Двигун стірлінга

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

25.08.2015

Двигун Стірлінга

1. Введення 2

2. Принцип роботи і пристрій 5

3. Перспективи використання 8

4. Висновок 14

5. Список літератури 15

6. Додатка 18

Вступ

Машина «Економайзер» (economiser), створена Робертом Стирлингом і названа їм так було запатентовано 21 вересня 1816 року в Единбурзі, столиці Шотландії. У повсякденному житті Роберт Стірлінг був священиком шотландської церкви і продовжував вести служби, хоча йому до цього часу виповнилося вісімдесят шість років. У вільний час у своїй домашній майстерні він конструював теплові машини. Одну з його працювали моделей пізніше використав лорд Кельвін для своїх університетських лекцій.

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

Один з перших двигунів Стірлінга

Двигун Стірлінга в той час вважався надійним паровий машиною, яка ніколи не вибухає, як це досить часто траплялося з іншими типами парових двигунів у ті часи.

Двигун Стірлінга є унікальною теплової машиною. Його теоретична ефективність практично дорівнює максимальній ефективності теплових машин (ефективність циклу Карно ). Він функціонує за рахунок теплового розширення газу. Потім слід охолодження газу, після чого – стиснення. Двигун Стірлінга включає в себе певний постійний об’єм робочого газу. Він переміщується між «холодної» частиною (зазвичай кімнатної температури) і «гарячої» частиною. «Гаряча» частина зазвичай розігрівається за рахунок спалювання будь-якого виду палива, атомним реактором або за рахунок сонячного тепла. Двигун Стірлінга вважається двигун зовнішнього згоряння, оскільки нагрів проводиться зовні, а не зсередини.

З моменту винаходу було розроблено велику кількість різних різновидів двигунів Стірлінга з метою підвищення потужності та ефективності. Тим не менш, вони поступалися по питомій потужності двигунів Отто і Дизеля. Двигун Отто, винайдений в 1877 році і двигун Дизеля, винайдений в 1893 мали більш високу питому потужність, ніж двигуни Стірлінга того часу. Це призвело до поступового витіснення двигуна Стірлінга з промисловості. Вони ще широко застосовувалися на початку нашого століття на фермах і шахтах — в основному для приведення в дію різних насосів і інших застосувань, де не потрібна висока питома потужність, а основними критеріями є надійність і економічність. Але до 1940 році їх випуск був припинений.

У 1850 проста і елегантна динаміка двигуна Стірлінга був уперше теоретично описано професором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизно через сто років термін «Двигун Стірлінга» був використаний Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для позначення всіх типів регенеративних парових машин замкнутого циклу.

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

Демонстраційна модель двигуна Стірлінга

Двигуни Стірлінга досить довгий час використовувалися лише як іграшки та навчальні посібники в школах і університетах при вивченні термодинаміки. Але в останні роки інтерес до двигуна Стірлінга швидко зростає. На двигуні Стірлінга стали здійснювати промисловий випуск домашніх електрогенераторів (див. додаток 1). Національним Аерокосмічним Агентством США (NASA) були проведені порівняльні оцінки різних типів теплових машин для використання в космічній апаратурі ( див. додаток 2 ). Завдяки своєму високому ккд і надійності двигун Стірлінга був визнаний найбільш перспективним. Випускаються холодильні установки, що працюють на зворотному циклі Стірлінга — як промислові, дозволяють отримувати температуру до -240 0 З ( див. додаток 3 ), так і призначені для використання в побутових холодильниках. В останньому випадку їх переваги перед традиційними системами обумовлені тим, що в якості холодоагенту в них може бути використаний звичайний повітря.

Таким чином, можна сказати, що історія двигуна Стірлінга далеко не закінчена. Його розвиток входить в новий перспективний етап. Двигун Стірлінга є тепловою машиною замкнутого циклу. Його робота заснована на розширенні газу, що використовується як робоче тіло, при підвищенні температури. На рисунку наведено діаграми для ідеального циклу Стірлінга в координатах тиск-об’єм P-V і температура-ентропія T-S та ілюстрації відповідних процесів.

