Филлипс» по доводке своего двигателя пока не смогла сделать его пригодным для массового применения на автомобилях. Немаловажное значение имеет характерная особенность «стирлинга» — необходимость отводить с охлаждающей водой большое количество тепла. В двигателях внутреннего сгорания значительная часть тепла выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшими газами. В «стерлинге» же в выхлоп уходит только 9 процентов тепла, получаемого при сгорании топлива. Если в бензиновом двигателе внутреннего сгорания с охлаждающей водой отводится от 20 до 25 процентов тепла, то в «стирлинге» — до 50 процентов. Это значит, что автомобиль с таким двигателем должен иметь радиатор примерно в 2—2.5 раза больше, чем у аналогичного бензинового мотора. Недостатком «стирлинга» является и его высокий удельный вес по сравнению с распространенным ДВС. Еще довольно существенный минус — трудность повышения быстроходности: уже при 3600 об/мин значительно возрастают гидравлические потери и ухудшается теплообмен. И наконец. «стирлинг» уступает обычному двигателю внутреннего сгорания в приемистости.
Работы по созданию и доводке автомобильных «стирлингов», в том числе для легковых машин, продолжаются. Можно считать, что в настоящее время принципиальные вопросы решены. Однако еще много дел по доводке. Применением легких сплавов можно понизить удельный вес двигателя, но он все равно будет выше. чем у мотора внутреннего сгорания, из-за более высокого давления рабочего газа. Вероятно, двигатель внешнего сгорания найдет применение в первую очередь на грузовых автомобилях, особенно военных — благодаря своей нетребовательности к топливу.

http://autostuk.ru/samyj-moshhnyj-dvigatel-stirlinga.html
http://auto-gl.ru/dvigatel-vneshnego-sgoraniya-stirlinga-ustroystvo-principy-raboty-i-3-modifikacii/
http://wiki.zr.ru/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0

виды, принцип работы, особенности :: SYL.ru

Паровые двигатели, широко используемые в девятнадцатом веке, не обеспечивали достаточной безопасности при их эксплуатации. Механизмы обладали множественными конструктивными недостатками, не выдерживали высокого давления пара, что приводило к разрывам котлов. Двигатель внешнего сгорания, запатентованный в 1816 году священником из Шотландии по имени Роберт Стирлинг, стал удачным решением для того времени. Его уникальность состояла в применении специального очистителя (регенератора) в, известных ранее, «двигателях горячего воздуха».

Принципиальная схема теплового двигателя:

На представленной схеме в доступной форме проиллюстрировано устройство поршневого механизма и порядок его работы.

Происхождение устройств

В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть «двигателями горячего воздуха», которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Примечания[ | ]

1. Железная дорога Минас и Рио, Бразилия: въезд в туннель в Сан-Паулу. Уклон (неопр.)
   .
   www.wdl.org
   (1881). Дата обращения: 2 августа 2021.
2. Данные за 2011 год.
3. World Energy Perspective Cost of Energy Technologies (англ.) (недоступная ссылка). ISBN 978 0 94612 130 4
   11. WORLD ENERGY COUNCIL, Bloomberg (2013). Дата обращения: 29 июля 2015. Архивировано 1 мая 2015 года.
4. Конфедератов И. Я.
   История теплоэнергетики. Начальный период (17—18 вв.).. — М.—Л., 1954.
5. Семь фактов о создателе универсальной паровой машины Джеймсе Уатте (рус. ). Российская газета
   . Дата обращения: 2 августа 2021.
6. ↑ 12
   История изобретения паровых машин
   (неопр.)
   .
   autohis.ru
   . Дата обращения: 1 августа 2021.
7. Иван Иванович Ползунов 1728—1766. Биография изобретателя Ползунова (неопр.)
   . www.bibliotekar.ru. Дата обращения: 24 января 2021.
8. Из истории паровой турбины (рус.). РосТепло.ru
   . Дата обращения: 1 августа 2021.
9. Robert Stirling | Scottish inventor (англ.). Encyclopedia Britannica
   . Дата обращения: 3 августа 2021.
10. Двигатели Стирлинга — технологический прорыв в автономной энергетике XXI века | Sovmash.com (неопр.)
    .
    www.sovmash.com
    . Дата обращения: 2 августа 2021.
11. Двигатели Стирлинга – технологический прорыв в автономной энергетике — Энергетика и промышленность России — № 07 (99) апрель 2008 года — WWW.EPRUSSIA.RU — информационный портал энергетика (неопр.)
    .
    www.m.eprussia.ru
    . Дата обращения: 2 августа 2021.

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Последняя модель. «Гамма»

Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип – это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.

Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

• расширения,
• сжатия,
• нагрева,
• охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
4. Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

• Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид «насоса» можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
• Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
• Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
• Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

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.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

• Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
• В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
• Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
• Данные модели двигателя не способны «заглохнуть». Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
• В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
• Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

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.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

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%.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий – это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов – это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

устройство, принципы работы и 3 модификации

Рубрика: ДВИГАТЕЛЬ

• История создания двигателя Стирлинга
• Виды двигателей Альфа
• Бета
• Гамма

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

История создания двигателя Стирлинга

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

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

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

Вдохновленный MP1002C Philips

В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.

Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.

Виды двигателей

Существует несколько видов моторов Стирлинга отличающихся по своей конструкции:

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

Ниже будет подробно рассмотрена конструкция каждого из видов силового агрегата.

Альфа

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

Бета

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

Гамма

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

Схема расположения цилиндров в двойной гамме.

На рисунке изображено два «горячих» цилиндра, в которых расположены вытеснители. Они работают разнонаправленно со сдвигом фаз в 180°. Для упрощения схемы работы на рисунке не обозначен регенератор. Красными линиями выделены области нагрева цилиндров (нагреватель), синими линиями — места охлаждения (холодильник).

Снизу в центре нарисован рабочий цилиндр с рабочим поршнем. В зависимости от положения вытеснителей он может принимать значения верхней мёртвой точки (ВМТ) или нижней мёртвой точки (НМТ). Чтобы не перегружать схему, умышлено я опустил механику привода. Она может быть выбрана на усмотрение самого разработчика.

Принцип работы двигателя Стирлинга

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

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

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

• Под действием высокой температуры воздуха в полости рабочей камеры нагревается и увеличивается в объеме. Увеличение объема воздуха воздействует на поршень, перемещая его в верхнюю мертвую точку;
• Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень возвращается в обратном направлении. После этого цикл повторяется.

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.

Область применения

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

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

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

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.

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

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга внешнего сгорания имеет ряд достоинств и недостатков.

Преимущества

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

Недостатки

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

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

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.

Двигатель Стирлинга своими руками

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

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

Рабочая камера

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

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

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

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

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.

Запуск двигателя

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

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

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

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

Новый дизайн и появление MK II

В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.

Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки

Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.

Кулер с рёбрами для двигателя стирлинга

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

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

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

Двигатель внешнего сгорания принцип. Двигатель внутреннего сгорания

Главная / Покупка\продажа

В двигателях внешнего сгорания процесс сжигания топлива и источник теплового воздействия отделены от рабочей установки. К данной категории обычно относят паровые и газовые турбины, а также двигатели Стирлинга. Первые прототипы подобных установок были сконструированы более двух веков назад и применялись на протяжении почти всего XIX столетия.

Когда для бурно развивающейся промышленности понадобились мощные и экономичные энергетические установки, конструкторы придумали замену взрывоопасным паровым двигателям, где рабочим телом был находящийся под большим давлением пар. Так появились двигатели внешнего сгорания, получившие распространение уже в начале XIX столетия. Только через несколько десятков лет им на смену пришли двигатели внутреннего сгорания. Стоили они существенно дешевле, что и их широкое распространение.

Но сегодня конструкторы все пристальнее присматриваются к вышедшим из широкого употребления двигателям внешнего сгорания. Это объясняется их преимуществами. Главное достоинство состоит в том, что такие установки не нуждаются в хорошо очищенном и дорогом топливе.

Двигатели внешнего сгорания неприхотливы, хотя до сих пор их постройка и обслуживание обходятся достаточно дорого.

Двигатель Стирлинга

Один из самых известных представителей семейства двигателей внешнего сгорания – машина Стирлинга. Она была придумана в 1816 году, неоднократно совершенствовалась, но впоследствии на долгое время была незаслуженно забыта. Теперь же двигатель Стирлинга получил второе рождение. Его с успехом используют даже при освоении космического пространства.

Работа машины Стирлинга основана на замкнутом термодинамическом цикле. Периодические процессы сжатия и расширения здесь идут при разных температурах. Управление рабочим потоком происходит посредством изменения его объема.

Двигатель Стирлинга может работать в качестве теплового насоса, генератора давления, устройства для охлаждения.

В данном двигателе при низкой температуре идет сжатие газа, а при высокой – его расширение. Периодическое изменение параметров происходит за счет использования особого поршня, имеющего функцию вытеснителя. Тепло к рабочему телу при этом подводится с внешней стороны, через стенку цилиндра. Эта особенность и дает право

Несмотря на свои высокие показатели, современный двигатель внутреннего сгорания начинает устаревать. Его к. п. д. достиг, пожалуй, своего предела. Шум, вибрация, отравляющие воздух газы и другие присущие ему недостатки заставляют ученых искать новые решения, пересматривать возможности давно «забытых» циклов. Одним из «возрожденных» двигателей является стирлинг.

Еще в 1816 г. шотландский священник и ученый Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, в котором топливо и воздух, поступающие в зону горения, никогда не попадают внутрь цилиндра. Они, сгорая, лишь нагревают находящийся в нем рабочий газ. Это и дало основание назвать изобретение Стирлинга двигателем внешнего сгорания.

Роберт Стирлинг построил несколько двигателей; последний из них имел мощность 45 л. с. и проработал на шахте в Англии более трех лет (до 1847 г.). Эти двигатели были очень тяжелыми, занимали много места и внешне напоминали паровые машины.

Для мореплавания двигатели внешнего сгорания впервые были применены в 1851 г. шведом Джоном Эриксоном. Построенное им судно «Эриксон» благополучно пересекло Атлантический океан из Америки в Англию с силовой установкой, состоявшей из четырех двигателей внешнего сгорания. В век паровых машин это было сенсацией. Однако силовая установка Эриксона развивала всего 300 л. с., а не 1000, как ожидалось. Двигатели имели огромные размеры (диаметр цилиндра 4,2 м, ход поршня 1,8 м). Расход угля получился не меньше, чем у паровых машин. Когда судно пришло в Англию, оказалось, что двигатели не пригодны для дальнейшей эксплуатации, так как у них прогорели днища цилиндров. Чтобы вернуться в Америку, пришлось заменить двигатели обычной паровой машиной. На обратном пути судно попало в аварию и затонуло со всем экипажем.

Маломощные двигатели внешнего сгорания в конце прошлого века применялись в домах для перекачивания воды, в типографиях, на промышленных предприятиях, в том числе на петербургском заводе Нобеля (ныне «Русский дизель»), Устанавливались они и на мелких судах. Стирлинги выпускались во многих странах, в том числе в России, где они назывались «тепло и сила». Ценили их за бесшумность и безопасность работы, чем они выгодно отличались от паровых машин.

С развитием двигателей внутреннего сгорания о стирлингах забыли. В энциклопедическом словаре Брокгауэа и Эфрона о них написано следующее: «Безопасность от взрывов составляет главную выгодную сторону калорических машин, благодаря которой они могут опять войти в употребление, если найдут для их построения и смазки новые материалы, лучше выдерживающие высокую температуру».

Дело заключалось, однако, не только в отсутствии соответствующих материалов. Еще оставались неизвестными современные принципы термодинамики, в частности эквивалентность тепла и работы, без чего невозможно было определить наивыгоднейшие соотношения основных элементов двигателя. Теплообменники делали с малой поверхностью, из-за чего двигатели работали при непомерно высоких температурах и быстро выходили из строя.

Попытки усовершенствовать Стирлинг были предприняты после второй мировой войны. Наиболее существенные из них заключались в том, что рабочий газ стали применять сжатым до 100 атм и использовать не воздух, а водород, имеющий более высокий коэффициент теплопроводности, низкую вязкость и, кроме того, не окисляющий смазки.

Устройство двигателя внешнего сгорания в его современном виде схематически показано на рис. 1. В закрытом с одной стороны цилиндре находятся два поршня. Верхний — поршень-в ы тесните ль служит для ускорения процесса периодического нагрева и охлаждения рабочего газа. Он представляет собой полый закрытый цилиндр из нержавеющей стали, плохо проводящий тепло, и перемещается под действием штока, связанного с кривошипно-шатунным механизмом.

Нижний поршень — рабочий (на рисунке показан в сечении). Он передает усилие на кривошипно-шатунный механизм через полый шток, внутри которого проходит шток вытеснителя. Рабочий поршень снабжен уплотняющими кольцами.

