Двигун стірлінга недоліки. Двигун зовнішнього згорання можна зробити з консервної банки. Конструкція виконання «Альфа»

Двигуни зовнішнього згорання стали використовуватися тоді, коли людям потрібен був потужний і економічний джерело енергії. До цього використовувалися парові установки, однак вони були вибухонебезпечними, так як використовували гарячий пар під тиском. На початку 19 століття їм на зміну прийшли пристроєм і зовнішнім згорянням, а ще через кілька десятків років були винайдені вже звичні прилади з внутрішнім згорянням.

походження пристроїв

У 19 столітті людство зіштовхнулося з проблемою, яка полягала в тому, що парові котли занадто часто вибухали, а також мали серйозні конструктивні недоліки, що робило їх використання небажаним. Вихід був знайдений в 1816 році шотландським священиком Робертом Стірлінгом. Ці пристрої можна також називати "двигунами гарячого повітря", які застосовувалися ще в 17 столітті, проте ця людина додав до винаходу очищувач, який має назву в даний час регенератором. Таким чином, двигун зовнішнього згоряння Стірлінга був здатний сильно підвищити продуктивність установки, так як він зберігав тепло в теплій робочій зоні, в той час як робоче тіло охолоджувалося. Через це ефективність роботи всієї системи була значно збільшена.

У той час винахід використовувалося досить широко і знаходилося на підйомі своєї популярності, проте з часом його перестали використовувати, і про нього забули. На зміну обладнання зовнішнього згоряння прийшли парові установки і двигуни, але вже звичні, з внутрішнім згорянням. Знову про них згадали лише в 20 столітті.

Робота установки

Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння полягає в тому, що в ньому постійно чергуються два етапи: нагрівання та охолодження робочого тіла в замкнутому просторі і отримання енергії. Дана енергія виникає через те, що постійно змінюється обсяг робочого тіла.

Найчастіше робочою речовиною в таких пристроях стає повітря, однак можливе використання ще й гелію або водню. У той час поки винахід знаходилося на стадії розробки, як дослідів використовувалися такі речовини, як двоокис азоту, фреони, скраплений пропан-бутан. У деяких зразках намагалися застосовувати навіть звичайну воду. Варто відзначити, що двигун зовнішнього згоряння, який запускали з водою в якості робочої речовини, відрізнявся тим, що у нього була досить висока питома потужність, високий тиск, а сам він був досить компактним.

Перший тип двигуна. «Альфа»

Першою моделлю, яка використовувалася, стала «Альфа» Стірлінга. Особливість його конструкції полягає в тому, що вона має два силових поршня, що знаходяться в різних в роздільних циліндрах. Один з них мав досить високу температуру і був гарячим, інший, навпаки, холодним. Усередині теплообмінника з високою температурою розташовувалася гаряча пара циліндр-поршень. Холодна пара перебувала всередині теплообмінника з низькою температурою.

Основними перевагами теплового двигуна зовнішнього згоряння стало те, що вони мали високу потужність і обсяг. Однак температура гарячої пари при цьому була дуже велика. Через це виникали деякі технічні труднощі в процесі виготовлення таких винаходів. Регенератор даного пристрою знаходиться між гарячою і холодною сполучними трубками.

Другий зразок. «Бета»

Другим прикладом стала модель «Бета» Стірлінга. Основне конструктивне відмінність полягала в тому, що був лише один циліндр. Один з його кінців виконував роль гарячої пари, а інший кінець залишався холодним. Усередині даного циліндра переміщався поршень, з якого можна знімати потужність. Також всередині був витіснювач, який відповідав за зміну обсягу гарячої робочої зони. В даному обладнанні використовувався газ, який перекачувався з холодної зони в гарячу через регенератор. Цей вид двигуна зовнішнього згоряння мав регенератором у вигляді зовнішнього теплообмінника або ж поєднувався з поршнем-витіснювачем.

