Різне

Двигун Стірлінга

14.10.2015

Двигун Стірлінга

Стаття опублікована 26.06.2014 05:56 останнє редагування проведена 26.06.2014 05:58

Двигун зовнішнього згоряння Стірлінга — теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається в замкнутому об’ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Заснований на періодичному нагріванні й охолодженні робочого тіла з отриманням енергії з виникаючого при цьому зміни об’єму робочого тіла. Може працювати не тільки від спалювання палива, але від будь-якого джерела тепла.

Хронологію подій, пов’язану з розробкою двигунів часів 18 століття, ви можете спостерігати у цікавій статті — «Історія винаходу парових машин». А ця стаття присвячена великому винахіднику Роберту Стирлингу і його дітища.

Двигун Стірлінга

Історія створення.

Патент на винахід двигуна Стірлінга як не дивно належить шотландському священика Роберта Стирлингу. Його він отримав 27 вересня 1816 року. Перші «двигуни гарячого повітря» були відомі світу ще в кінці XVII століття, задовго до Стірлінга. Одним з важливих досягнень Стірлінга є додавання очисника, прозваний ним же самим «економом».

У сучасній науковій літературі, цей очисник має зовсім іншу назву — «рекуператор». Завдяки йому продуктивність двигуна зростає, оскільки очищувач утримує тепло в теплій частині двигуна, а робоче тіло в той же час охолоджується. Завдяки цьому процесу ефективність системи значно зростає. Рекуператор являє собою камеру, заповнену дротом, гранулами, гофрованої фольгою (гофри йдуть уздовж напрямку потоку газу). Газ, проходить через наповнювач рекуператора в одну сторону, віддає (або набуває тепло, а при русі в іншу сторону відбирає (віддає). Рекуператор може бути і зовнішнім по відношенню до циліндрів і може бути розміщений на поршні-вытеснителе в бета — і гамма-конфігураціях. Габарити і вага машини в цьому випадку менше. В якій мірі роль рекуператора виконується зазором між витискувачем і стінками циліндра (якщо циліндр довгий, то потреби в такому пристрої немає взагалі, однак з’являються значні втрати через в’язкості газу). В альфа-стирлинге рекуператор може бути тільки зовнішнім. Він монтується послідовно з теплообмінником, в якому з боку холодного поршня, відбувається нагрівання робочого тіла.

У 1843 році Джеймс Стірлінг використовував цей двигун на заводі, де він у той час працював інженером. У 1938 році в мотор Стірлінга, потужністю більш двохсот кінських сил і віддачею більш 30 % інвестувала фірма «Філіпс». Оскільки двигун Стірлінга має багато переваг, то в епоху парових машин, він був широко поширений.

Недоліки.

• Матеріаломісткість — основний недолік двигуна. У двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга зокрема, робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масо-габаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.

• Для отримання характеристик, порівнянних з характеристиками ДВЗ, доводиться застосовувати високі тиску (понад 100 атм) і спеціальні види робочого тіла — водень, гелій.

• Тепло не підводиться до робочого тіла безпосередньо, а тільки через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, з-за чого ККД виявляється нижче, ніж можна було очікувати. Гарячий теплообмінник працює в дуже напружених умовах теплопередачі, і при дуже високих тисках, що вимагає застосування високоякісних та дорогих матеріалів. Створення теплообмінника, який задовольняв би суперечливим вимогам, досить важко. Чим вище площа теплообміну, тим менше втрати тепла. При цьому зростає розмір теплообмінника і об’єм робочого тіла, що не бере участі у роботі. Оскільки джерело тепла розташований зовні, двигун повільно реагує на зміну теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати потрібну потужність при запуску.

• Для швидкого зміни потужності двигуна використовуються методи, відмінні від тих, які застосовувалися у двигунах внутрішнього згоряння: буферна ємність змінюваного обсягу, зміна середнього тиску робочого тіла в камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витискувачем. В останньому випадку реакція двигуна на керуючу дію водія є практично миттєвою.

Переваги.

Тим не менш, двигун Стірлінга має переваги, які змушують займатися його розробкою.

• «Всеїдність» двигуна — як всі двигуни зовнішнього згоряння (вірніше — зовнішнього підведення тепла), двигун Стірлінга може працювати від майже будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними верствами в океані, від сонця, від ядерної або ізотопного нагрівача, вугільної або дров’яної печі і т. д.