Под рабочим поршнем имеется буферная емкость, образующая подушку, выполняющую функцию маховика — сглаживать неравномерность крутящего момента благодаря отбору части энергии во время рабочего хода и отдаче ее на вал двигателя во время хода сжатия. Для изоляции объема цилиндра от окружающего пространства служат уплотнения типа «заворачивающийся чулок». Это резиновые трубки, прикрепленные одним концом к штоку, а другим к корпусу.

Верхняя часть цилиндра соприкасается с подогревателем, а нижняя — с холодильником. Соответственно в нем выделяются «горячий» и «холодный» объемы, свободно сообщающиеся между собой посредством трубопровода, в котором находится регенератор (теплообменник). Регенератор заполнен путанкой из проволоки малого диаметра (0,2 мм) и обладает высокой теплоемкостью (например, к. п. д. регенераторов фирмы Филипе превышает 95%).

Рабочий процесс двигателя Стирлинга может быть осуществлен и без вытеснителя, на основе применения золотникового распределителя рабочего заряда.

В нижней части двигателя расположен кривошипно-шатунный механизм, служащий для преобразования возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала. Особенностью этого механизма является наличие двух коленчатых валов, соединенных двумя шестернями со спиральными зубьями, вращающимися навстречу друг другу. Шток вытеснителя связан с коленчатыми валами посредством нижнего коромысла и прицепных шатунов. Шток рабочего поршня соединяется с коленчатыми валами через верхнее коромысло и прицепные шатуны. Система одинаковых шатунов образует подвижный деформируемый ромб, откуда и название этой передачи — ромбическая. Ромбическая передача обеспечивает необходимый сдвиг фаз при движении поршней. Она полностью уравновешена, в ней не возникают боковые усилия на штоки поршней.

В пространстве, ограниченном, рабочим поршнем, находится рабочий газ — водород или гелий. Полный объем газа в цилиндре не зависит от положения вытеснителя. Изменения объема, связанные со сжатием и расширением рабочего газа, происходят за счет перемещения рабочего поршня.

При работе двигателя верхняя часть цилиндра постоянно нагревается, например, от камеры сгорания, в которую впрыскивается жидкое топливо. Нижняя часть цилиндра постоянно охлаждается, например, холодной водой, прокачиваемой через водяную рубашку, окружающую цилиндр. Замкнутый цикл Стирлинга состоит из четырех тактов, изображенных на рис. 2.

Такт I — охлаждение
. Рабочий поршень находится в крайнем нижнем положении, вытеснитель движется вверх. При этом рабочий газ перетекает из «горячего» объема над вытеснителем в «холодный» объем под ним. Проходя по пути через регенератор, рабочий газ отдает ему часть своего тепла, а затем охлаждается в «холодном» объеме.

Такт II — сжатие
. Вытеснитель остается в верхнем положении, рабочий поршень движется вверх, сжимая рабочий газ при низкой температуре.

Такт III — нагревание
. Рабочий поршень находится в верхнем положении, вытеснитель движется вниз. При этом сжатый холодный рабочий газ устремляется из-под вытеснителя в освобождающееся пространство над ним. По дороге рабочий газ проходит через регенератор, где предварительно подогревается, попадает в «горячую» полость цилиндра и нагревается еще сильнее.

Такт IV — расширение (рабочий ход)
. Нагреваясь, рабочий газ расширяется, передвигая при этом вытеснитель и вместе с ним рабочий поршень вниз. Совершается полезная работа.

Стирлинг имеет замкнутый цилиндр. На рис. 3, а показана диаграмма теоретического цикла (диаграмма V — Р). По оси абсцисс отложены объемы цилиндра, по оси ординат — давления в цилиндре. Первый такт является изотермическим I-II, второй происходит при постоянном объеме II-III, третий — изотермический III-IV, четвертый — при постоянном объеме IV-I. Так как давление во время расширения горячего газа (III-IV) больше давления во время сжатия холодного газа (I-II), то работа расширения больше работы сжатия. Полезную работу цикла можно графически изобразить в виде криволинейного четырехугольника I-II-III-IV.

В действительном процессе поршень и вытеснитель движутся непрерывно, так как они связаны с кривошипно-шатунным механизмом, поэтому диаграмма действительного цикла скруглена (рис. 3, б).

Теоретический к. п. д. двигателя стирлинга составляет 70%. Исследования показали, что на практике можно получить к. п. д., равный 50%. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин (28%), бензиновых двигателей (30%) и дизелей (40%).

Стирлинг может работать на бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже твердом топливе. По сравнению с другими двигателями, он имеет более мягкий и почти бесшумный ход. Объясняется это низкой степенью сжатия (1,3÷1,5), к тому же давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом. Продукты сгорания также выпускаются без Шума, так как сгорание происходит постоянно. В них сравнительно немного токсичных составляющих, потому что горение топлива происходит непрерывно и при постоянном избытке кислорода (α=1,3).

Стирлинг с ромбической передачей полностью уравновешен, в нем не возникает вибраций. Это качество, в частности, было учтено американскими инженерами, установившими одноцилиндровый стирлинг на искусственном спутнике Земли, где даже небольшая вибрация и неуравновешенность могут привести к потере ориентации.

Одним из проблемных вопросов остается охлаждение. В стирлинге с выпускными газами отводится только 9% тепла, получаемого от топлива, поэтому, например, при установке его на автомобиле пришлось бы делать радиатор примерно в 2,5 раза больше, чем при использовании бензинового двигателя той же мощности. Задача решается проще на судовых установках, где эффективное охлаждение обеспечивается неограниченным количеством забортной воды.

На рис. 4 показан разрез двухцилиндрового катерного двигателя Филипс мощностью 115 л. с. при 3000 об/мин с горизонтальным расположением цилиндров. Общий рабочий объем каждого цилиндра 263 см 3 . Поршни, расположенные оппозитно, соединены с двумя траверсами, что позволило полностью уравновесить газовые силы и обойтись без буферных объемов. Подогреватель выполнен из трубок, окружающих камеру сгорания, по которым проходит рабочий газ. Охладителем служит трубчатый холодильник, через который прокачивается забортная вода. Двигатель имеет два коленчатых вала, соединенных с гребным валом посредством червячных передач. Высота двигателя всего 500 мм, что позволяет установить его под настилом и таким образом уменьшить размеры машинного отсека.

Мощность стирлинга регулируется в основном изменением давления рабочего газа. Одновременно, чтобы поддерживать температуру подогревателя постоянной, регулируется и подача топлива. Для двигателя внешнего сгорания пригодны практически любые источники тепла. Важно, что он может превращать в полезную работу низкотемпературную энергию, на что не способны двигатели внутреннего сгорания. Из кривой на рис. 5 видно, что при температуре подогревателя всего 350° С к. п. д. стирлинга еще равен ≈ 20%.

Стирлинг экономичен — удельный расход топлива у него составляет всего 150 г/л. с. час. В энергетической установке «двигатель стирлинг- аккумулятор тепла», использующейся на американских спутниках Земли, тепловым аккумулятором служит гидрит лития, который поглощает тепло в период «освещения» и Отдает его стирлингу, когда спутник находится на теневой стороне Земли. На спутнике двигатель служит для привода генератора мощностью 3 квт при 2400 об/мин.

Создан опытный мотороллер со Стирлингом и аккумулятором тепла. Использование аккумулятора тепла и стирлинга на подводной лодке позволяет ей в несколько раз дольше идти в погруженном положении.

Литература

• 1. Смирнов Г. В. Двигатели внешнего сгорания. «Знание», М., 1967.
• 2. Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips — Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
• 3. Curtis Anthony. Hot air and the wind of change. The Stirling engine and its revival. Motor (Engl.), 1969, (135), N 3488.

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 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 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

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

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 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.

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

Происхождение устройств

В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть «двигателями горячего воздуха», которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Последняя модель. «Гамма»

Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип — это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.

Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

• Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид «насоса» можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
• Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
• Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
• Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

• Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
• В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
• Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
• Данные модели двигателя не способны «заглохнуть». Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
• В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
• Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий — это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Роторный двигатель внешнего сгорания

Сердце такой машины — это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов — это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

Двигатели внешнего сгорания

Важным элементом реализации программы энергосбережения является обеспечение автономными источниками электроэнергии и тепла небольших жилых образований и удаленных от централизованных сетей потребителей. Для решения этих задач как нельзя лучше подходят инновационные установки для генерации электроэнергии и тепла на основе двигателей внешнего сгорания. В качестве топлива может использоваться как традиционные виды топлива, так и попутный нефтяной газ, биогаз, получаемый из древесных стружек и пр.

На протяжении последних 10 лет отмечались повышения цен на ископаемое топливо, повышенное внимание к выбросам СО 2 , а также растущее желание перестать зависеть от ископаемого топлива и полностью обеспечивать себя энергией. Это стало следствием развития огромного рынка технологий, способных производить энергию из биомассы.

Двигатели внешнего сгорания были изобретены почти 200 лет тому назад, в 1816 году. Вместе с паровым двигателем, двух- и четырехтактным двигателем внутреннего сгорания, двигатели внешнего сгорания считаются одними из основных типов двигателей. Они были разработаны с целью создания двигателей, которые были бы более безопасными и производительными, чем паровой двигатель. В самом начале 18-го века отсутствие подходящих материалов приводило к многочисленным случаям со смертельным исходом в связи со взрывами паровых двигателей, находящихся под давлением.

Значительный рынок для двигателей внешнего сгорания сформировался во второй половине 18-го века, в частности, в связи с более мелкими сферами применения, где их можно было безопасно эксплуатировать без необходимости в услугах квалифицированных операторов.

После изобретения двигателя внутреннего сгорания в конце 18-го века рынок для двигателей внешнего сгорания исчез. Стоимость производства двигателя внутреннего сгорания в сравнении со стоимостью производства внешнего сгорания ниже. Основной недостаток двигателей внутреннего сгорания заключается в том, что для их работы необходимо чистое, ископаемое топливо, увеличивающее выбросы СО2, топливо. Однако, до недавнего времени стоимость ископаемого топлива была низкой, а выбросам СО2 не уделялось должного внимания.

Принцип работы двигателя внешнего сгорания

В отличие от широко известного процесса внутреннего сгорания, при котором топливо сжигается внутри двигателя, двигатель внешнего сгорания, приводится в действие внешним источником тепла. Или, точнее говоря, она приводится в действие разностями температур, создаваемыми внешними источниками нагревания и охлаждения.

Этими внешними источниками нагревания и охлаждения могут служить отработанные газы биомассы и охлаждающая вода соответственно. Процесс приводит к вращению генератора, монтированного на двигателе, посредством чего производится энергия.

Все двигатели внутреннего сгорания приводятся в действие разностями температур. Бензиновые, дизельные двигатели и двигатели внешнего сгорания основаны на той особенности, что для сжатия холодного воздуха необходимо меньше усилий, чем для сжатия горячего воздуха.

Бензиновые и дизельные двигатели всасывают холодный воздух и сжимают этот воздух, прежде чем он подогревается в процессе внутреннего сгорания, который происходит внутри цилиндра. После подогревания воздуха над поршнем поршень перемещается вниз, посредством чего воздух расширяется. Так как воздух горячий, сила, действующая на шток поршня, велика. Когда поршень доходит до низа, клапаны открываются и горячие выхлопы заменяются новым, свежим, холодным воздухом. При движении поршня вверх холодный воздух сжимается, причем сила, действующая на шток поршня, меньше, чем при его движении вниз.

Двигатель внешнего сгорания работает в соответствии с немного другим принципом. В нем нет клапанов, он герметически запаян, а воздух подогревается и охлаждается при помощи теплообменных аппаратов горячего и холодного контура. Встроенный насос, приводимый в действие движением поршня, обеспечивает движение воздуха туда и обратно между этими двумя теплообменными аппаратами. Во время охлаждения воздуха в теплообменном аппарате холодного контура поршень сжимает воздух.

После сжатия воздух затем подогревается в теплообменном аппарате горячего контура, прежде чем поршень начинает двигаться в обратном направлении и использовать расширение горячего воздуха для приведения в действие двигателя.

Как работают двигатели Стирлинга?

Как работают двигатели Стирлинга? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Двигатели Стирлинга

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.

Двигатели питают наш мир с момента
Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем
более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время
реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что
использует разницу между высокой температурой и низкой
один — не изменился за пару сотен лет, хотя
иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые
сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы
возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга,
что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар!
Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова.
снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде
Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они
с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования
Возобновляемая энергия. На этом фото вы можете увидеть массив зеркал
концентрируя солнечное тепло на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество.
Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Содержание

1. Что такое двигатель?
2. Что такое двигатель Стирлинга?
3. Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?
4. Как работает двигатель Стирлинга?
5. Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?
6. Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга
7. Кто изобрел двигатели Стирлинга?
8. Узнать больше

Что такое двигатель?

Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины
являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят
богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для высвобождения
тепловая энергия, которая используется для производства
газ расширится и остынет, нажми на поршень,
крутить руль и водить машину. Двигатели бывают двух основных типов:
двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят
топливо в одном месте и производить энергию в другой части
та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели)
сжигать топливо и производить мощность точно в одном месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Оба
типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем
остывать. Чем больше разница температур (между газом при
самое горячее и самое холодное), тем лучше работает двигатель. Теория того, как
работа двигателя основана на науке термодинамики
(буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются.
газ в серии шагов, называемых циклом.

Хорошие и плохие двигатели

Прежде чем мы узнаем, что же такого хорошего в
Двигатели Стирлинга, это поможет, если мы узнаем, что так плохо
Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает
воды, пока она не закипит и не сделает пар. Пар идет по трубе
в цилиндр через открытый впускной клапан, где он толкает поршень
и водит колесо. Затем впускной клапан закрывается, а выпускной клапан
открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в
цилиндр, где он выталкивает охлажденный ненужный пар через
выйти и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Фото: Примеры паровых двигателей, таких как в этом локомотиве
двигателей внешнего сгорания. Огонь, дающий энергию при сгорании (1), находится снаружи (вне)
цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть
котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая
поршень (4), который приводит в движение колеса с кривошипом (5) и приводит в движение поезд (6). Паровая и тепловая энергия постоянно
выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ приведения в действие движущейся машины особенно неэффективным и неудобным. Но это было нормально в те дни, когда угля было много и никто особо не заботился о том, чтобы навредить планете.

Много проблем с паром
двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел
из-за чего пар работает под высоким давлением и существует риск
что он может взорваться (взрывы котлов
были серьезной проблемой с очень ранними паровыми
двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то
расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется, получая тепло от
один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, еще достаточно горячий,
поэтому он содержит потраченную впустую энергию. В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из
цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные
количества воды, а также топлива. (Вот почему паровозы имеют
продолжать останавливаться у цистерн с водой на обочине пути. )

Рекламные ссылки

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы разработать двигатель, преодолевающий эти
проблемы? Предположим, мы избавились от котла (что решило бы
опасность взрыва) и использовать тепло от огня для питания
двигатель напрямую. Тогда вместо использования пара для перемещения тепловой энергии
от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к
огонь и использовать обычный воздух (или какой-либо другой простой газ) для перемещения тепла
энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда
позвонил двигатели горячего воздуха .) Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то
один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию
от огня и выпуская его в цилиндр, решаем проблему
двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет
добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно
и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в
повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми
Двигатель Стирлинга совершенствует паровой двигатель. Вы будете иногда видеть
Двигатели Стирлинга, описываемые как «замкнутый цикл с рекуперацией тепла».
двигатели», что является очень кратким способом выразить то, что мы только что сказали:
замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для возврата тепла
и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они
использовать теплообменники для сохранения части тепла, которое в противном случае
теряться при каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровой машине).

Простой или сложный?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же верно, как и
великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности,
но богаче, сложнее и потенциально очень запутанно, пока вы действительно не разберетесь с ними.
Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube.
показать, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, который он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычной паровой машине.

В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала рассмотрев содержащиеся в нем детали, затем подумав, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.

Фото: Небольшой, компактный двигатель Стирлинга, подобный этому, может работать от крошечного
разницы в тепле — даже когда человек отдыхает на чьих-то руках и убегает от содержащегося в них тепла. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как
вытесняющий (или рабочий объем) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Вот основные части:

Источник тепла

Источник тепла — это место, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь.
огонь солнечному зеркалу, концентрирующему тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга называются двигателями внешнего сгорания, они не
должны вообще использовать горение (фактическое сжигание топлива): они
просто нужна разница температур между источником тепла
(откуда поступает энергия) и радиатор (куда она попадает).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга теплом от чашки кофе,
теплую чью-то ладонь или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, вырабатываемая двигателем, исходит от любой разницы температур между источником тепла и источником тепла.
раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на
что-то вроде чашки кофе, просто потому, что она содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.

Газ

Объем газа постоянно запечатан внутри машины в закрытом цилиндре. Это может быть обычный воздух,
водород, гелий или другое легкодоступное вещество,
остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия
операций, через которые он проходит). Его единственное назначение — перемещение тепловой энергии
от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, приводящий в движение машину, а затем снова вернуться к
набери еще. Газ, перемещающий тепло, иногда называют рабочим телом.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это
какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который
выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один
из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей. В общей конструкции, называемой
двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, там два одинаковых поршня и цилиндра и газовые челноки сзади
и далее между ними, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторяется.

В другой конструкции, показанной здесь, называемой двигателем Стирлинга с рабочим объемом (или бета-версией), имеется один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором.
В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем).
край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашенный в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение
независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое
маховик прикреплен к сборке
импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся,
но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) впереди рабочего поршня.

Теплообменник

Теплообменник, также известный как регенератор, находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла.
на котором держится регенератор. Когда газ движется назад, он снова забирает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно.
в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга
иметь несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга?

Вкратце

Подобно паровому двигателю или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга
двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя
ряд основных операций, известный как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга вытеснительного типа.
На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит вот что.
газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно. Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для привода машины, которую приводит в действие двигатель, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа зеленого поршня вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны цилиндра (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к приемнику и ее преобразование в полезную механическую работу.

Подробно

1. Охлаждение и сжатие: Большая часть газа (показана синими квадратами) находится справа на более холодном конце цилиндра. По мере того как он охлаждается и сжимается, отдавая часть своего тепла, которое отводится радиатором, оба поршня движутся внутрь (к центру).
2. Перенос и регенерация: поршень вытеснителя перемещается вправо, а охлажденный газ движется вокруг него в более горячую часть цилиндра слева. Объем газа остается постоянным, поскольку он проходит обратно через регенератор (теплообменник), чтобы забрать часть тепла, которое он ранее выделил.
3. Нагрев и расширение: большая часть газа (показана красными квадратами) теперь находится слева в горячем конце цилиндра. Он нагревается от огня (или другого источника тепла), поэтому его давление повышается, и он расширяется, поглощая энергию. Когда газ расширяется, он толкает рабочий поршень вправо, который приводит в движение маховик и все, что приводит в действие двигатель. В этой части цикла двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (и совершает работу).
4. Перенос и охлаждение: поршень вытеснителя перемещается влево, а горячий газ движется вокруг него в более холодную часть цилиндра справа. Объем газа остается постоянным при прохождении через регенератор (теплообменник), отдавая по пути часть своей энергии. Теперь цикл завершен и готов повториться.

Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому, с чего начал, это несимметричный процесс: энергия постоянно удаляется от источника и накапливается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ совершает определенное
количество работы поршня при его расширении, но поршень совершает меньшую работу по сжатию охлажденного газа и возвращению его в исходное положение.

Теоретически

Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Зачем все эти отдельные ступени? Почему бы не сделать все это проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к).
Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (с сохранением тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.

Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:

1. Изотермическое (постоянная температура) сжатие: наша стадия (1) выше, где объем газа уменьшается, а давление увеличивается по мере того, как он сжимается. тепло в раковину.
2. Изоволюметрический (постоянный объем) нагрев: наша стадия (2) выше, на которой объем газа остается постоянным, когда он проходит обратно через регенератор и восстанавливает часть своего прежнего тепла.
3. Изотермическое (постоянная температура) расширение: наша стадия (3) выше, на которой газ поглощает энергию источника, его объем увеличивается, а давление уменьшается, а температура остается постоянной.
4. Изоволюметрическое (постоянного объема) охлаждение: вышеприведенная стадия (4), на которой объем газа остается постоянным при его прохождении через регенератор и охлаждении.

Реальный двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки этой статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом гораздо больше написано в статье Википедии о цикле Стирлинга.

Некоторые альтернативные анимации

• В Википедии есть еще одна анимация бета-версии двигателя Стирлинга
  (хоть и красиво нарисовано, за этим трудно уследить, потому что отдельные
  этапы не объясняются рядом).
• MIT также имеет приятную небольшую анимацию, но
  сопровождающее объяснение довольно минимально.
• Лучший из всех: отличная анимация и объяснение на
  Animated Engines, превосходный веб-сайт со множеством четких и понятных страниц о всевозможных других движках, которые стоит изучить. Мне нравится, что все двигатели нарисованы в одном и том же простом стиле, поэтому их легко сравнить.

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

Фото: Хотя инженеры пытались оснастить автомобили двигателями Стирлинга,
эксперименты были не такими успешными. Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость.
не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля
чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом фронте: будущие автомобили, скорее всего, будут оснащены электродвигателями или топливными элементами. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, которым требуется
непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-либо
горячее и что-то холодное. Они идеально подходят для солнечных электростанций, где
солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и
высокоэффективные комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ), которые должны производить стабильные поставки электроэнергии.
Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга.
используя их в качестве основы для компактного, домашнего электроснабжения
генератор под названием Beacon 10,
размером примерно с бытовую стиральную машину.

В обычном двигателе Стирлинга вы нагреваете до
горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу
и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора). Как только
электродвигатели можно использовать в качестве генераторов в обратном направлении, так что можно поставить
энергию в двигатель Стирлинга и запустить его в обратном направлении, эффективно
отвод тепла от радиатора и выброс его в
источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криоохладитель».
эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в
сверхпроводимость и
электронные исследования.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Фото: Чистый, экологичный, безопасный, эффективный и компактный — двигателей Стирлинга много
преимущества. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за
замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет
котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в снабжении водой и не
имеют сложную систему открывания и закрывания клапанов,
двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише паровых двигателей, и потому что
они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей,
которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов
разное топливо.

С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это
требуется время, чтобы важнейший теплообменник прогрелся, а маховик
разгоняются) и они не так хорошо работают в режиме стоп-старт (в отличие от двигателей внутреннего сгорания
двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло.
что делает их непригодными для некоторых приложений.

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

Иллюстрация: это иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года).
напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших
чугунные «воздушные сосуды» слева горячие внизу и холодные вверху
(источник тепла и радиатор), и поршни вытеснителя перемещаются внутри них вперед и назад.
Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик.
Работа из книги «История и прогресс парового двигателя» Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.

Неудивительно, что Стирлинг
двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт
Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и
эффективнее паровых двигателей, разработанных
около века назад Томасом Ньюкоменом (и позже улучшенным
Джеймс Уотт и др.). Появление двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных двигателей)
Двигатели Стирлинга отошли на второй план, хотя они были заново открыты
Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они
становятся популярными в солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии.
энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология
получил еще один импульс в 1980-е, когда Иво Колин
из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новую,
очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между
источник тепла и поглотитель.

Подробнее

На этом сайте

• Дизельные двигатели
• Энергия
• Двигатели
• Бензиновые двигатели
• Тепло
• Реактивные двигатели
• Паровые машины

Статьи

Новости

• Металлический порошок: новое безуглеродное топливо? Александр Хеллеманс, IEEE Spectrum, 16 декабря 2015 г. Как двигатели Стирлинга (приводимые в действие металлическими
  топливо) может сыграть свою роль в чистом, зеленом будущем.
• Дин Кеймен думает, что его новый двигатель Стирлинга избавит вас от сети менее чем за 10 тысяч долларов, Кристофер Хелман. Forbes, 2 июля 2014 г. Краткое введение в генератор Камена Beacon 10.
• Новый ядерный двигатель может использоваться для исследования дальнего космоса Адама Манна. Wired, 27 ноября 2012 г. НАСА исследует ядерный двигатель Стирлинга, который может питать космические зонды в местах, где солнечный свет (и солнечная энергия) недоступен.
• Ford Motors испытывает потенциальный двигатель будущего, Ричард Уиткин. The New York Times, 3 ноября 1975 г. Отчет из архива Times о первых испытаниях Форда двигателей Стирлинга.
• Империя вне сети автора Салли Ади. IEEE Spectrum, 31 июля 2009 г. Как двигатели Стирлинга и возобновляемые технологии помогают Дину Кеймену жить в автономном режиме на собственном частном острове.

Более академический

• Двигатель Стирлинга Грэма Уокера, Scientific American, Vol. 229, № 2 (август 1973 г.), стр. 80–87. Хорошие иллюстрации различных конфигураций Стирлинга, включая Ванкеля, Ринии и другие варианты.
• Двигатель Стирлинга: «Циклическая жизнь» старой технологии Райнхольда Бауэра, Icon, Vol. 15 (2009), стр. 108–118. Почему двигатели Стирлинга так и не стали коммерчески популярными? Теперь перспективы для них лучше?