Остання модель. «Гамма»

останньою різновидом даного двигуна стала «Гамма» Стірлінга. Цей тип відрізнявся не тільки наявністю поршня, а також витіснювача, а ще й тим, що в його конструкцію входили вже два циліндра. Як і в першому випадку один з них був холодним і використовувався він для відбору потужності. А ось другий циліндр, як в попередньому випадку, був холодним з одного кінця і гарячим з іншого. Тут же переміщався витіснювач. В поршневому двигуні зовнішнього згоряння також був регенератор, який міг бути двох типів. У першому випадку він був зовнішнім і з'єднував між собою такі конструктивні частини, як гарячу зону циліндра з холодною, а також з першим циліндром. Другий тип - це внутрішній регенератор. Якщо використовувався цей варіант, то він входив в конструкцію витіснювача.

Використання Стірлінга обгрунтовано в тому випадку, якщо необхідний простий і невеликий перетворювач теплової енергії. Також його можна використовувати в тому випадку, якщо різниця температур недостатньо велика, щоб використовувати газові або ж парові турбіни. Варто зазначити, що на сьогоднішній день такі зразки стали використовуватися частіше. Наприклад, використовуються автономні моделі для туристів, які здатні працювати від газової конфорки.

Застосування пристроїв в даний час

Здавалося б, що таке старе винахід не може використовуватися в наші дні, однак це не так. NASA замовило двигун зовнішнього згоряння типу Стірлінга, однак в якості робочої речовини повинні використовуватися ядерні і радіоізотопні джерела тепла. Крім цього, він також успішно може бути використаний в наступних цілях:

• Використовувати таку модель двигуна для перекачування рідини набагато простіше, ніж звичайний насос. Багато в чому це завдяки тому, що в якості поршня можна застосовувати саму рідину, що перекачується. Крім того, вона ж і буде охолоджувати робоче тіло. Наприклад, такий вид "насоса" можна використовувати, щоб накачувати воду в іригаційні канали, використовуючи для цього сонячне тепло.
• Деякі виробники холодильників схиляються до встановлення таких пристроїв. Вартість продукції вдасться знизити, а в якості холодоагенту можна застосовувати звичайне повітря.
• Якщо поєднати двигун зовнішнього згоряння цього типу з тепловим насосом, то можна оптимізувати роботу теплової мережі в будинку.
• Досить успішно Стірлінга використовуються на підводних човнах ВМС Швеції. Справа в тому, що двигун працює на рідкому кисні, який згодом використовується для дихання. Для підводного човна це дуже важливо. До того ж таке обладнання має досить низьким рівнем шуму. Звичайно, агрегат досить великий і вимагає охолодження, але саме ці два чинники несуттєві, якщо мова йде про підводний човен.

Переваги використання двигуна

Якщо під час конструювання і складання застосувати сучасні методи, то вдасться підняти коефіцієнт корисної дії двигуна зовнішнього згоряння до 70%. Використання таких зразків супроводжується наступними позитивними якостями:

• Дивно, однак крутний момент в такий винахід практично не залежить від швидкості обертання колінчастого вала.
• В даному силовий агрегат відсутні такі елементи, як система запалювання і клапанна система. Також тут відсутній распредвал.
• Досить зручно те, що протягом усього періоду використання не буде потрібно проводити регулювання і налаштування обладнання.
• Дані моделі двигуна не здатні "стихнути". Найпростіша конструкція апарату дозволяє використовувати його досить тривалий час в повністю автономному режимі.
• Як джерело енергії можна використовувати практично все, починаючи від дров і закінчуючи уранових паливом.
• Природно, що в двигуні зовнішнього згорання процес спалювання речовин здійснюється зовні. Це сприяє тому, що паливо дожигается в повному обсязі, а кількість токсичних викидів мінімізується.

недоліки

Природно, що будь-який винахід не позбавлене недоліків. Якщо говорити про мінуси таких двигунів, то вони полягають в наступному:

1. Через те що згоряння здійснюється поза двигуном, відведення одержуваного тепла відбувається через стінки радіатора. Це змушує збільшувати габарити пристрою.
2. Матеріаломісткість. Для того щоб створити компактну й ефективну модель двигуна Стірлінга, необхідно мати якісну жароміцних сталь, яка зможе витримати великий тиск і високу температуру. Крім того, повинна бути низька теплопровідність.
3. Як мастила доведеться купувати спеціальний засіб, Так як звичайне коксується при високих температурах, Які досягаються в двигуні.
4. Для отримання досить високої питомої потужності доведеться використовувати або водень, або гелій як робоча речовина.

