Цикл работы двигателя Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Поскольку теоретические объяснения удел ученых мужей, слушать их временами утомительно, поэтому перейдем к наглядной демонстрации работы двигателя Стерлинга.
Как работает двигатель Стирлинга1.Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх.2.Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.3.Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.4.Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90 градусов относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 градусов машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.
Еще одним изобретением Стирлинга, увеличившим КПД двигателя стал регенератор, который представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой для улучшения теплоотдачи проходящего газа (на рисунке регенератор заменен ребрами радиатора охлаждения).
В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.
Достоинства двигателя Стирлинга:
1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать разницу температур.2. Низкая шумность. Поскольку работа построена на перепаде давления рабочей жидкости, а не на поджоге смеси, то шумность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания существенно ниже.3. Простота конструкции, отсюда высокий запас прочности.
Однако все эти достоинства в большинстве случаев перечеркиваются двумя большими недостатками:
1. Большие габариты. Рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массы и размеров за счёт увеличенных радиаторов.2. Низкий КПД. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, соответственно потери КПД велики.
С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел...нет не в прошлое, а в тень. Он с успехом эксплуатируется в качестве вспомогательных силовых установок на подводных лодках, в тепловых насосах на теплоэлектростанциях, в качестве преобразователей солнечной и геотермальной энергии в электрическую, с ним связаны космические проекты по созданию силовых установок работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры, кто не знал).Кто знает, возможно однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!
fishki.net
Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
21120 
2 Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы [2], поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.
 |
| 1 — цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя. |
В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4, который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.
В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).
После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.
В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД, который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.
 |
| 1 — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — радиатор; 4 — регенератор; 5 — подогреватель с форсункой; 6 — трубки подогревателя; 7 — вход воздуха в подогреватель; 8 — выход отработавших газов из подогревателя. |
Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» («Philips» – Нидерланды). Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 2.
Поршень 2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8.
В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.
Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ.
Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 3.
 |
| 1 — резервуар с LiF; 2 — жидкий натрий; 3 — нагревательная спираль; 4 — теплоизоляция. |
В нижней части рис. 2 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б, то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б.
Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.
Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.
У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.
Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.
Зависимость индикаторного КПД ηi от удельной литровой мощности Nуд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 4. Температура в подогревателе равна 700 °C, охлаждающей жидкости — 25 °C. Рабочее давление газа составило 11 МПа.
 |
На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин-1). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.
 |
| C — насосное кольцо; R — регулятор давления. |
Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 5). Диаметры d и d2 выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо C выполняет функцию насосного элемента, а регулятор R поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.
Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом приведен на рис. 6. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стерлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.
 |
| 1 — выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 — горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень-вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра; 8 — шток поршня-вытеснителя; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; 11 — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 — шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытеснителя; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 — коленчатый вал. |
Схема соединения соседних цилиндров с таким расположением кривошипов показана на рис. 7. Соединительные трубопроводы связывают горячую камеру, подогреватель, регенератор, радиатор и холодную камеру. Два коленчатых вала вращаются в одном направлении и связаны с поршнями через крейцкопфный механизм. В нижней части рис. 7 на диаграммах жирной линией обозначены фазы цикла, соответствующие положениям 1—4 поршней. Для привода поршней используется или четырехопорный коленчатый вал (двигатели шведской фирмы «Юнайтед Стирлинг») или же наклонная шайба (двигатель «Филипс 4-215DA»).
На рис. 7 показаны последовательные этапы 1—2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.
 |
| А — горячая камера; Б — подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера. |
В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.
Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стерлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин-1.
 |
Мощность двигателя зависит от среднего рабочего давления. У двигателя «Филипс» это давление составляло около 20 МПа. Чтобы избежать прижатия поршня к стенке цилиндра, был применен уже упомянутый ромбический механизм и, кроме того, под рабочим поршнем была образована камера, в которой поддерживалось среднее рабочее давление газа. В этих условиях кривошипно-шатунный механизм испытывает нагрузки вследствие небольших отклонений от этого давления, а также действие инерционных сил, поскольку давление газов в цилиндре меняется незначительно. На рис. 8 приведены мгновенные значения относительного крутящего момента Mτ/Mср двигателя Стирлинга и дизельного двигателя за один оборот коленчатого вала [3].
Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.
Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были небольшими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 9. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.
 |
 |
В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 10, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см3), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин-1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °C, а охлаждающей жидкости — на уровне 60 °C. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до достижения температуры головки цилиндра 700 °C длятся около 20 с. При температуре воды 55 °C индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 %. Удельная мощность 156 кВт/дм3, а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.
Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 DA», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 9. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия расположены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание NOx в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.
Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 DA» — 73 мм, ход поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин-1. Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °C, а охлаждающей жидкости — 64 °C.
 |
| 1 — подогреватель; 2 — трубки подогревателя; 3 — теплообменник; 4 — генератор; 5 — радиатор. |
Шведская фирма «Юнайтед Стерлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двойного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образного двигателя изображен на рис. 11. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.
Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1–7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.
Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.
Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании е качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.
Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.
Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 4).
Опубликовано 24.03.2014icarbio.ru
Двигатель Стирлинга
Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:
Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую
sites.google.com
Ноя 4 2014
Стирлинг — это устройсво преобразующее тепловую энергию в механическую ну как двигатель, с тем лиш отличием, что эта тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно(как это происходит например в двигателе внутреннего сгорания).
Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство отличающее его от всех остальных машин. Да, ну и само собой такое название Стирлинг пошло от фамилии человека который всё это первый придумал, кто заинтересуется историей этого вопроса может нарыть в интернете кучу инфы, меня лично это мало волнует.
Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому). Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу.
И наоборот охлаждая корпус мембрана вогнется, опять совершив работу. Вот и весь цикл, проще не придумаеш, осталось только «автоматизировать» этот процес.
Для этого внутри корпуса двигателя размещается так называемый поршень вытеснитель(на рисунке он зелёненький с нерусским словом), смысл этого девайса в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от горячей области внизу к охлаждаемой вверху.
На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой почти половину объёма внутренней полости двигателя, в виде такого диска, не плотно прилегающего к стенкам. Через этот зазор воздух перетекает из горячей полости в холодную и обратно.
Надо сказать что сам этот поршень в идеале должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, поскольку он фактически разделяет собой гарячую и холодную области внутри двигателя.
Ну а дальше уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(или рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (внимательно изучайте картинки включайте воображение)
Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя(у нас на рисунке как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки). Это идеальный вариант соединения для такой схемы.
Попытайтесь проиграть каждую картинку по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха внутри двигателя и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.
Надо ещё признать, что на схеме, а именно на оси , отсутствует одна важная деталь — это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.
НЕ отчаивайтесь если сразу не всё понятно, я сам помню долго въезжал, в своё время, а некоторые моменты полностью понял только когда собрал свой первый стирлинг.
Главное начать, и если не потеряете интерес, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо здесь на самом деле масса хитрых моментов.
Более подробно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому — я изложил в форме серии видеоуроков , которые можно посмотреть ЗДЕСЬ
Вот например таже схемка но уже в движении, теперь я думаю будет несколько понятнее. Причем это фактически разрез реальной рабочей модели, жаль правда что только в одном боковом виде.
А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя, также присутствует маховик.
Или вот ещё пример.
Всё это были примеры низкотемпературных двигателей, так сказать моделек, игрушек, поясняющих принцип работы. Промышленные стирлинги которые используются в разных целях, от генерации электроэнергии, до говорят, движения подводных лодок выглядят совершенно по другому (будем рассматривать их в других разделах сайта).
Но принцип всегда остаётся темже — нагрев и охлаждение замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода или гелия (короче рабочего тела по другому).
Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, гамма.
Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая.
Пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.
И ещё бетта тип, кинематика.
Вот полная деталировка — всё по полочкам, гамма версия.
Это анимация стирлинга бетта типа
Вот как на практике выглядит бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрая штука и самому такую извоять весьма проблематично, но для общего развития нужно иметь представление.
Дальше в рубриках по конкретным типам двигателей я буду более подробно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов исполнения этого двигателя просто немеренно, этим он и интересен.
Это его кинематическая модель.
А такая занятная игрулина вызовет массу приятных эмоций у любого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашки с горячим чаем.
Ну вот и всё вступление, для начала. Дальше в рубриках, по каждому типу двигателей, будет более подробно о них расказано и показано, есть много интересного видео, без просмотра которого невозможно полноценно оценить всю прелесть этих устройств. Не переключайтесь... всё только начинается.
webavtocar.ru
Работа двигателя от тепла чашки:Достаточно сказать что холодильники, тепловые насосы и кондиционеры по сути тоже являются двигателями Стирлинга, только работающими в обратном направлении.
Промышленные солнечные установки где солнечный свет концентрируется на рабочем теле двигателя создавая огромный перепад температуры.Мощность таких установок достигает 50-70 кВт.
КПД таких двигателей может быть от 5 на обычные модельки до 70% на промышленные варианты работающие под давлением 300 атмосфер, это на 50-70% выше двигателей внутреннего сгорания. Достаточно сказать что на космических аппаратах и новейших подводных лодках используются именно двигатели Стирлинга.
это двигатель разработаный NASA для работы в космосе, мощность 2500 кВт.рабочее тело в водороде под давлением 300 атмосфер.
Тогда возникает вопрос, почему же это чудо изобретение не стоит в каждом доме и дворе,когда достаточно положить рабочее тело в обычный костер и наслаждаться наличием электричества? Ответ думаю очевиден, пока есть нефть и те кто ней владеет в обычном пользовании мы это не увидим.Для контроля за запасами нефти развязываются войны и стираются целые государства.Думаю что никого не удивляет что США несет демократию только в те страны где есть нефтедобыча, Сирия, Кувейт, Ирак, Ливия, Иран, Судан, Пакистан и тд.И почему то нет никакого интересна к другим диктаторским режимам.
Это была лирика.Промышленно изготовленный двигатель Стирлинга для бытовых целей продается, но цена его абсолютно не разумная в районе 20-25 тыс. долл. При мощности 5-7 кВт.Желающих наверное не очень много.
Только совсем недавно немецкая фирма производящая бытовые котлы отопления, получила лицензию на установку в свои изделия двигателей с линейным генератором тока. При тепловой мощности 16-20 кВт. (это примерно обогрев дома площадью 120-150 метров) все излишнее тепло не выходит в трубу а преобразуется в электричество примерно 2 кВт.Размер такой преобразователь имеет как термос на 3 литра.Сложно сказать сколько будут стоить такие котлы, но заимев такой преобразователь, вопрос электроснабжения был бы решен. Положил рабочее тело в костер или топку и все!Можно себе представить как бы перевернулась энергозависимость, если бы в каждой котельной которая подает тепло на обогрев целых районов стояли в топках огромные Стирлинги высокого давления. Возможно на весь отопительный сезон можно было не зависеть от электростанций.А собственно кто тогда будет приносить мега прибыль генерирующим компаниям?
В продаже можно встретить красивые, работающие модели Стирлинга, но и модели стоят очень дорого, вот например та которая на фото стоит 32000 рублей.
видео их работы:
фото самодельных моделей
видео работы самодельных двигателей:
Работают даже от солнца:
Более продвинутый и мощный аппарат с водяным охлаждением:
интересное видео работы школьной модели:
Промышлеными образцами нас не балуют.Но никто не может запретить изготовить такой двигатель самостоятельно, хоть он и будет намного менее надежным и производительным чем промышленный образец, но он будет всеядным, а это как раз то что нам нужно.Для тех кто пробурился и нашел у себя в огороде нефть, это тема не для вас, ищите схемы перегонных кубов. )))
История.Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре.Стоит сказать что первый промышленный Стирлинг проработал на механическом заводе приводя в действие механический молот 80 лет.В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.В основном есть три разновидности двигателя стирлинга.
Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.
Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.
Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.
Недостатки Стирлинга:Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.(тут да, подводную лодку или космический корабль нам раскурочить не дадут)Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. (инерция, а нам как раз это и нужно для генератора.)
Преимущества:Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.«Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.Двигатель не будет «капризничать» из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.
Подводные лодкиПреимущества «стирлинга» привели к тому, что ещё в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «Шёурмен» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «Наккены» и «Вестеръётланды» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа «Готланд» стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках
Одной из нетрадиционных областей применения двигателя Стирлинга есть медицина. Его применяют в системах искусственного сердца. Источником энергии в таких системах, как правило, есть радиоизотопы.
пример применения двигателя для охлаждения процессора
Для нас плюсы всей этой технологии в том что грамотный человек сможет воспроизвести конструкцию из тех материалов которые будут под рукой, но для качественной и долговечной конструкции нужно подумать об этом заранее, уже сегодня.Для каждого человек может такой двигатель быть источником энергии.Если поселение больше 30-50 человек, то можно истопника придумать для круглосуточного получения электричества. А электричество это ВСЕ.Насосы, добыча воды, освещение, охрана периметра, работа электроинструмента, бытовые приборы, компьютер с собранными данными, в общем оплот цивилизации.Инетесное видео от энтузиастов которые восстанавливают двигатели Стирлинга успешно работавшие в начале прошлого века.
Что хочется сказать в заключении.Вероятнее всего двигатель Стирлинга является панацеей в период БП для получения энергии,как электрической так и механической.Потому что не привязан к солнцу, которое светит днем, а электричество нужно ночью,мало того когда света нужно больше всего зимой так на небе висят предательские тучи месяцами.Не привязан к ветру, который дует когда хочет и как хочет, не знаю как у вас, у меня достаточный ветер дует 20 дней в году.Не привязан к бензину и нефти, может в Тюмени и можно докопаться до нефти при желании, у нас только если копать насквозь до залежей Венесуэлы.Не привязан к напору и потоку воды, кому то и хорошо в предгорьях среди рек и ручьев, ближайшая от меня большая вода строго на север по горизонту 12 км или строго вниз 40 метров.
Стирлинг подарил нам свое уникальное изобретение которое можно и нужно реализовывать.Удобство, надежность, всеядность как например обычная печка или топка.Главное подбрасывать дрова в топку, или уголь, у кого как.
Спасибо за внимание, продолжение следует…
nepropadu.ru
Многим интересен принцип работы двигателя Стирлинга, и не только из праздного любопытства, но и потому, что если не понять основу его действия, то очень трудно изготовить работающую модель. В данной публикации подробно и насколько возможно, лаконично, дан ответ на этот вопрос. А наглядно все представлено в видеоуроке со всеми схемами.
В этом китайском магазине можно найти отличный генератор.
Рассмотрим сначала принцип работы низкотемпературного двигателя. Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя — горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета на видео).
Схема низкотемпературного двигателя СтирлингаПри движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.
Далее цикл повторяется, так как вытеснитель и рабочий поршень связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов.
Принцип действия высокотемпературного двигателя. Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.
Схема высокотемпературного двигателя СтирлинкаДалее вся механика наглядно на видео. Во второй части видео один из вариантов сборки Стирлинга.
Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях.Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так:— сделать цилиндр с вытеснителем;— вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик;— маховик пока не ставить;— нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя;— если попробовать поднять вытеснитель вверх — шарик резко надуется;— если опустить вытеснитель вниз — шарик сдуется.Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя.— Далее заменим воздушный шарик на поршень;— поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух;— смазать поршень силиконовой смазкой;— проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем;— понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала;— изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов!— окончательно протестировать готовый аппарат.