Книги

Двигатели Стирлинга

• Механический КПД тепловых двигателей Джеймс Р. Сенфт. Cambridge University Press, 2007. Подробное термодинамическое исследование тепловых двигателей, включая двигатели Стирлинга.
• Двигатели Стирлинга и горячего воздуха: проектирование и создание экспериментальных моделей двигателей Стирлинга Роя Дарлингтона и Кейта Стронга. The Crowood Press, 2005. Практическое руководство по двигателям Стирлинга для модельеров.
• Введение в двигатели Стирлинга Джеймса Р. Сенфта. Moriya Press, 1993. Краткое объяснение теории одного из пионеров современных двигателей.
• История и развитие парового двигателя Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667 и далее. Подробное описание «Патентного воздушного двигателя», основанное на оригинальном патенте Роберта Стирлинга и (очень приблизительно) современное ему.

Термодинамика двигателей

• Двигатели: введение Джона Лиска Ламли.
  Издательство Кембриджского университета, 1999. Хотя это касается двигателей внутреннего сгорания, это будет интересно, если вы ищете термодинамический подход к анализу двигателей.
• Термодинамика для чайников, Майк Паукен. Джон Уайли и сыновья. Простое введение в теорию термодинамики и ее практическое применение к таким вещам, как двигатели.

Видео

• Пример двигателя Стирлинга: двухминутная демонстрация настоящей бета-версии двигателя Стирлинга, подобной той, что показана в моей анимации выше.
• Двигатель Стирлинга: разборка: Дэн Рохас разбирает двигатель Стирлинга и показывает вам, что внутри. Это видео станет еще более понятным, если вы поймете теорию двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте.

..

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда
• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работают двигатели Стирлинга?

Как работают двигатели Стирлинга? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Двигатели Стирлинга

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.

Двигатели питают наш мир с момента
Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем
более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время
реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что
использует разницу между высокой температурой и низкой
один — не изменился за пару сотен лет, хотя
иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые
сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы
возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга,
что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар!
Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова.
снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде
Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они
с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования
Возобновляемая энергия. На этом фото вы можете увидеть массив зеркал
концентрируя солнечное тепло на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество.
Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Содержание

1. Что такое двигатель?
2. Что такое двигатель Стирлинга?
3. Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?
4. Как работает двигатель Стирлинга?
5. Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?
6. Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга
7. Кто изобрел двигатели Стирлинга?
8. Узнать больше

Что такое двигатель?

Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины
являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят
богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для высвобождения
тепловая энергия, которая используется для производства
газ расширится и остынет, нажми на поршень,
крутить руль и водить машину. Двигатели бывают двух основных типов:
двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят
топливо в одном месте и производить энергию в другой части
та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели)
сжигать топливо и производить мощность точно в одном месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Оба
типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем
остывать. Чем больше разница температур (между газом при
самое горячее и самое холодное), тем лучше работает двигатель. Теория того, как
работа двигателя основана на науке термодинамики
(буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются.
газ в серии шагов, называемых циклом.

Хорошие и плохие двигатели

Прежде чем мы узнаем, что же такого хорошего в
Двигатели Стирлинга, это поможет, если мы узнаем, что так плохо
Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает
воды, пока она не закипит и не сделает пар. Пар идет по трубе
в цилиндр через открытый впускной клапан, где он толкает поршень
и водит колесо. Затем впускной клапан закрывается, а выпускной клапан
открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в
цилиндр, где он выталкивает охлажденный ненужный пар через
выйти и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Фото: Примеры паровых двигателей, таких как в этом локомотиве
двигателей внешнего сгорания. Огонь, дающий энергию при сгорании (1), находится снаружи (вне)
цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть
котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая
поршень (4), который приводит в движение колеса с кривошипом (5) и приводит в движение поезд (6). Паровая и тепловая энергия постоянно
выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ приведения в действие движущейся машины особенно неэффективным и неудобным. Но это было нормально в те дни, когда угля было много и никто особо не заботился о том, чтобы навредить планете.

Много проблем с паром
двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел
из-за чего пар работает под высоким давлением и существует риск
что он может взорваться (взрывы котлов
были серьезной проблемой с очень ранними паровыми
двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то
расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется, получая тепло от
один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, еще достаточно горячий,
поэтому он содержит потраченную впустую энергию. В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из
цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные
количества воды, а также топлива. (Вот почему паровозы имеют
продолжать останавливаться у цистерн с водой на обочине пути.)

Рекламные ссылки

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы разработать двигатель, преодолевающий эти
проблемы? Предположим, мы избавились от котла (что решило бы
опасность взрыва) и использовать тепло от огня для питания
двигатель напрямую. Тогда вместо использования пара для перемещения тепловой энергии
от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к
огонь и использовать обычный воздух (или какой-либо другой простой газ) для перемещения тепла
энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда
позвонил двигатели горячего воздуха .) Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то
один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию
от огня и выпуская его в цилиндр, решаем проблему
двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет
добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно
и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в
повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми
Двигатель Стирлинга совершенствует паровой двигатель. Вы будете иногда видеть
Двигатели Стирлинга, описываемые как «замкнутый цикл с рекуперацией тепла».
двигатели», что является очень кратким способом выразить то, что мы только что сказали:
замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для возврата тепла
и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они
использовать теплообменники для сохранения части тепла, которое в противном случае
теряться при каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровой машине).

Простой или сложный?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же верно, как и
великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности,
но богаче, сложнее и потенциально очень запутанно, пока вы действительно не разберетесь с ними.
Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube.
показать, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, который он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычной паровой машине.

В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала рассмотрев содержащиеся в нем детали, затем подумав, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.

Фото: Небольшой, компактный двигатель Стирлинга, подобный этому, может работать от крошечного
разницы в тепле — даже когда человек отдыхает на чьих-то руках и убегает от содержащегося в них тепла. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как
вытесняющий (или рабочий объем) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Вот основные части:

Источник тепла

Источник тепла — это место, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь.
огонь солнечному зеркалу, концентрирующему тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга называются двигателями внешнего сгорания, они не
должны вообще использовать горение (фактическое сжигание топлива): они
просто нужна разница температур между источником тепла
(откуда поступает энергия) и радиатор (куда она попадает).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга теплом от чашки кофе,
теплую чью-то ладонь или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, вырабатываемая двигателем, исходит от любой разницы температур между источником тепла и источником тепла.
раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на
что-то вроде чашки кофе, просто потому, что она содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.

Газ

Объем газа постоянно запечатан внутри машины в закрытом цилиндре. Это может быть обычный воздух,
водород, гелий или другое легкодоступное вещество,
остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия
операций, через которые он проходит). Его единственное назначение — перемещение тепловой энергии
от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, приводящий в движение машину, а затем снова вернуться к
набери еще. Газ, перемещающий тепло, иногда называют рабочим телом.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это
какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который
выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один
из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей. В общей конструкции, называемой
двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, там два одинаковых поршня и цилиндра и газовые челноки сзади
и далее между ними, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторяется.

В другой конструкции, показанной здесь, называемой двигателем Стирлинга с рабочим объемом (или бета-версией), имеется один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором.
В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем).
край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашенный в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение
независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое
маховик прикреплен к сборке
импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся,
но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) впереди рабочего поршня.

Теплообменник

Теплообменник, также известный как регенератор, находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла.
на котором держится регенератор. Когда газ движется назад, он снова забирает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно.
в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга
иметь несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга?

Вкратце

Подобно паровому двигателю или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга
двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя
ряд основных операций, известный как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга вытеснительного типа.
На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит вот что.
газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно. Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для привода машины, которую приводит в действие двигатель, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа зеленого поршня вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны цилиндра (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к приемнику и ее преобразование в полезную механическую работу.

Подробно

1. Охлаждение и сжатие: Большая часть газа (показана синими квадратами) находится справа на более холодном конце цилиндра. По мере того как он охлаждается и сжимается, отдавая часть своего тепла, которое отводится радиатором, оба поршня движутся внутрь (к центру).
2. Перенос и регенерация: поршень вытеснителя перемещается вправо, а охлажденный газ движется вокруг него в более горячую часть цилиндра слева. Объем газа остается постоянным, поскольку он проходит обратно через регенератор (теплообменник), чтобы забрать часть тепла, которое он ранее выделил.
3. Нагрев и расширение: большая часть газа (показана красными квадратами) теперь находится слева в горячем конце цилиндра. Он нагревается от огня (или другого источника тепла), поэтому его давление повышается, и он расширяется, поглощая энергию. Когда газ расширяется, он толкает рабочий поршень вправо, который приводит в движение маховик и все, что приводит в действие двигатель. В этой части цикла двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (и совершает работу).
4. Перенос и охлаждение: поршень вытеснителя перемещается влево, а горячий газ движется вокруг него в более холодную часть цилиндра справа. Объем газа остается постоянным при прохождении через регенератор (теплообменник), отдавая по пути часть своей энергии. Теперь цикл завершен и готов повториться.

Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому, с чего начал, это несимметричный процесс: энергия постоянно удаляется от источника и накапливается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ совершает определенное
количество работы поршня при его расширении, но поршень совершает меньшую работу по сжатию охлажденного газа и возвращению его в исходное положение.

Теоретически

Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Зачем все эти отдельные ступени? Почему бы не сделать все это проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к).
Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (с сохранением тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.

Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:

1. Изотермическое (постоянная температура) сжатие: наша стадия (1) выше, где объем газа уменьшается, а давление увеличивается по мере того, как он сжимается. тепло в раковину.
2. Изоволюметрический (постоянный объем) нагрев: наша стадия (2) выше, на которой объем газа остается постоянным, когда он проходит обратно через регенератор и восстанавливает часть своего прежнего тепла.
3. Изотермическое (постоянная температура) расширение: наша стадия (3) выше, на которой газ поглощает энергию источника, его объем увеличивается, а давление уменьшается, а температура остается постоянной.
4. Изоволюметрическое (постоянного объема) охлаждение: вышеприведенная стадия (4), на которой объем газа остается постоянным при его прохождении через регенератор и охлаждении.

Реальный двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки этой статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом гораздо больше написано в статье Википедии о цикле Стирлинга.

Некоторые альтернативные анимации

• В Википедии есть еще одна анимация бета-версии двигателя Стирлинга
  (хоть и красиво нарисовано, за этим трудно уследить, потому что отдельные
  этапы не объясняются рядом).
• MIT также имеет приятную небольшую анимацию, но
  сопровождающее объяснение довольно минимально.
• Лучший из всех: отличная анимация и объяснение на
  Animated Engines, превосходный веб-сайт со множеством четких и понятных страниц о всевозможных других движках, которые стоит изучить. Мне нравится, что все двигатели нарисованы в одном и том же простом стиле, поэтому их легко сравнить.

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

Фото: Хотя инженеры пытались оснастить автомобили двигателями Стирлинга,
эксперименты были не такими успешными. Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость.
не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля
чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом фронте: будущие автомобили, скорее всего, будут оснащены электродвигателями или топливными элементами. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, которым требуется
непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-либо
горячее и что-то холодное. Они идеально подходят для солнечных электростанций, где
солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и
высокоэффективные комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ), которые должны производить стабильные поставки электроэнергии.
Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга.
используя их в качестве основы для компактного, домашнего электроснабжения
генератор под названием Beacon 10,
размером примерно с бытовую стиральную машину.

В обычном двигателе Стирлинга вы нагреваете до
горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу
и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора). Как только
электродвигатели можно использовать в качестве генераторов в обратном направлении, так что можно поставить
энергию в двигатель Стирлинга и запустить его в обратном направлении, эффективно
отвод тепла от радиатора и выброс его в
источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криоохладитель».
эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в
сверхпроводимость и
электронные исследования.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Фото: Чистый, экологичный, безопасный, эффективный и компактный — двигателей Стирлинга много
преимущества. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за
замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет
котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в снабжении водой и не
имеют сложную систему открывания и закрывания клапанов,
двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише паровых двигателей, и потому что
они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей,
которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов
разное топливо.

С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это
требуется время, чтобы важнейший теплообменник прогрелся, а маховик
разгоняются) и они не так хорошо работают в режиме стоп-старт (в отличие от двигателей внутреннего сгорания
двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло.
что делает их непригодными для некоторых приложений.

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

Иллюстрация: это иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года).
напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших
чугунные «воздушные сосуды» слева горячие внизу и холодные вверху
(источник тепла и радиатор), и поршни вытеснителя перемещаются внутри них вперед и назад.
Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик.
Работа из книги «История и прогресс парового двигателя» Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.