Водень і гелій як паливо

отримання високої потужності, Звичайно ж, необхідно, однак потрібно розуміти, що використання водню або гелію досить небезпечно. Водень, наприклад, сам по собі досить вибухонебезпечний, а при високих температурах він створює з'єднання, які називаються металлогідрітамі. Це відбувається, коли водень розчиняється в металі. Іншими словами, він здатний зруйнувати циліндр зсередини.

Крім того, і водень, і гелій - це леткі речовини, які характеризуються високою проникаючою здатністю. Якщо говорити простіше, то вони досить легко просочуються крізь практично будь-які ущільнення. А втрати речовини означають втрати в робочому тиску.

Роторний двигун зовнішнього згоряння

Серце такої машини - це роторна машина розширення. Для двигунів з зовнішнім типом згоряння цей елемент представлений у вигляді порожнього циліндра, який з обох сторін прикритий кришками. Сам по собі ротор має вигляд колеса, який посаджений на вал. Також у нього є певна кількість П-образних висуваються пластин. Для їх висунення використовується спеціальне висувний пристрій.

Двигун зовнішнього згорання Лук'янова

Юрій Лук'янов - це науковий співробітник Львівського політехнічного інституту. Він уже досить давно займається розробкою нових моделей двигунів. Вчений намагався зробити так, щоб в нових моделях були відсутні такі елементи, як коробка передач, распредвал і вихлопна труба. Основний недолік пристроїв Стірлінга полягав в тому, що вони мали надто великі габарити. Саме цей недолік вченому і вдалося усунути за рахунок того, що лопаті були замінені на поршні. Це допомогло зменшити розмір всієї конструкції в кілька разів. Деякі говорять про те, що можна зробити двигун зовнішнього згоряння своїми руками.

Всього близько ста років тому двигунів внутрішнього згоряння довелося в жорстокій конкурентній боротьбі завойовувати те місце, яке вони займають в сучасному автомобілебудуванні. Тоді їх перевага аж ніяк не представлялося настільки очевидним, як в наші дні. Дійсно, парова машина - головний суперник бензинового мотора - мала в порівнянні з ним величезними перевагами: безшумністю, простотою регулювання потужності, прекрасними тяговими характеристиками і вражаючою «всеїдністю», що дозволяє працювати на будь-якому виді палива від дров до бензину. Але в кінцевому підсумку економічність, легкість і надійність двигунів внутрішнього згоряння взяли верх і змусили примиритися з їх недоліками, як з неминучістю.
У 1950-х роках з появою газових турбін і роторних двигунів почався штурм монопольного становища, займаного двигунами внутрішнього згоряння в автомобілебудуванні, штурм, до сих пір не увінчався успіхом. Приблизно в ті ж роки робилися спроби вивести на сцену новий двигун, В якому вражаюче поєднується економічність і надійність бензинового мотора з безшумністю і "всеїдністю" парової установки. Це - знаменитий двигун зовнішнього згоряння, який шотландський священик Роберт Стірлінг запатентував 27 вересня 1816 роки (англійський патент № 4081).