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

Точки, що розділяють етапи роботи двигуна позначені цифрами на діаграмах. На першому етапі (1-2) відбувається ізотермічне розширення газу. Далі, на наступному етапі (2-3) — охолодження при постійному обсязі. Далі (етап 3-4) — ізотермічне стиснення охолодженого газу. І нарешті на етапі 4-1 розігрів при постійному обсязі. Корисна робота виконується газом лише на першому етапі. Все решта відбувається за рахунок частини енергії запасеної (зазвичай, енергії обертового колеса).

Існують два основних типи двигунів Стірлінга, які відрізняються пристроєм циліндрів. У першому — так званому двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) використовуються роздільні циліндри для нагрівання та охолодження робочого газу.

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

Двоциліндровий двигун Стірлінга

На цьому малюнку верхня частина гарячого циліндра з поршнем (hot piston) постійно нагрівається зовнішнім джерелом тепла, в той час, як верхня частина холодного циліндра з поршнем (cold piston) постійно охолоджується. Слід звернути увагу, що поршні закріплені на колінчастому валу (crank shaft) так, що забезпечують зсув по фазі на 90 градусів, тобто в той час, як гарячий поршень досягає верхнього положення, холодний знаходиться в середньому положенні, рухаючись вгору. Цей момент сооответствует етапу 2-3 на попередньому малюнку — охолодження при постійному обсязі. Потім холодний поршень піднімається вгору, стискаючи охолоджений газ при постійній температурі — етап 3-4. Коли холодний поршень витісняє охлаженный та стиснений газ в гарячий циліндр, той розігрівається при постійному обсязі — етап 4-1. І нарешті, гарячий газ розширюється, штовхаючи поршень в гарячому циліндрі вниз — етап 1-2. На останньому етапі виділяється потужність, частина якої запасається обертовим колесом (flywheel).

В іншій конструкції — двигуні Стірлінга поршневого типу (Displacer type Stirling engine) — використовується один циліндр, одна сторона якого (верхня на наведеному нижче малюнку) постійно охолоджується, а інша — постійно нагрівається. Поршень-дисплейсер (displacer), що розділяє холодну і гарячу частині циліндра, нещільно прилягає до стінок циліндра, що дозволяє газу переміщатися між ними. У цій конструкції поршні так само закріплені на колінчастому валу зі зсувом по фазі на 90 градусів. Двигун работаетпо тим же принципом, що і попередня конструкція.

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

Двигун Стірлінга поршневого типу

І в тій, і в іншій конструкції теплова енергія нагрівача перетвориться в механічну енергію обертання валу. Однак, можливо використання і зворотного циклу Стірлінга — якщо за рахунок зовнішнього двигуна обертати вал в цих машинах, робочий газ буде рухатися з того ж циклу. При цьому «гарячий» циліндр буде охолоджуватися, а «холодний» — розігріватися. Тобто двигун Стірлінга в цьому випадку буде працювати як тепловий насос, тобто холодильна машина. Робочим тілом у ньому може служити будь-який газ, у тому числі і атмосферне повітря.

Перспективи застосування

Двигун Стірлінга з успіхом може застосовуватися в деяких нових «екологічних нішах», завдяки розвитку науки і техніки. На наведених нижче рисунках показані. деякі з них.

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

Перспективні застосування двигуна Стірлінга.

Приклад сонячної енергетичної установки (solar power system) показаний на першому малюнку. Ефективність його використання в даних системах обумовлена простотою і надійністю конструкції двигуна Стірлінга, а також високим к. п. д. В ролі охолоджувача може використовуватися навколишній атмосферне повітря. Сонячне світло фокусується увігнутими дзеркалами для розігріву двигуна (в якості джерела тепла). Роль такого екологічно чистого джерела енергії у сучасному світі важко переоцінити.