Неудивительно, что Стирлинг
двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт
Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и
эффективнее паровых двигателей, разработанных
около века назад Томасом Ньюкоменом (и позже улучшенным
Джеймс Уотт и др.). Появление двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных двигателей)
Двигатели Стирлинга отошли на второй план, хотя они были заново открыты
Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они
становятся популярными в солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии.
энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология
получил еще один импульс в 1980-е, когда Иво Колин
из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новую,
очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между
источник тепла и поглотитель.

Подробнее

На этом сайте

• Дизельные двигатели
• Энергия
• Двигатели
• Бензиновые двигатели
• Тепло
• Реактивные двигатели
• Паровые машины

Статьи

Новости

• Металлический порошок: новое безуглеродное топливо? Александр Хеллеманс, IEEE Spectrum, 16 декабря 2015 г. Как двигатели Стирлинга (приводимые в действие металлическими
  топливо) может сыграть свою роль в чистом, зеленом будущем.
• Дин Кеймен думает, что его новый двигатель Стирлинга избавит вас от сети менее чем за 10 тысяч долларов, Кристофер Хелман. Forbes, 2 июля 2014 г. Краткое введение в генератор Камена Beacon 10.
• Новый ядерный двигатель может использоваться для исследования дальнего космоса Адама Манна. Wired, 27 ноября 2012 г. НАСА исследует ядерный двигатель Стирлинга, который может питать космические зонды в местах, где солнечный свет (и солнечная энергия) недоступен.
• Ford Motors испытывает потенциальный двигатель будущего, Ричард Уиткин. The New York Times, 3 ноября 1975 г. Отчет из архива Times о первых испытаниях Форда двигателей Стирлинга.
• Империя вне сети автора Салли Ади. IEEE Spectrum, 31 июля 2009 г. Как двигатели Стирлинга и возобновляемые технологии помогают Дину Кеймену жить в автономном режиме на собственном частном острове.

Более академический

• Двигатель Стирлинга Грэма Уокера, Scientific American, Vol. 229, № 2 (август 1973 г.), стр. 80–87. Хорошие иллюстрации различных конфигураций Стирлинга, включая Ванкеля, Ринии и другие варианты.
• Двигатель Стирлинга: «Циклическая жизнь» старой технологии Райнхольда Бауэра, Icon, Vol. 15 (2009), стр. 108–118. Почему двигатели Стирлинга так и не стали коммерчески популярными? Теперь перспективы для них лучше?

Книги

Двигатели Стирлинга

• Механический КПД тепловых двигателей Джеймс Р. Сенфт. Cambridge University Press, 2007. Подробное термодинамическое исследование тепловых двигателей, включая двигатели Стирлинга.
• Двигатели Стирлинга и горячего воздуха: проектирование и создание экспериментальных моделей двигателей Стирлинга Роя Дарлингтона и Кейта Стронга. The Crowood Press, 2005. Практическое руководство по двигателям Стирлинга для модельеров.
• Введение в двигатели Стирлинга Джеймса Р. Сенфта. Moriya Press, 1993. Краткое объяснение теории одного из пионеров современных двигателей.
• История и развитие парового двигателя Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667 и далее. Подробное описание «Патентного воздушного двигателя», основанное на оригинальном патенте Роберта Стирлинга и (очень приблизительно) современное ему.

Термодинамика двигателей

• Двигатели: введение Джона Лиска Ламли.
  Издательство Кембриджского университета, 1999. Хотя это касается двигателей внутреннего сгорания, это будет интересно, если вы ищете термодинамический подход к анализу двигателей.
• Термодинамика для чайников, Майк Паукен. Джон Уайли и сыновья. Простое введение в теорию термодинамики и ее практическое применение к таким вещам, как двигатели.

Видео

• Пример двигателя Стирлинга: двухминутная демонстрация настоящей бета-версии двигателя Стирлинга, подобной той, что показана в моей анимации выше.
• Двигатель Стирлинга: разборка: Дэн Рохас разбирает двигатель Стирлинга и показывает вам, что внутри. Это видео станет еще более понятным, если вы поймете теорию двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда
• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работают двигатели Стирлинга?

Как работают двигатели Стирлинга? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Двигатели Стирлинга

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.

Двигатели питают наш мир с момента
Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем
более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время
реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что
использует разницу между высокой температурой и низкой
один — не изменился за пару сотен лет, хотя
иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые
сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы
возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга,
что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар!
Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова.
снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде
Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они
с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования
Возобновляемая энергия. На этом фото вы можете увидеть массив зеркал
концентрируя солнечное тепло на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество.
Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Содержание

1. Что такое двигатель?
2. Что такое двигатель Стирлинга?
3. Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?
4. Как работает двигатель Стирлинга?
5. Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?
6. Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга
7. Кто изобрел двигатели Стирлинга?
8. Узнать больше

Что такое двигатель?

Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины
являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят
богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для высвобождения
тепловая энергия, которая используется для производства
газ расширится и остынет, нажми на поршень,
крутить руль и водить машину. Двигатели бывают двух основных типов:
двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят
топливо в одном месте и производить энергию в другой части
та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели)
сжигать топливо и производить мощность точно в одном месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Оба
типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем
остывать. Чем больше разница температур (между газом при
самое горячее и самое холодное), тем лучше работает двигатель. Теория того, как
работа двигателя основана на науке термодинамики
(буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются.
газ в серии шагов, называемых циклом.

Хорошие и плохие двигатели

Прежде чем мы узнаем, что же такого хорошего в
Двигатели Стирлинга, это поможет, если мы узнаем, что так плохо
Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает
воды, пока она не закипит и не сделает пар. Пар идет по трубе
в цилиндр через открытый впускной клапан, где он толкает поршень
и водит колесо. Затем впускной клапан закрывается, а выпускной клапан
открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в
цилиндр, где он выталкивает охлажденный ненужный пар через
выйти и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Фото: Примеры паровых двигателей, таких как в этом локомотиве
двигателей внешнего сгорания. Огонь, дающий энергию при сгорании (1), находится снаружи (вне)
цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть
котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая
поршень (4), который приводит в движение колеса с кривошипом (5) и приводит в движение поезд (6). Паровая и тепловая энергия постоянно
выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ приведения в действие движущейся машины особенно неэффективным и неудобным. Но это было нормально в те дни, когда угля было много и никто особо не заботился о том, чтобы навредить планете.

Много проблем с паром
двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел
из-за чего пар работает под высоким давлением и существует риск
что он может взорваться (взрывы котлов
были серьезной проблемой с очень ранними паровыми
двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то
расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется, получая тепло от
один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, еще достаточно горячий,
поэтому он содержит потраченную впустую энергию. В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из
цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные
количества воды, а также топлива. (Вот почему паровозы имеют
продолжать останавливаться у цистерн с водой на обочине пути. )

Рекламные ссылки

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы разработать двигатель, преодолевающий эти
проблемы? Предположим, мы избавились от котла (что решило бы
опасность взрыва) и использовать тепло от огня для питания
двигатель напрямую. Тогда вместо использования пара для перемещения тепловой энергии
от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к
огонь и использовать обычный воздух (или какой-либо другой простой газ) для перемещения тепла
энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда
позвонил двигатели горячего воздуха .) Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то
один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию
от огня и выпуская его в цилиндр, решаем проблему
двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет
добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно
и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в
повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми
Двигатель Стирлинга совершенствует паровой двигатель. Вы будете иногда видеть
Двигатели Стирлинга, описываемые как «замкнутый цикл с рекуперацией тепла».
двигатели», что является очень кратким способом выразить то, что мы только что сказали:
замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для возврата тепла
и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они
использовать теплообменники для сохранения части тепла, которое в противном случае
теряться при каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровой машине).

Простой или сложный?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же верно, как и
великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности,
но богаче, сложнее и потенциально очень запутанно, пока вы действительно не разберетесь с ними.
Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube.
показать, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, который он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычной паровой машине.

В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала рассмотрев содержащиеся в нем детали, затем подумав, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.

Фото: Небольшой, компактный двигатель Стирлинга, подобный этому, может работать от крошечного
разницы в тепле — даже когда человек отдыхает на чьих-то руках и убегает от содержащегося в них тепла. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как
вытесняющий (или рабочий объем) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Вот основные части:

Источник тепла

Источник тепла — это место, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь.
огонь солнечному зеркалу, концентрирующему тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга называются двигателями внешнего сгорания, они не
должны вообще использовать горение (фактическое сжигание топлива): они
просто нужна разница температур между источником тепла
(откуда поступает энергия) и радиатор (куда она попадает).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга теплом от чашки кофе,
теплую чью-то ладонь или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, вырабатываемая двигателем, исходит от любой разницы температур между источником тепла и источником тепла.
раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на
что-то вроде чашки кофе, просто потому, что она содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.

Газ

Объем газа постоянно запечатан внутри машины в закрытом цилиндре. Это может быть обычный воздух,
водород, гелий или другое легкодоступное вещество,
остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия
операций, через которые он проходит). Его единственное назначение — перемещение тепловой энергии
от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, приводящий в движение машину, а затем снова вернуться к
набери еще. Газ, перемещающий тепло, иногда называют рабочим телом.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это
какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который
выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один
из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей. В общей конструкции, называемой
двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, там два одинаковых поршня и цилиндра и газовые челноки сзади
и далее между ними, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторяется.

В другой конструкции, показанной здесь, называемой двигателем Стирлинга с рабочим объемом (или бета-версией), имеется один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором.
В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем).
край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашенный в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение
независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое
маховик прикреплен к сборке
импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся,
но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) впереди рабочего поршня.

Теплообменник

Теплообменник, также известный как регенератор, находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла.
на котором держится регенератор. Когда газ движется назад, он снова забирает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно.
в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга
иметь несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга?

Вкратце

Подобно паровому двигателю или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга
двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя
ряд основных операций, известный как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга вытеснительного типа.
На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит вот что.
газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно. Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для привода машины, которую приводит в действие двигатель, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа зеленого поршня вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны цилиндра (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к приемнику и ее преобразование в полезную механическую работу.

Подробно

1. Охлаждение и сжатие: Большая часть газа (показана синими квадратами) находится справа на более холодном конце цилиндра. По мере того как он охлаждается и сжимается, отдавая часть своего тепла, которое отводится радиатором, оба поршня движутся внутрь (к центру).
2. Перенос и регенерация: поршень вытеснителя перемещается вправо, а охлажденный газ движется вокруг него в более горячую часть цилиндра слева. Объем газа остается постоянным, поскольку он проходит обратно через регенератор (теплообменник), чтобы забрать часть тепла, которое он ранее выделил.
3. Нагрев и расширение: большая часть газа (показана красными квадратами) теперь находится слева в горячем конце цилиндра. Он нагревается от огня (или другого источника тепла), поэтому его давление повышается, и он расширяется, поглощая энергию. Когда газ расширяется, он толкает рабочий поршень вправо, который приводит в движение маховик и все, что приводит в действие двигатель. В этой части цикла двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (и совершает работу).
4. Перенос и охлаждение: поршень вытеснителя перемещается влево, а горячий газ движется вокруг него в более холодную часть цилиндра справа. Объем газа остается постоянным при прохождении через регенератор (теплообменник), отдавая по пути часть своей энергии. Теперь цикл завершен и готов повториться.

Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому, с чего начал, это несимметричный процесс: энергия постоянно удаляется от источника и накапливается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ совершает определенное
количество работы поршня при его расширении, но поршень совершает меньшую работу по сжатию охлажденного газа и возвращению его в исходное положение.

Теоретически

Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Зачем все эти отдельные ступени? Почему бы не сделать все это проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к).
Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (с сохранением тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.

Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:

1. Изотермическое (постоянная температура) сжатие: наша стадия (1) выше, где объем газа уменьшается, а давление увеличивается по мере того, как он сжимается. тепло в раковину.
2. Изоволюметрический (постоянный объем) нагрев: наша стадия (2) выше, на которой объем газа остается постоянным, когда он проходит обратно через регенератор и восстанавливает часть своего прежнего тепла.
3. Изотермическое (постоянная температура) расширение: наша стадия (3) выше, на которой газ поглощает энергию источника, его объем увеличивается, а давление уменьшается, а температура остается постоянной.
4. Изоволюметрическое (постоянного объема) охлаждение: вышеприведенная стадия (4), на которой объем газа остается постоянным при его прохождении через регенератор и охлаждении.

Реальный двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки этой статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом гораздо больше написано в статье Википедии о цикле Стирлинга.