фізика процесу

Принцип дії всіх без винятку теплових двигунів заснований на тому, що при розширенні нагрітого газу відбувається велика механічна робота, ніж потрібно на стиск холодного. Щоб продемонструвати це, досить пляшки і двох каструль з гарячою і холодною водою. Спочатку пляшку опускають в крижану воду, а коли повітря в ній охолоне, шийку затикають пробкою і швидко переносять в гарячу воду. Через кілька секунд лунає бавовна і нагрівається в пляшці газ виштовхує пробку, здійснюючи механічну роботу. Пляшку можна знову повернути в крижану воду - цикл повториться.
в циліндрах, порушених і хитромудрих важелях першої машини Стірлінга майже в точності відтворювався цей процес, поки винахідник не збагнув, що частина тепла, забирає в газу при охолодженні, можна використовувати для часткового підігріву. Потрібна лише якась ємність, в якій можна було б запасати тепло, забране у газу при охолодженні, і знову віддавати йому при нагріванні.
Але, на жаль, навіть це дуже важливе вдосконалення не врятувало двигун Стірлінга. До 1885 року досягнуті тут результати були дуже посередні: 5-7 відсотків к.к.д., 2 л. с. потужності, 4 тонни ваги і 21 кубометр займаного простору.
Двигуни зовнішнього згоряння не були врятовані навіть успіхом іншої конструкції, розробленої шведським інженером Еріксоном. На відміну від Стірлінга, він запропонував нагрівати і охолоджувати газ не при постійному обсязі, а при постійному тиску. 8 1887 році дещо тисяч невеликих Еріксоновському двигунів відмінно працювало в друкарнях, в будинках, на шахтах, на судах. Вони наповнювали водонапірні баки, приводили а дія ліфти. Еріксон намагався навіть пристосувати їх для приводу екіпажів, але вони виявилися надто важкими. У Росії до революції велику кількість таких двигунів випускалося під назвою «Тепло і сила».

Одним з перспективних джерел механічної енергії для автомобілів є двигун зовнішнього згоряння, розроблений уродженцем Шотландії Робертом Стірлінгом пару століть назад. Двигун зовнішнього згорання Стірлінга за принципом роботи сильно відрізняється від звичного для всіх ДВС. Але на якийсь час після розробки про нього благополучно забули.

Історія створення

У 1816 році уродженець Шотландії Роберт Стірлінг запатентував теплову машину, яку сьогодні називають на честь свого творця. Однак сама ідея двигунів гарячого повітря була придумана зовсім не їм. Але перший усвідомлений проект зі створення такого агрегату реалізував саме Стірлінг.

Він удосконалив систему, додавши в неї очищувач, в технічній літературі називався теплообмінником. Завдяки цьому сильно зросла продуктивність мотора завдяки утриманню його в теплі. Ця модель для того часу була визнана найміцнішою, оскільки ніколи не вибухала.

Незважаючи на такий швидкий успіх просування моделі, на початку двадцятого століття від подальшого розвитку двигуна зовнішнього згоряння відмовилися через його собівартості на користь двигуна внутрішнього згоряння.

Двигун Стірлінга: принцип роботи і модифікації

Принцип роботи будь-якого теплового двигуна полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані потрібні чималі механічні зусилля. Як наочний приклад можна навести досвід з двома каструлями, згідно з яким їх наповнюють холодною і гарячою водою. Опускають в холодну воду пляшку з закрученою пробкою. Після цього пляшку переносять в гарячу воду.

При такому переміщенні газ в пляшці здійснює механічну роботу і виштовхує пробку з горлечка. Перша модель двигуна зовнішнього згоряння працювала по точно таким же принципом. Однак пізніше творець усвідомив, що частина тепла, що виділяється можна використовувати для підігріву. Продуктивність агрегату від цього тільки зросла.

Трохи пізніше інженер зі Швеції Еріксон удосконалив конструкцію, висунувши ідею про охолодження і нагрівання газу при постійному тиску замість обсягу. Це дозволило двигуну «просунутися по кар'єрних сходах» і почати використовуватися в шахтах і друкарнях. Для екіпажів і транспортних засобів агрегат виявився занадто важким.

На малюнку наочно відображається робочий цикл двигуна Стірлінга.

Як працює двигун Стірлінга? Він перетворює теплову енергію, що підводиться ззовні, в корисну механічну роботу. Цей процес відбувається за рахунок зміни температури газу або рідини, що циркулюють в замкнутому об'ємі. У нижній частині агрегату робоча речовина нагрівається, збільшується в об'ємі і виштовхує поршень вгору.