• Простота конструкції — конструкція двигуна дуже проста, він не вимагає додаткових систем, таких як газорозподільний механізм. Він запускається самостійно і не потребує стартері. Його характеристики дозволяють позбутися від коробки передач. Однак, як вже зазначалося вище, він має більшу матеріаломісткістю.

• Збільшений ресурс — простота конструкції, відсутність багатьох «ніжних» агрегатів дозволяє стирлингу забезпечити небувалий для інших двигунів ресурс в десятки і сотні тисяч годин безперервної роботи.

• Економічність — у разі перетворення сонячної енергії в електрику стирлинги іноді дають більший ККД (до 31,25 %), ніж теплові машини на пару.

• Безшумність двигуна — стірлінг не має вихлопу, а значить — не шумить. Бета-стірлінг з ромбічним механізмом є ідеально збалансованим пристроєм і, при досить високій якості виготовлення, навіть не має вібрацій (амплітуда вібрації менше 0,0038 мм).

• Екологічність — сам по собі стірлінг не має якихось частин чи процесів, які можуть сприяти забрудненню навколишнього середовища. Він не витрачає робоче тіло. Екологічність двигуна обумовлена насамперед екологічністю джерела тепла. Варто також відзначити, що забезпечити повноту згоряння палива в двигуні зовнішнього згоряння простіше, ніж в двигуні внутрішнього згоряння.

Альтернатива паровим двигунам.

В 19 столітті інженери намагалися створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, з-за того що котли вже винайдених двигунів часто вибухали, не витримуючи високого тиску пари і матеріалів, які зовсім не підходили для їх виготовлення і споруди. Двигун Стірлінга став хорошою альтернативою, оскільки він міг перетворювати в роботу будь-яку різницю температур. В цьому і полягає основний принцип роботи двигуна Стірлінга. Постійне чергування нагрівання й охолодження робочого тіла в закритому циліндрі приводить в рух поршень. Зазвичай в ролі робочого тіла виступає повітря, але також використовуються водень і гелій. Але так само проводилися досліди з водою. Головна особливість двигуна Стірлінга з рідким робочим тілом є малі розміри,більші робочі тиску і висока питома потужність. Також існує Стірлінг з двофазним робочим тілом. Питома потужність і робочий тиск в ньому теж досить високі.

Можливо, з курсу фізики ви пам’ятаєте, що при нагріванні газу його обсяг збільшується, а при охолодженні — зменшується. Саме це властивість газів і закладено в основі роботи двигуна Стірлінга. Двигун Стірлінга використовує цикл Стірлінга, який не поступається за циклом Карно термодинамічної ефективності, і в деякому роді навіть володіє перевагою. Цикл Карно складається з мало відрізняються між собою ізотерм і адиабат. Практична реалізація такого циклу складна і малоперспективна. Цикл Стірлінга дозволив отримати практично працюючий двигун в прийнятних габаритах.

Всього в циклі Стірлінга чотири фази, розділені двома перехідними фазами: нагрівання, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. При переході від теплого до холодного джерела джерела відбувається розширення і стиснення газу, який знаходиться в циліндрі. В ході цього процесу змінюється тиск з чого і можна отримати корисну роботу. Корисна робота проводиться тільки за рахунок процесів, що проходять з постійною температурою, тобто залежить від різниці температур нагрівача і охолоджувача, як у циклі Карно.

Конфігурації.

Інженерами поділяються двигуни Стірлінга на три типи:

Двигун Стірлінга
Двигун Стірлінга
Двигун Стірлінга
Превью — збільшення по кліку.

• Альфа-Стірлінг — містить два роздільних силових поршня в окремих циліндрах. Один поршень — гарячий, інший — холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з більш високою температурою, а циліндр з холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. Відношення потужності до обсягу достатньо велико, проте висока температура «гарячого» поршня створює певні технічні проблеми.

• Бета-Стірлінг — один циліндр, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Всередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і «насос», що змінює обсяг гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витискувачем.

• Гамма-Стірлінг — є поршень і «насос», але при цьому два циліндра — один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця і холодний з іншого (там рухається «насос»). Регенератор може бути зовнішнім, в цьому випадку він з’єднує гарячу частину другого циліндра з холодною і одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витискувача.

Короткий опис статті: двигун стірлінга Двигун зовнішнього згоряння Стірлінга винайдений в 1816 році, він має цілий ряд преемуществ, але без недоліків не обійшлося… Двигун зовнішнього згоряння Стірлінга, Двигун Стірлінга

Джерело: Двигун Стірлінга

Також ви можете прочитати