Некоторые альтернативные анимации

• В Википедии есть еще одна анимация бета-версии двигателя Стирлинга
  (хоть и красиво нарисовано, за этим трудно уследить, потому что отдельные
  этапы не объясняются рядом).
• MIT также имеет приятную небольшую анимацию, но
  сопровождающее объяснение довольно минимально.
• Лучший из всех: отличная анимация и объяснение на
  Animated Engines, превосходный веб-сайт со множеством четких и понятных страниц о всевозможных других движках, которые стоит изучить. Мне нравится, что все двигатели нарисованы в одном и том же простом стиле, поэтому их легко сравнить.

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

Фото: Хотя инженеры пытались оснастить автомобили двигателями Стирлинга,
эксперименты были не такими успешными. Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость.
не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля
чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом фронте: будущие автомобили, скорее всего, будут оснащены электродвигателями или топливными элементами. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, которым требуется
непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-либо
горячее и что-то холодное. Они идеально подходят для солнечных электростанций, где
солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и
высокоэффективные комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ), которые должны производить стабильные поставки электроэнергии.
Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга.
используя их в качестве основы для компактного, домашнего электроснабжения
генератор под названием Beacon 10,
размером примерно с бытовую стиральную машину.

В обычном двигателе Стирлинга вы нагреваете до
горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу
и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора). Как только
электродвигатели можно использовать в качестве генераторов в обратном направлении, так что можно поставить
энергию в двигатель Стирлинга и запустить его в обратном направлении, эффективно
отвод тепла от радиатора и выброс его в
источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криоохладитель».
эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в
сверхпроводимость и
электронные исследования.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Фото: Чистый, экологичный, безопасный, эффективный и компактный — двигателей Стирлинга много
преимущества. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за
замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет
котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в снабжении водой и не
имеют сложную систему открывания и закрывания клапанов,
двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише паровых двигателей, и потому что
они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей,
которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов
разное топливо.

С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это
требуется время, чтобы важнейший теплообменник прогрелся, а маховик
разгоняются) и они не так хорошо работают в режиме стоп-старт (в отличие от двигателей внутреннего сгорания
двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло.
что делает их непригодными для некоторых приложений.

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

Иллюстрация: это иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года).
напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших
чугунные «воздушные сосуды» слева горячие внизу и холодные вверху
(источник тепла и радиатор), и поршни вытеснителя перемещаются внутри них вперед и назад.
Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик.
Работа из книги «История и прогресс парового двигателя» Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.

Неудивительно, что Стирлинг
двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт
Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и
эффективнее паровых двигателей, разработанных
около века назад Томасом Ньюкоменом (и позже улучшенным
Джеймс Уотт и др.). Появление двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных двигателей)
Двигатели Стирлинга отошли на второй план, хотя они были заново открыты
Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они
становятся популярными в солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии.
энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология
получил еще один импульс в 1980-е, когда Иво Колин
из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новую,
очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между
источник тепла и поглотитель.

Подробнее

На этом сайте

• Дизельные двигатели
• Энергия
• Двигатели
• Бензиновые двигатели
• Тепло
• Реактивные двигатели
• Паровые машины

Статьи

Новости

• Металлический порошок: новое безуглеродное топливо? Александр Хеллеманс, IEEE Spectrum, 16 декабря 2015 г. Как двигатели Стирлинга (приводимые в действие металлическими
  топливо) может сыграть свою роль в чистом, зеленом будущем.
• Дин Кеймен думает, что его новый двигатель Стирлинга избавит вас от сети менее чем за 10 тысяч долларов, Кристофер Хелман. Forbes, 2 июля 2014 г. Краткое введение в генератор Камена Beacon 10.
• Новый ядерный двигатель может использоваться для исследования дальнего космоса Адама Манна. Wired, 27 ноября 2012 г. НАСА исследует ядерный двигатель Стирлинга, который может питать космические зонды в местах, где солнечный свет (и солнечная энергия) недоступен.
• Ford Motors испытывает потенциальный двигатель будущего, Ричард Уиткин. The New York Times, 3 ноября 1975 г. Отчет из архива Times о первых испытаниях Форда двигателей Стирлинга.
• Империя вне сети автора Салли Ади. IEEE Spectrum, 31 июля 2009 г. Как двигатели Стирлинга и возобновляемые технологии помогают Дину Кеймену жить в автономном режиме на собственном частном острове.

Более академический

• Двигатель Стирлинга Грэма Уокера, Scientific American, Vol. 229, № 2 (август 1973 г.), стр. 80–87. Хорошие иллюстрации различных конфигураций Стирлинга, включая Ванкеля, Ринии и другие варианты.
• Двигатель Стирлинга: «Циклическая жизнь» старой технологии Райнхольда Бауэра, Icon, Vol. 15 (2009), стр. 108–118. Почему двигатели Стирлинга так и не стали коммерчески популярными? Теперь перспективы для них лучше?

Книги

Двигатели Стирлинга

• Механический КПД тепловых двигателей Джеймс Р. Сенфт. Cambridge University Press, 2007. Подробное термодинамическое исследование тепловых двигателей, включая двигатели Стирлинга.
• Двигатели Стирлинга и горячего воздуха: проектирование и создание экспериментальных моделей двигателей Стирлинга Роя Дарлингтона и Кейта Стронга. The Crowood Press, 2005. Практическое руководство по двигателям Стирлинга для модельеров.
• Введение в двигатели Стирлинга Джеймса Р. Сенфта. Moriya Press, 1993. Краткое объяснение теории одного из пионеров современных двигателей.
• История и развитие парового двигателя Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667 и далее. Подробное описание «Патентного воздушного двигателя», основанное на оригинальном патенте Роберта Стирлинга и (очень приблизительно) современное ему.

Термодинамика двигателей

• Двигатели: введение Джона Лиска Ламли.
  Издательство Кембриджского университета, 1999. Хотя это касается двигателей внутреннего сгорания, это будет интересно, если вы ищете термодинамический подход к анализу двигателей.
• Термодинамика для чайников, Майк Паукен. Джон Уайли и сыновья. Простое введение в теорию термодинамики и ее практическое применение к таким вещам, как двигатели.

Видео

• Пример двигателя Стирлинга: двухминутная демонстрация настоящей бета-версии двигателя Стирлинга, подобной той, что показана в моей анимации выше.
• Двигатель Стирлинга: разборка: Дэн Рохас разбирает двигатель Стирлинга и показывает вам, что внутри. Это видео станет еще более понятным, если вы поймете теорию двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте.

..

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда
• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Как работают двигатели Стирлинга?

Как работают двигатели Стирлинга? — Объясните этот материал

Вы здесь:
Домашняя страница >
Инжиниринг >
Двигатели Стирлинга

• Дом
• индекс А-Я
• Случайная статья
• Хронология
• Учебное пособие
• О нас
• Конфиденциальность и файлы cookie

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.

Двигатели питают наш мир с момента
Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем
более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время
реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что
использует разницу между высокой температурой и низкой
один — не изменился за пару сотен лет, хотя
иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые
сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы
возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга,
что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар!
Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова.
снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде
Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они
с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования
Возобновляемая энергия. На этом фото вы можете увидеть массив зеркал
концентрируя солнечное тепло на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество.
Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Содержание

1. Что такое двигатель?
2. Что такое двигатель Стирлинга?
3. Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?
4. Как работает двигатель Стирлинга?
5. Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?
6. Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга
7. Кто изобрел двигатели Стирлинга?
8. Узнать больше

Что такое двигатель?

Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины
являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят
богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для высвобождения
тепловая энергия, которая используется для производства
газ расширится и остынет, нажми на поршень,
крутить руль и водить машину. Двигатели бывают двух основных типов:
двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят
топливо в одном месте и производить энергию в другой части
та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели)
сжигать топливо и производить мощность точно в одном месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Оба
типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем
остывать. Чем больше разница температур (между газом при
самое горячее и самое холодное), тем лучше работает двигатель. Теория того, как
работа двигателя основана на науке термодинамики
(буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются.
газ в серии шагов, называемых циклом.

Хорошие и плохие двигатели

Прежде чем мы узнаем, что же такого хорошего в
Двигатели Стирлинга, это поможет, если мы узнаем, что так плохо
Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает
воды, пока она не закипит и не сделает пар. Пар идет по трубе
в цилиндр через открытый впускной клапан, где он толкает поршень
и водит колесо. Затем впускной клапан закрывается, а выпускной клапан
открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в
цилиндр, где он выталкивает охлажденный ненужный пар через
выйти и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Фото: Примеры паровых двигателей, таких как в этом локомотиве
двигателей внешнего сгорания. Огонь, дающий энергию при сгорании (1), находится снаружи (вне)
цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть
котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая
поршень (4), который приводит в движение колеса с кривошипом (5) и приводит в движение поезд (6). Паровая и тепловая энергия постоянно
выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ приведения в действие движущейся машины особенно неэффективным и неудобным. Но это было нормально в те дни, когда угля было много и никто особо не заботился о том, чтобы навредить планете.

Много проблем с паром
двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел
из-за чего пар работает под высоким давлением и существует риск
что он может взорваться (взрывы котлов
были серьезной проблемой с очень ранними паровыми
двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то
расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется, получая тепло от
один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, еще достаточно горячий,
поэтому он содержит потраченную впустую энергию. В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из
цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные
количества воды, а также топлива. (Вот почему паровозы имеют
продолжать останавливаться у цистерн с водой на обочине пути.)

Рекламные ссылки

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы разработать двигатель, преодолевающий эти
проблемы? Предположим, мы избавились от котла (что решило бы
опасность взрыва) и использовать тепло от огня для питания
двигатель напрямую. Тогда вместо использования пара для перемещения тепловой энергии
от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к
огонь и использовать обычный воздух (или какой-либо другой простой газ) для перемещения тепла
энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда
позвонил двигатели горячего воздуха .) Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то
один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию
от огня и выпуская его в цилиндр, решаем проблему
двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет
добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно
и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в
повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми
Двигатель Стирлинга совершенствует паровой двигатель. Вы будете иногда видеть
Двигатели Стирлинга, описываемые как «замкнутый цикл с рекуперацией тепла».
двигатели», что является очень кратким способом выразить то, что мы только что сказали:
замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для возврата тепла
и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они
использовать теплообменники для сохранения части тепла, которое в противном случае
теряться при каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровой машине).

Простой или сложный?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же верно, как и
великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности,
но богаче, сложнее и потенциально очень запутанно, пока вы действительно не разберетесь с ними.
Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube.
показать, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, который он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычной паровой машине.

В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала рассмотрев содержащиеся в нем детали, затем подумав, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.

Фото: Небольшой, компактный двигатель Стирлинга, подобный этому, может работать от крошечного
разницы в тепле — даже когда человек отдыхает на чьих-то руках и убегает от содержащегося в них тепла. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как
вытесняющий (или рабочий объем) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Вот основные части:

Источник тепла

Источник тепла — это место, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь.
огонь солнечному зеркалу, концентрирующему тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга называются двигателями внешнего сгорания, они не
должны вообще использовать горение (фактическое сжигание топлива): они
просто нужна разница температур между источником тепла
(откуда поступает энергия) и радиатор (куда она попадает).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга теплом от чашки кофе,
теплую чью-то ладонь или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, вырабатываемая двигателем, исходит от любой разницы температур между источником тепла и источником тепла.
раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на
что-то вроде чашки кофе, просто потому, что она содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.

Газ

Объем газа постоянно запечатан внутри машины в закрытом цилиндре. Это может быть обычный воздух,
водород, гелий или другое легкодоступное вещество,
остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия
операций, через которые он проходит). Его единственное назначение — перемещение тепловой энергии
от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, приводящий в движение машину, а затем снова вернуться к
набери еще. Газ, перемещающий тепло, иногда называют рабочим телом.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это
какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который
выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один
из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей. В общей конструкции, называемой
двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, там два одинаковых поршня и цилиндра и газовые челноки сзади
и далее между ними, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторяется.

В другой конструкции, показанной здесь, называемой двигателем Стирлинга с рабочим объемом (или бета-версией), имеется один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором.
В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем).
край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашенный в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение
независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое
маховик прикреплен к сборке
импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся,
но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) впереди рабочего поршня.

Теплообменник

Теплообменник, также известный как регенератор, находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла.
на котором держится регенератор. Когда газ движется назад, он снова забирает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно.
в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга
иметь несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга?

Вкратце

Подобно паровому двигателю или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга
двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя
ряд основных операций, известный как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга вытеснительного типа.
На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит вот что.
газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно. Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для привода машины, которую приводит в действие двигатель, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа зеленого поршня вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны цилиндра (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к приемнику и ее преобразование в полезную механическую работу.