Тепловий насос Вуллемейера схематично зображено на другому малюнку (Vuillemeier Heat Pump). Відомо, що при використанні зворотного циклу Стірлінга, тобто якщо, наприклад, приводити двигун Стірлінга в рух з допомогою якого-небудь зовнішнього джерела (наприклад, ще одного двигуна Стірлінга), «гарячий» циліндр буде охолоджуватися, а «холодний» — розігріватися. Якщо при цьому розігрівати «гарячий» циліндр (наприклад, навколишнім повітрям), «холодний» циліндр буде розігріватися до більш високої температури. При цьому зовнішня енергія витрачається не безпосередньо на розігрів, а на «перекачування» тепла з холодного місця в більш тепле, що набагато ефективніше. Для ідеального випадку к. п. д. такої системи може бути обчислений як

StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

тут

Т — абсолютна температура холодної частини

Тh — абсолютна температура гарячої частини

Оскільки навіть у сильні морози Т рідко опускається нижче 250 градусів Кельвіна, для підтримання Тh на рівні 300 градусів Кельвіна ( 27 0 ) к. п. д. становить 250/(300-250)=5. Тобто, витративши 1 кВт. год електроенергії на роботу теплового насоса, ми отримаємо в 5 разів більше тепла, ніж якщо б подавали ту ж потужність прямо на електронагрівач. Звідси легко зрозуміти інтерес до теплових насосів на основі циклу Стірлінга.

На наступному рисунку зображено криокулер Стірлінга (Stirling cryocooler), що працює за тим же принципом теплового насоса, але використовується в якості холодильної установки для отримання дуже низьких температур.

Двигун Стірлінга, встановлений на атомному підводному човні показаний на останньому малюнку. Високий к. п. д. і надійність роблять його ідеальним кандидатом для перетворення теплової енергії, що виробляється атомним реактором, в механічну, так як в цьому випадку вага і габарити двигуна не грають великої ролі. Двигун Стірлінга може бути розміщений в ізольованій частині корпусу, що особливо істотно в разі утрудненого доступу. Крім того, він практично не потребує догляду і налаштування (як у випадку підводних човнів або космічних апаратів).

Так, фахівці NASA ( Національного Аерокосмічного Агентства США) були виконані попередні опрацювання проекту створення населеної бази на Місяці ( див. додаток 2 ). Проектом передбачається поступове, «еволюційний» будівництво бази — починаючи з маленького жилого модуля і до великої производственой бази з повною обробкою корисних копалин. В якості основного джерела енергії для роботи в умовах місячної поверхні був обраний атомний реактор SP-100 тепловою потужністю 2500 кВт і 8 електричних генераторів, що працюють від двигунів Стірлінга. Два з них передбачалося тримати в резерві для забезпечення необхідного рівня резервування потужності, а решта планувалося використовувати на 91.7 процентів від їх номінальної електричної потужності (150 кВт). Таким чином, повна проектна електрична потужність становить 825 кВт. В якості додаткового джерела на першому етапі будівництва передбачено використання нарощуваних сонячних батарей. У проекті наводиться докладний технічний опис реакторної установки, конструкції і теплового приєднання двигунів Стірлінга, систем відведення тепла і розподілу потужності.

Описаний місячний проект демонструє потенційні застосування двигунів Стірлінга в майбутньому.

В даний час почався випуск домашніх електрогенераторів на двигуні Стірлінга. У наведеному рекламному матеріалі описано суміщений нагрівач-електрогенератор WG800 потужністю 800 Вт на двигуні Стірлінга. Прилад універсальний, призначений для використання як в домашніх умовах, так і під відкритим небом. Його переваги — висока надійність і автономність (5000 годин роботи до першого технічного обслуговування), низький рівень шуму — пальне згоряє безперервно, на відміну від двигунів внутрішнього згоряння, де воно надходить у циліндр порціями і там вибухає. В якості палива може використовуватися природний газ, всі види рідкого палива, вугілля і навіть дроваВсе це робить його надзвичайно зручним для використання у віддалених від электосетей. На ринку доступні так само більш потужні, 3 кВт, моделі приладу.