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.
izobreteniya.net
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например — солнечных лучей. В данной статье изложена история развития двигателя, показан принцип работы, а также приведены примеры использования этого двигателя.
История развития
21 сентября 1816 года в Эдинбурге, в Шотландии, Роберт Стирлинг патентует тепловую машину, которую называет economiser (сегодня она имеет название двигатель внешнего сгорания, или как ее еще называют, в честь изобретателя, двигатель Стирлинга). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как воздух охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы.
Рис.1 Роберт Стирлинг.
В начале ХІХ столетия двигатель Стирлинга был признан самой надежной паровой машиной, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей. И вдобавок существенным его преимуществом была бесшумность.
На 1908 год конструкционное совершенство двигателя Стирлинга разрешила ввести его во многих областях техники и экономики: для привода ткацких станков, вращение лопастных колес судов, подачи воздуха к церковным органам. Их применяли даже на молокозаводе во время производства сыра и в парикмахерской для вращения щипцов для завивки волос.
Несмотря на такой успех, к 20-ым годам ХХ столетия развитие Стирлинг-технологий прекратилось. Двигатели, которые выпускали в значительном количестве к первой мировой войне, в конце концов, были недостаточно экономическими, прежде всего из-за отсутствия пригодных для их изготовления материалов. Поэтому появление накануне войны электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания (далее – ДВС), что были более экономическими и компактными, воспрепятствовала дальнейшему развитию двигателей Стирлинга. Тем не менее, модели небольших мощностей выпускали еще продолжительное время, до 50-ых годов.
На сегодня, благодаря появлению высокопрочных термостойких материалов, электронных систем управления и новых технологий производства, двигатель Стирлинга снова привлекает внимание специалистов. Теоретические расчеты довели, что сравнительно с ДВС, при условии применения современных материалов, он выиграет за экономическими и экологическими показателями. И, в конце концов, его ждет возрождение.
Принцип работы двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга – это поршневой двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. Теоретическая эффективность использования теплоты в двигателе Стирлинга отвечает наилучшим образцам ДВС, но практически обеспечить высокий КПД двигателя Стирлинга возможно только при наличии эффективного регенератора, который утилизирует теплоту.
Удельная мощность двигателя Стирлинга (мощность на единицу рабочего объема) отвечает мощности дизеля. Продолжительная история развития двигателей с внешним подводом теплоты обусловила создание большого количества разновидностей этих двигателей. Одной из возможных конструкций двигателе Стирлинга – это расположения цилиндров под углом 90°, как изображено на рис. 2.
Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а второй охлаждается, например льдом. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.
Горячая полость соединена с холодной через регенератор и охладитель. Регенератор является тепловым аккумулятором, предназначенным для предотвращения потерь теплоты. Он воспринимает теплоту рабочего тела при перетекании из горячей области в холодную и отдает ее при обратном перетекании рабочего тела. Материал регенератора должен иметь высокую теплоемкость и низкую теплопроводность, во избежание передачи теплоты к охладителю. Охладитель воспринимает основную часть теплоты, которая отводится от рабочего тела, которое обусловлено закрытым циклом двигателя Стирлинга. Сравнительно с дизелем, в систему охлаждения двигателя Стирлинга отводится вдвое больше теплоты, поэтому и производительность системы охлаждения должны быть вдвое высшей.
Рис. 2. Одна из возможных схем двигателя Стирлинга.
Во время движения поршня вверх происходит сжимание воздуха во всех полостях двигателя, рабочее тело через регенератор, где отбирает накопленную теплоту, перетекает в горячую полость. Теплоту к рабочему телу в горячей полости подводят извне сквозь стенки цилиндра, от продуктов сгорания, которые образовываются в камере сгорания. Нагревание рабочего тела в горячей полости предопределяет повышение его давления во всех соединенных между собой полостях двигателя. Под действием этого давления рабочий поршень перемещается вниз, осуществляя рабочий ход, а рабочее тело проходит регенератором, отдает ему часть теплоты, охлаждается в охладителе и подается к холодной полости. Через снижение температуры уменьшается давление. Дальше этот цикл повторяется.