Подробно

1. Охлаждение и сжатие: Большая часть газа (показана синими квадратами) находится справа на более холодном конце цилиндра. По мере того как он охлаждается и сжимается, отдавая часть своего тепла, которое отводится радиатором, оба поршня движутся внутрь (к центру).
2. Перенос и регенерация: поршень вытеснителя перемещается вправо, а охлажденный газ движется вокруг него в более горячую часть цилиндра слева. Объем газа остается постоянным, поскольку он проходит обратно через регенератор (теплообменник), чтобы забрать часть тепла, которое он ранее выделил.
3. Нагрев и расширение: большая часть газа (показана красными квадратами) теперь находится слева в горячем конце цилиндра. Он нагревается от огня (или другого источника тепла), поэтому его давление повышается, и он расширяется, поглощая энергию. Когда газ расширяется, он толкает рабочий поршень вправо, который приводит в движение маховик и все, что приводит в действие двигатель. В этой части цикла двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (и совершает работу).
4. Перенос и охлаждение: поршень вытеснителя перемещается влево, а горячий газ движется вокруг него в более холодную часть цилиндра справа. Объем газа остается постоянным при прохождении через регенератор (теплообменник), отдавая по пути часть своей энергии. Теперь цикл завершен и готов повториться.

Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому, с чего начал, это несимметричный процесс: энергия постоянно удаляется от источника и накапливается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ совершает определенное
количество работы поршня при его расширении, но поршень совершает меньшую работу по сжатию охлажденного газа и возвращению его в исходное положение.

Теоретически

Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Зачем все эти отдельные ступени? Почему бы не сделать все это проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к).
Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (с сохранением тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.

Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:

1. Изотермическое (постоянная температура) сжатие: наша стадия (1) выше, где объем газа уменьшается, а давление увеличивается по мере того, как он сжимается. тепло в раковину.
2. Изоволюметрический (постоянный объем) нагрев: наша стадия (2) выше, на которой объем газа остается постоянным, когда он проходит обратно через регенератор и восстанавливает часть своего прежнего тепла.
3. Изотермическое (постоянная температура) расширение: наша стадия (3) выше, на которой газ поглощает энергию источника, его объем увеличивается, а давление уменьшается, а температура остается постоянной.
4. Изоволюметрическое (постоянного объема) охлаждение: вышеприведенная стадия (4), на которой объем газа остается постоянным при его прохождении через регенератор и охлаждении.

Реальный двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки этой статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом гораздо больше написано в статье Википедии о цикле Стирлинга.

Некоторые альтернативные анимации

• В Википедии есть еще одна анимация бета-версии двигателя Стирлинга
  (хоть и красиво нарисовано, за этим трудно уследить, потому что отдельные
  этапы не объясняются рядом).
• MIT также имеет приятную небольшую анимацию, но
  сопровождающее объяснение довольно минимально.
• Лучший из всех: отличная анимация и объяснение на
  Animated Engines, превосходный веб-сайт со множеством четких и понятных страниц о всевозможных других движках, которые стоит изучить. Мне нравится, что все двигатели нарисованы в одном и том же простом стиле, поэтому их легко сравнить.

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

Фото: Хотя инженеры пытались оснастить автомобили двигателями Стирлинга,
эксперименты были не такими успешными. Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость.
не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля
чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом фронте: будущие автомобили, скорее всего, будут оснащены электродвигателями или топливными элементами. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, которым требуется
непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-либо
горячее и что-то холодное. Они идеально подходят для солнечных электростанций, где
солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и
высокоэффективные комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ), которые должны производить стабильные поставки электроэнергии.
Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга.
используя их в качестве основы для компактного, домашнего электроснабжения
генератор под названием Beacon 10,
размером примерно с бытовую стиральную машину.

В обычном двигателе Стирлинга вы нагреваете до
горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу
и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора). Как только
электродвигатели можно использовать в качестве генераторов в обратном направлении, так что можно поставить
энергию в двигатель Стирлинга и запустить его в обратном направлении, эффективно
отвод тепла от радиатора и выброс его в
источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криоохладитель».
эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в
сверхпроводимость и
электронные исследования.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Фото: Чистый, экологичный, безопасный, эффективный и компактный — двигателей Стирлинга много
преимущества. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за
замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет
котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в снабжении водой и не
имеют сложную систему открывания и закрывания клапанов,
двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише паровых двигателей, и потому что
они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей,
которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов
разное топливо.

С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это
требуется время, чтобы важнейший теплообменник прогрелся, а маховик
разгоняются) и они не так хорошо работают в режиме стоп-старт (в отличие от двигателей внутреннего сгорания
двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло.
что делает их непригодными для некоторых приложений.

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

Иллюстрация: это иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года).
напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших
чугунные «воздушные сосуды» слева горячие внизу и холодные вверху
(источник тепла и радиатор), и поршни вытеснителя перемещаются внутри них вперед и назад.
Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик.
Работа из книги «История и прогресс парового двигателя» Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.

Неудивительно, что Стирлинг
двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт
Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и
эффективнее паровых двигателей, разработанных
около века назад Томасом Ньюкоменом (и позже улучшенным
Джеймс Уотт и др.). Появление двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных двигателей)
Двигатели Стирлинга отошли на второй план, хотя они были заново открыты
Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они
становятся популярными в солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии.
энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология
получил еще один импульс в 1980-е, когда Иво Колин
из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новую,
очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между
источник тепла и поглотитель.

Подробнее

На этом сайте

• Дизельные двигатели
• Энергия
• Двигатели
• Бензиновые двигатели
• Тепло
• Реактивные двигатели
• Паровые машины

Статьи

Новости

• Металлический порошок: новое безуглеродное топливо? Александр Хеллеманс, IEEE Spectrum, 16 декабря 2015 г. Как двигатели Стирлинга (приводимые в действие металлическими
  топливо) может сыграть свою роль в чистом, зеленом будущем.
• Дин Кеймен думает, что его новый двигатель Стирлинга избавит вас от сети менее чем за 10 тысяч долларов, Кристофер Хелман. Forbes, 2 июля 2014 г. Краткое введение в генератор Камена Beacon 10.
• Новый ядерный двигатель может использоваться для исследования дальнего космоса Адама Манна. Wired, 27 ноября 2012 г. НАСА исследует ядерный двигатель Стирлинга, который может питать космические зонды в местах, где солнечный свет (и солнечная энергия) недоступен.
• Ford Motors испытывает потенциальный двигатель будущего, Ричард Уиткин. The New York Times, 3 ноября 1975 г. Отчет из архива Times о первых испытаниях Форда двигателей Стирлинга.
• Империя вне сети автора Салли Ади. IEEE Spectrum, 31 июля 2009 г. Как двигатели Стирлинга и возобновляемые технологии помогают Дину Кеймену жить в автономном режиме на собственном частном острове.

Более академический

• Двигатель Стирлинга Грэма Уокера, Scientific American, Vol. 229, № 2 (август 1973 г.), стр. 80–87. Хорошие иллюстрации различных конфигураций Стирлинга, включая Ванкеля, Ринии и другие варианты.
• Двигатель Стирлинга: «Циклическая жизнь» старой технологии Райнхольда Бауэра, Icon, Vol. 15 (2009), стр. 108–118. Почему двигатели Стирлинга так и не стали коммерчески популярными? Теперь перспективы для них лучше?

Книги

Двигатели Стирлинга

• Механический КПД тепловых двигателей Джеймс Р. Сенфт. Cambridge University Press, 2007. Подробное термодинамическое исследование тепловых двигателей, включая двигатели Стирлинга.
• Двигатели Стирлинга и горячего воздуха: проектирование и создание экспериментальных моделей двигателей Стирлинга Роя Дарлингтона и Кейта Стронга. The Crowood Press, 2005. Практическое руководство по двигателям Стирлинга для модельеров.
• Введение в двигатели Стирлинга Джеймса Р. Сенфта. Moriya Press, 1993. Краткое объяснение теории одного из пионеров современных двигателей.
• История и развитие парового двигателя Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667 и далее. Подробное описание «Патентного воздушного двигателя», основанное на оригинальном патенте Роберта Стирлинга и (очень приблизительно) современное ему.

Термодинамика двигателей

• Двигатели: введение Джона Лиска Ламли.
  Издательство Кембриджского университета, 1999. Хотя это касается двигателей внутреннего сгорания, это будет интересно, если вы ищете термодинамический подход к анализу двигателей.
• Термодинамика для чайников, Майк Паукен. Джон Уайли и сыновья. Простое введение в теорию термодинамики и ее практическое применение к таким вещам, как двигатели.

Видео

• Пример двигателя Стирлинга: двухминутная демонстрация настоящей бета-версии двигателя Стирлинга, подобной той, что показана в моей анимации выше.
• Двигатель Стирлинга: разборка: Дэн Рохас разбирает двигатель Стирлинга и показывает вам, что внутри. Это видео станет еще более понятным, если вы поймете теорию двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда
• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Двигатель Стирлинга — Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Поиск

Рис. 1. Подводные лодки класса Gotland используют двигатели Стирлинга. ^[1]

Двигатели Стирлинга представляют собой тип возвратно-поступательного двигателя с внешним тепловым двигателем, который использует один или несколько поршней для выполнения полезной работы за счет некоторого подвода тепла от внешнего источника. Они сильно отличаются от двигателей внутреннего сгорания, которые используются в большинстве автомобилей. Двигатели Стирлинга используют один и тот же газ снова и снова, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, которые постоянно впускают и выбрасывают газ. Кроме того, двигатели Стирлинга не используют взрывы, как обычные бензиновые двигатели, поэтому они очень тихие. ^[2]

Хотя они кажутся большими преимуществами для обычного двигателя, они менее практичны в большинстве транспортных средств, поскольку требуют внешнего тепла, а не внутреннего тепла. Внешнему источнику попадания требуется дополнительное время, чтобы тепло проникло внутрь двигателей. Этот теплообмен делает двигатель гораздо менее отзывчивым, чем двигатели внутреннего сгорания. ^[2] Двигатели Стирлинга также оказались непрактичными для электростанций; Двигатели Стирлинга имеют низкую удельную мощность, а это означает, что двигатель должен быть достаточно большим, чтобы производить относительно небольшую мощность. ^[3]

Эксплуатация

Ключевой уникальной характеристикой двигателей Стирлинга является наличие фиксированного количества газа внутри . ^[2] Давлением газа можно управлять, добавляя или удаляя тепло. Добавление тепла повысит давление (и температуру), а удаление тепла, наоборот, уменьшит давление (и температуру). Изменив способ выполнения этих двух процессов, можно заставить двигатель выполнять полезную работу. Двигатель следует «циклу Стирлинга», описанному ниже в общем виде, который можно увидеть на рисунке 2. Цикл выглядит следующим образом: ^[2]

1. Нагрев и расширение — Тепло поступает от внешнего источника, повышая температуру и, следовательно, давление газа. Это заставляет поршень расширяться и выполнять полезной работы.
2. Поток и охлаждение — Поршень движется вверх, нагнетая газ в другой цилиндр, где он охлаждается. Охлаждение газа облегчает его сжатие, а это означает, что требуется меньше работы, чем было произведено на шаге 1.
3. Сжатие — Теперь газ сжат, и избыточное тепло, созданное в результате этого сжатия, удаляется источником охлаждения.
4. Обратный поток и нагрев — Сжатый газ возвращается в исходную камеру, где цикл повторяется.

Рис. 2. Базовый идеальный цикл Стерлинга. ^[4]

Цикл Стирлинга может дать больше энергии за счет более горячего источника тепла на этапе 1 или более холодного холодного стока на этапе 2.

Щелкните здесь, чтобы узнать о различных типах двигателей Стирлинга.

Применение

Двигатели Стирлинга имеют множество применений: ^[5]

Рис. 3. Двигатель Стирлинга, как видно в центре этого параболического зеркала, может нагреваться Солнцем. ^[6]

Рис. 4. Двигатель Стирлинга с низкотемпературным перепадом (LTD) может генерировать около 1 Вт мощности от ладони человека. ^[7]

• Когенерация ( CHP )- В когенерационной установке двигатель Стирлинга может использовать отработанное тепло, которое производится в соответствии со вторым законом термодинамики. Это отработанное тепло может быть использовано для питания двигателя Стирлинга в промышленных или сельскохозяйственных процессах.

• Генерация солнечной энергии — Расположенные в фокусе параболического зеркала, как показано на рисунке 2, двигатели Стирлинга могут преобразовывать солнечную энергию в электричество с эффективностью лучше, чем у некоторых фотогальванических элементов.