Інший приклад сучасного використання приладів, заснованих на циклі Стірлінга — криокулеры. У широких масштабах їх почали виробляти близько десяти років тому — переважно для використання у військовій техніці: на танках і літаках треба було встановлювати високочутливі охолоджувані до температур порядку -200 0 З датчики і приймачі. Для їх охолодження і були розроблені криокулеры на основі зворотного циклу Стірлінга. Нижче наводиться короткий опис одного з вітчизняних криокулеров, які у зв’язку з конверсією надійшли на відкритий ринок.

Сучасна напівпровідникова електроніка підійшла в своєму розвитку до межі, обумовленої фізичними законами. Подальше підвищення характеристик вимагає застосування охолоджуючих пристроїв до температур порядку -100 0 -200 0 З елементів. На останніх конференціях по електроніці (ISEC-97, EUCAS-97) активно обговорюються різні способи охолодження апаратури. На сьогоднішній день найбільш перспективним визнано використання криокулеров на циклі Стірлінга. Наявні в даний час випускаються дрібними серіями моделі малопотужних криокулеров коштують близько 10-15 тисяч доларів. При переході до багатосерійного виробництва очікується, що ціни впадуть у кілька разів, що зробить комерційно вигідним використання охолоджуваних елементів спочатку в найбільш відповідальних системах — таких, як файл-сервери, і великі комп’ютери, а в перспективі і в побутових комп’ютерах. Таким чином, можна очікувати, що до середини наступного століття, у міру розповсюдження домашніх комп’ютерів, двигун Стірлінга прийде практично в кожен будинок.

Висновок

Двигун Стірлінга після свого винаходу в 1816 році пережив перший період свого широкого розповсюдження — в кінці минулого — початку нашого століття, після чого був практично забутий. Але в останні роки почався новий період його поширення, він знову привертає до себе підвищений інтерес в самих різних областях використання. В даний час швидко розширюється використання криокулеров на основі циклу Стірлінга, випускаються електрогенератори, що працюють від двигунів Стірлінга. Його перевагами є надійність, високий к. п. д. можливість використання екологічно чистих джерел енергії, невибагливість. Все це в майбутньому дозволяє розраховувати на широке поширення двигуна Стірлінга.

Література.

1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press

2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press

3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon

4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.

5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press

6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.

7. Roberts, M. L. Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.

8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant-Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc. NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.

9. Brinker, D. J.; and Flood, D. J. Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.

10. A. C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.

11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.

12. Bloomfield, H. S. Small Reactor Power Systems for Укомплектованим Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.

13. Slaby, J. G. Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.

14. English, R. E.; and Guentart, D. G. Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J. vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.

15. Bien, D. D.; and Guentart, D. C. A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.

16. Roberts, B. B.; and Bland, D. Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.

17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Lunar Design for Base Applications 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989

Помилка в тексті? Виділи її мишкою і натисни StudyPort.Ru Двигун Стірлінга

Короткий опис статті: двигун стірлінга Допомогу у вирішенні завдань з задачників для Вузів, понад 4000 рефератів різних тематик, решебники до підручників з шкільних програм, пробні варіанти ЄДІ. фізика, волькенштейн, решебники, шпаргалки, реферати, антиволькенштейн, трофимова, приклади розв’язання задач, готові домашні завдання, ГДЗ, Алімов, Макарычев, Мордкович, Жохов, Атанасян, Гусєв, Зів, Погорєлов, Бархударов, Разумовська, Бім, Габрієлян, Радецький, Гузей, Голицынский, Кузовлєв, Клементьєва, Громов, Лукашник, Перышкин

Джерело: StudyPort.Ru — Двигун Стірлінга

Також ви можете прочитати