Регулирование мощности может осуществляться в разные способы. Например, изменением дополнительного объема, для чего двигатель оборудуют дополнительным поршнем с винтовой передачей.
Перспективы применения двигателей Стирлинга
Двигатели Стирлинга имеют весомые преимущества сравнительно с двигателями внутреннего сгорания, такие как: - незначительная затрата смазочных материалов;- очень низкие выбросы основных вредных веществ, на порядок низшие чем ДВС, благодаря постоянному сгоранию топлива в благоприятных условиях;- незначительная шумность двигателя Стиргинга, что объясняется отсутствием механизма газораспределения, а также плавным непрерывным процессом сгорания, в отличие от взрывоподобного сгорания в цилиндрах ДВС;- небольшой объем технического обслуживания;- а также независимость к конкретному веществу двигателя Стирлинга.
К недостаткам можно отнести громоздкость, так как делать компактные, надёжные и мощные теплообменники очень трудно.
На сегодня, изготовление двигателя Стирлинга нуждается в больших средствах, чем обычные ДВС, тем не менее, его эксплуатация - значительно экономичнее (но затратность производства можно объяснить неприспособленностью промышленности к изготовлению двигателей Стирлинга).
Исключительное свойство двигателей Стирлинга, что разрешает применять нетрадиционные топлива, например, биогаз, уголь и даже отходы деревообрабатывающей промышленности, а также использование любых других видов энергии делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников.
На автомобилях двигатели Стирлинга не приобрели распространение, через значительный удельный вес на единицу мощности, а также из-за сложности системы управления двигателем в быстроменяющихся эксплуатационных режимах. Хотя их и применяют в составе комбинированных энергетических установок, как утилизаторы теплоты выбросов ДВС.
Рис. 3. Двигатель Стирлинга для яхты.
А на таких транспортных средствах как яхты, атомные подводные лодки, космические корабли, двигатели Стрилинга применяются довольно широко. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не являются решающими факторами, именно надежность определяет его роль как идеального кандидата для преобразования тепловой энергии в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в техническом обслуживании и регулировании, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что важно в случае трудного доступа (на подводных лодках или космических кораблях). Например, NASA (National Aeronautics and Space Administration - Национальная Администрация Аэронавтики и Космонавтики США) вплотную занимается разработкой и усовершенствованием двигателей Стирлинга, успешно внедряет их в космических аппаратах, тем не менее детальная информация о таких разработках не распространяется.
Итак, развитие науки и техники обусловило образование новых “экологических ниш”, где с успехом может применяться двигатель Стирлинга.
Рис. 4. Солнечная энергетическая установка.
В частности, на рис. 4 приведен пример солнечной энергетической установки. Довольно высокий КПД, простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга предопределяют эффективность его использования в таких системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (как источник тепла). Охладителем может быть окружающий атмосферный воздух. Имеем экологически чистый источник энергии, так необходимый в современном мире.
Возможное также применение обратного цикла Стирлинга. Если приводить двигатель Стирлинга в движение каким-нибудь внешним устройством, тогда “горячий” цилиндр будет охлаждаться, а “холодный” - будет разогреваться. Если при этом подогревать “горячий” цилиндр, например, окружающим воздухом, то “холодный” цилиндр будет разогреваться к высшей температуре. При этом внешняя энергия тратится не непосредственно на разогрев, а на “перекачивание” тепла из холодного места в теплее, что значительно эффективнее. Т.е. двигатель Стирлинга функционирует в режиме теплового насоса, и образовывает теплоту для целевого использования.