• Подводные лодки — Подводные лодки с двигателем Стирлинга могут оставаться под водой гораздо дольше, чем обычные подводные лодки. Шведская судостроительная компания Kockums впервые установила двигатели Стирлинга на подводные лодки, и с ними подводной лодке не нужно всплывать для перезарядки батарей, что продлевает время погружения с нескольких дней до недель. ^[8]

• Атомные электростанции — Двигатели Стирлинга потенциально могут заменить паровые турбины в ядерных реакторах и могут повысить эффективность станции и уменьшить количество радиоактивных побочных продуктов. Они будут использовать жидкий натрий в качестве охлаждающей жидкости и устранят необходимость в воде в любом месте цикла. ^[5]

• Образовательная демонстрация — Низкая разница температур Двигатель Стирлинга будет работать при любой низкой разнице температур, например, разница между ладонями, как показано на рисунке 4.

В США также разработан двигатель Стирлинга для выработки электроэнергии для использования в космических исследованиях.

Для дополнительной информации

• Двигатель внешнего сгорания
• Тепловая машина
• Солнечная энергия
• Атомная энергетика
• Когенерация
• Или просмотрите случайную страницу

Ссылки

1. ↑ Wikimedia Commons [Online]. (4 июня 2015 г.). Доступно: http://en.wikipedia.org/wiki/Gotland-class_submarine#/media/File:Swedish_attack_submarine_HMS_Gotland.jpg
2. ↑ ^{2.0 2.1 2.2 2.3} How Stuff Works, How Stirling Engines Work [Онлайн], доступно: http://auto.howstuffworks.com/stirling-engine.htm
3. ↑ Electropaedia, Двигатель Стирлинга [Онлайн], Доступно: http://www.mpoweruk.com/stirling_engine.htm
4. ↑ Сделано внутри компании членом группы Energy Education
5. ↑ ^{5.0 5.1} Магазин Стирлинга. (4 июня 2015 г.) Двигатель Стирлинга — Приложения [Онлайн]. Доступно: http://stirlingshop.com/html/applications_.html
6. ↑ Wikimedia Commons [Онлайн]. (4 июня 2015 г.). Доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ed/EuroDishSBP_front.jpg
7. ↑ Автор Arsdell [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) или CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3. 0)], из Викимедиа Общины
8. ↑ Сааб. (4 июня 2015 г.). Двигатель Стирлинга [Онлайн]. Доступно: http://saab.com/naval/Submarines-and-Warships/technologies/The-Stirling-Engine/

Двигатель Стирлинга — история, функции и применение

Эти высокоэффективные, экологически безопасные и бесшумные двигатели еще не полностью раскрыли свой потенциал, и вот почему.

Michael Frey/Wikimedia

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневую внешнюю тепловую машину с замкнутым циклом, которая преобразует теплоту в полезную механическую работу. Первоначально он был изобретен для конкуренции с паровым двигателем, но из-за его различных ограничений, даже спустя много лет, двигатель Стирлинга не получил широкого распространения и используется только в нескольких специализированных приложениях.

Газ внутри двигателя Стирлинга никогда не покидает двигатель. Они снова и снова нагреваются и охлаждаются, поэтому никогда не выбрасываются в виде взрывоопасного выхлопа. Этот регенеративный двигатель может многократно использовать один и тот же газ для выработки энергии; поэтому двигатель Стирлинга может оказаться намного более эффективным, чем двигатель внутреннего сгорания, используемый в современных автомобилях. Поскольку взрывов не происходит, двигатели Стирлинга работают очень тихо. Также нет горения, так как цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, который может быть солнечной энергией или даже теплом, выделяемым разлагающимися растениями.

История двигателя Стирлинга

Источник: Zephyris/Wikimedia Commons

Роберт Стирлинг подал патент на двигатель Стирлинга в 1816 году. применения к движущимся машинам на основе совершенно нового принципа.

В патентной заявке Стирлинга объясняется конструкция и использование регенератора (который он назвал «экономайзером»). Патент также включал первое в истории описание двигателя горячего воздуха с замкнутым циклом. Более того, Стирлинг описал, как его конструкция двигателя может быть использована для таких приложений, как плавка чугуна и стекловаренные печи.

Роберт Стирлинг Источник: Wikimedia Commons

За выдающееся изобретение Роберта Стирлинга называют отцом двигателя Стирлинга.

В 1827 году Роберт Стирлинг и его брат Джеймс Стирлинг подали второй патент на двигатель Стирлинга. В этом патенте предлагалась перевернутая конструкция из исходного патента 1816 года, которая включала насос сжатого воздуха, который мог увеличивать внутреннее давление воздуха для повышения эффективности.

Третий патент, поданный в 1840 году, привел к изобретению знаменитого двигателя Данди, который позже использовался Dundee Foundry Company. В презентации третьего патента, сделанной в 1845 году в Институте инженеров-строителей, Джеймс Стирлинг подчеркнул, что технология двигателя Стирлинга не только направлена ​​​​на экономию топлива, но также может служить более безопасной альтернативой паровому двигателю. Он напомнил присутствующим инженерам, что котлы в паровых машинах часто взрываются и вызывают многочисленные смерти и травмы, и что этого можно было бы избежать, используя вместо них двигатели Стирлинга.

Однако заявления Джеймса Стирлинга не могли компенсировать частые отказы двигателя при эксплуатации при более высоких температурах. Даже Dundee Foundry Company позже заменила свои двигатели Стирлинга паровыми двигателями после того, как столкнулась с неоднократными отказами цилиндров в годы, последовавшие за его установкой.

Двигатель Стирлинга Филипс. Источник: Geni/Wikimedia Commons

Хотя двигатели Стирлинга производились до 1922 года и использовались для перекачивания воды на фермах и выработки электроэнергии, попытки разработать двигатель Стирлинга для широкого коммерческого использования оказались в значительной степени безуспешными.

Концепция двигателя Стирлинга была почти забыта на долгие годы. Однако компания Philips, в частности, проявила большой интерес к конструкции двигателя Стирлинга и с 1938 по 1950-е годы получила лицензии на многочисленные патенты, основанные на одной и той же технологии.

Самые популярные

К 1952 году компания Philips разработала электрогенератор с двигателем Стирлинга в качестве привода. Хотя это так и не было запущено в массовое производство, исследовательская работа, проведенная Philips, позже привела к разработке криогенных систем охлаждения, в которых используется концепция обратного двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга?

Цикл Стирлинга. Источник: Hiroka Nakahara/UBC

Двигатель Стирлинга вырабатывает механическую энергию из тепловой энергии за счет движения двух или более поршней внутри цилиндров. В цилиндре находится определенное количество газа, и изменение давления газа, вызванное циклом Стирлинга, позволяет двигателю Стирлинга выполнять работу.

В двухцилиндровом двигателе Стирлинга один цилиндр нагревается от внешнего источника тепла, а другой охлаждается от внешнего источника охлаждения. Газовые камеры двух цилиндров соединены между собой, а поршни связаны друг с другом механически.

Цикл Стирлинга состоит из следующих этапов:

    1. Изотермическое расширение

Энергия внешнего источника тепла увеличивает внутреннюю температуру, что еще больше увеличивает давление газа внутри цилиндра. Повышение давления газа заставляет поршень двигаться вниз, и совершается работа.

    2. Изохорный отвод тепла

Поршень выталкивает нагретый газ во второй цилиндр (или регенератор), где газ охлаждается, понижая его давление, чтобы его можно было легко сжимать дальше. Тепло, поглощенное регенератором на этом этапе, будет использовано на последнем этапе цикла.

    3. Изотермическое сжатие

Газ сжимается в пространстве, в котором поддерживается неизменно низкая температура, что позволяет газу легко подвергаться изотермическому сжатию. При сжатии газ отдает тепло охладителю.

    4. Изохорный подвод тепла

Второй поршень движется вверх, нагнетая сжатый газ в нагретый цилиндр, где он снова быстро нагревается. Давление в цилиндре нарастает, подвергаясь изотермическому расширению, заставляя двигаться поршень, и цикл Стирлинга продолжается.

Источник: Масато Китадзаки, Кейичиро Юдзаки, Теруюки Аказава/Янмар

Наличие регенеративного теплообменника (регенератора) в двигателе Стирлинга делает его намного более эффективным, чем другие предыдущие двигатели горячего воздуха, которые не имели этого компонента. Эффективность двигателя Стирлинга также прямо пропорциональна разнице температур между источником тепла (первая ступень) и источником охлаждения (вторая ступень).

Почему двигатель Стирлинга не используется в автомобилях?

Источник: Scott Umstattd/Unsplash

Это правда, что двигатель Стирлинга может избавить вас от необходимости время от времени заправлять бак бензином, но существуют некоторые серьезные ограничения, связанные с этой технологией двигателя, которые запрещают производителям автомобилей используя его.

Двигатели Стирлинга не имеют взрывного выхлопа, как в традиционных двигателях внутреннего сгорания, поэтому они очень тихие и не создают шума. Однако для работы двигателя необходим внешний источник тепла, а время, необходимое теплу для перемещения от источника к внутреннему цилиндру, делает двигатель Стирлинга менее отзывчивым, чем бензиновые двигатели. Это также затрудняет быстрое изменение выходной мощности двигателя.

Любой возобновляемый источник тепловой энергии (например, солнечная, геотермальная или ядерная энергия) может использоваться для работы двигателя Стирлинга, что потенциально делает его экологически чистой альтернативой. Кроме того, он не требует особого обслуживания и способен обеспечить более высокую эффективность, чем любой современный двигатель внутреннего сгорания. Несмотря на эти достоинства, более высокие первоначальные инвестиционные затраты и низкая удельная мощность не позволяют автомобильным компаниям использовать технологию двигателей Стирлинга в своих автомобилях, поскольку для выполнения даже небольшого объема работы требуются очень большие и тяжелые двигатели Стирлинга, которые не все возможно реализовать в легковых автомобилях.

Источник: Университет Сиэтла

Тем не менее, модифицированные автомобили с двигателем Стирлинга были разработаны НАСА в конце 1970-х годов в рамках их автомобильной программы двигателей Стирлинга. Испытательные проекты в рамках этой программы получили названия MOD I и MOD II, а двигатели для этих испытательных проектов были разработаны Philips и American Motors Corporation (AMC).

MOD II продемонстрировал исключительные результаты в виде сверхэффективного автомобильного двигателя с тепловым КПД 38,5%. В рамках программы двигателей Стирлинга НАСА продемонстрировало возможность создания высокоэффективных автомобилей на основе двигателей Стирлинга, но вскоре финансирование было сокращено, и автопроизводители потеряли интерес к программе. В результате проекты так и не смогли дойти до стадии коммерческого производства.

Применение двигателя Стирлинга

Источник: Recognize Productions/pexels

Двигатель Стирлинга может обеспечивать практически неограниченную энергию в течение длительного периода времени с минимальными вредными выбросами и усилиями. Таким образом, многие крупномасштабные приложения, требующие постоянной мощности, могут использовать технологию двигателя Стирлинга для удовлетворения своих потребностей в энергии.

• Атомная энергетика

Регенеративные двигатели замкнутого цикла представляются многообещающей альтернативой паровым турбинам, используемым в ядерных реакторах. В таком случае жидкий натрий можно использовать в качестве теплоносителя, а вода может вообще не потребоваться. Двигатели Стирлинга также могут увеличить мощность ядерного реактора и уменьшить количество образующихся радиоактивных отходов.

В мае 2020 года НАСА сообщило, что ядерные реакторы, оснащенные двигателями Стирлинга, могут использоваться для удовлетворения энергетических потребностей человеческих колоний в космосе.

• Подводные лодки

Подводные лодки с двигателями Стирлинга могут дольше оставаться под водой и работают тише обычных подводных лодок. Kocksums Shipyard, шведский производитель подводных лодок, впервые использовал двигатели Стирлинга на своих подводных лодках класса Gotland, которые сейчас используются шведским флотом.

• Солнечная энергия

При размещении в центре параболического зеркала двигатели Стирлинга оказались более эффективными в преобразовании солнечной энергии в электрическую по сравнению с фотогальваническими элементами.

Согласно исследованию 2016 года, в котором основное внимание уделялось роли двигателей Стирлинга в производстве солнечной тепловой электроэнергии, технология двигателей с горячим воздухом может сыграть ключевую роль в минимизации углеродного следа человека за счет выработки возобновляемой электроэнергии из солнечного излучения.

• Система комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ)

Отработанное тепло, производимое системами комбинированного производства тепла и электроэнергии, также известными как когенерационные системы, может быть использовано в сельскохозяйственных и промышленных целях с помощью технологии двигателя Стирлинга.

Британская компания Inspirit Energy в 2016 году запустила зарядное устройство Inspirit, газовую когенерационную установку. Эта установка на базе двигателя Стирлинга могла вырабатывать 3 кВт электроэнергии и 15 кВт тепловой энергии.

• Двигатель Стирлинга для космических полетов

В марте 2020 года преобразователь энергии Стирлинга, расположенный в исследовательской лаборатории Стирлинга в Исследовательском центре Гленна НАСА, отработал 14 лет бесперебойной и необслуживаемой работы.