Криокулер Стирлинга также работает по принципу теплового насосу, но применяется как холодильная установка для получения очень низких температур. В широких масштабах их начали изготовлять уже 15-20 лет тому – преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах необходимо было устанавливать высокочувствительные датчики и приемники, охлаждаемые до температуры -200°С. Для такого охлаждения и было разработано криокулери, работа которых основывается на обратном цикле Стирлинга.
Вообще и современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к границе, обусловленной физическими законами. Дальнейшее повышение характеристик требует перехода к элементам, охлаждаемым к температурам -100°…-200°С. На мировых конференциях по электронике перспективынм на сегодня признано использования именно криокулеров Стирлинга. Модели криокулеров небольшой мощности выпускаются мелкими сериями и стоят $10000...15000. При условии перехода к многосерийному производству можно ожидать, что цены уменьшатся в несколько раз, что сделает их использование коммерчески рентабельным, сначала в таких системах как файлы-серверы и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах.
Рис. 5. Искусственное сердце
Одной из нетрадиционных областей применения двигателя Стирлинга есть медицина. Его применяют в системах искусственного сердца. Источником энергии в таких системах, как правило, есть радиоизотопы.
Рис. 6 Когенерационная установка на базе двигателя Стирлинга
Кроме упомянутых довольно экзотических областей применения двигателей Стирлинга, уже сейчас есть приемлемым их внедрения в когенерационных установках. На рис. 6 изображена такая установка с двигателем Стирлинга.
Когенерационные установки предназначены для полного использования энергии, которая высвобождается во время сгорания топлива. Часть этой энергии превращается в электроэнергию, остальная – в теплоту, которая используется для удовлетворения бытовых нужд. Т.е. двигатель производит электроэнергию, а теплота из его системы охлаждения, смазки и выпускной системы утилизируется и обеспечивает горячее водоснабжение, отопление помещений и т.п. Благодаря общему производству электрической и тепловой энергии в когенерационных установках обеспечивается значительная экономия топлива – до 30%.
Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установках.
В США и странах Европы, прежде всего Германии, уже начато серийное производство небольших теплоэлектрических установок с двигателем Стирлинга, например, для нужд одной семьи. Электрическая мощность установки составляет 2…9 кВт, тепловая – 8…24 кВт. Общий КПД установки достигает 92…94%,благодаря тому, что теплоту, которая не использована в двигателе, утилизировано в системе бытового теплоснабжения. Топливом для такого двигателя Стирлинга является природный газ. В конце 2001 года был изготовлен двигатель, топливом для которого служат отходы деревообрабатывающей промышленности. Теперь ведется разработка двигателя, топливом для которого станет биогаз.
Поскольку когенерационные установки с двигателями Стирлинга могут иметь небольшую мощность и применяют их преимущественно в частных домах, то производители ожидают, что, по крайней мере в Германии, спрос на них будет достигать 50000 установок на год. На 2002 год стоимость одной такой установки составляла 24000 $. С дальнейшим ростом спроса также ожидают уменьшения стоимости такой установки.
Запасы традиционного нефтяного топлива стремительно сокращаются. Газ, бензин, дизельное топливо дорожает. Поэтому применение альтернативных источников энергии – не просто перспективно, а единственно возможный способ выживания человечества. В развитых странах активно внедряют альтернативную энергетику. В частности, Швеция до 2020 года планирует полностью отказаться от традиционного топлива.
Все приведенные примеры применения двигателя Стирлинга реальные и практически реализованы. Тем не менее, до сих пор двигатели с внешним подводом теплоты не приобрели распространение, возможно, через стереотипность мышления, или инертность промышленного производства. Но современный мир изменяется, изменяются и приоритеты развития техники. Поэтому, целиком возможно, что вскоре двигатель Стирлинга придет почти в каждый дом, как тепловой двигатель, элемент системы отопления или составляющая домашнего компьютера.
Источник: www.avoska.com.ua Wikipedia
renewable.com.ua