Гаряче повітря надходить у верхню частину мотора і охолоджується за допомогою радіатора. Тиск робочого тіла знижується, а поршень опускається для повторення всього циклу. Система повністю герметична, завдяки чому робоча речовина не витрачається, а лише переміщається всередині циклу.

Крім того, існують мотори з відкритим циклом, в яких регулювання потоком реалізується за допомогою клапанів. Ці моделі називають двигуном Еріксона. В цілому принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння схожий з ДВС. При низьких температурах в ньому відбувається стиснення і навпаки. Нагрівання же здійснюється по-різному.

Тепло в двигуні зовнішнього згорання підводиться через стінку циліндра ззовні. Стірлінг здогадався застосовувати періодична зміна температури з витіснювальний поршнем. Цей поршень переміщує гази з однієї порожнини циліндра в іншу. При цьому з одного боку постійно підтримуються низькі температури, а з іншого - високі. При переміщенні поршня вгору газ переміщається з гарячої в холодну порожнину.

Система витискує в двигуні з'єднана з робочим поршнем, який стискає газ в холоді і дозволяє розширюватися в теплі. Корисна робота відбувається якраз завдяки стисненню в більш низьких температурах. Безперервність забезпечується кривошипно-шатунним механізмом. Особливих кордонів між стадіями циклу не спостерігається. Завдяки цьому ККД двигуна Стірлінга не зменшується.

Деякі деталі роботи двигуна

В теорії підводити енергію в двигун зовнішнього згоряння може будь-яке джерело тепла (сонце, електрику, паливо). Принцип роботи тіла двигуна полягає в використанні гелію, водню або повітря. Термічним максимально можливим ККД має ідеальний цикл. ККД при цьому становить від 30 до 40%. Ефективний регенератор може забезпечити більш високий ККД. Вбудовані теплообмінники забезпечують регенерацію, обмін і охолодження в сучасних двигунах. Їх перевагою є робота без масел. В цілому мастила двигуна необхідно трохи. Середній тиск в циліндрі варіюється від 10 до 20 МПа. Необхідна хороша ущільнювальна система і можливість попадання масла в робочі порожнини.

Згідно з теоретичними розрахунками ефективність двигуна Стірлінга сильно залежна від температури і може досягати навіть 70%. Найперші реалізовані в металі зразки двигуна володіли низьким ККД, оскільки варіанти теплоносія були неефективні і обмежували максимальну температуру нагрівання, були відсутні конструкційні матеріали, стійкі до високому тиску. У другій половині XX століття двигун з ромбічним приводом під час випробувань перевищив показник 35% ККД на водному теплоносії і з температурою 55 градусів за Цельсієм. Удосконалення конструкції в деяких експериментальних зразках дозволило досягти практично 39% ККД. Майже всі сучасні бензинові двигуни, Що мають аналогічну потужність, мають ККД 28 - 30%. Турбовані дизелі досягають близько 35%. Найсучасніші зразки двигунів Стірлінга, розроблені компанією Mechanical Technology Inc в США, показують ефективність до 43%.

Після освоєння жароміцної кераміки та інших інноваційних матеріалів з'явиться можливість ще сильніше збільшити температуру середовища. ККД може за таких умов досягти навіть 60%.

Існує кілька модифікацій двигуна зовнішнього згоряння Стірлінга.

Модифікація «Альфа»

Такий двигун складається з гарячого і холодного роздільних силових поршнів, що знаходяться у власних циліндрах. До циліндру з гарячим поршнем надходить тепло, а холодний розташовується в охолодному теплообміннику.

Модифікація «Бета»

У цьому варіанті двигуна циліндр, в якому розташувався поршень, з одного боку нагрівається, а інший охолоджується. Усередині циліндра рухаються витіснювач і силовий поршень. Витіснювач призначений для зміни обсягу робочого газу. Регенератор ж виконує повернення остиглого робочої речовини в нагріту порожнину двигуна.

Модифікація «Гамма»

Вся нехитра конструкція модифікації «Гамма» виконана з двох циліндрів. Перший з них повністю холодний. У ньому робить рух силовий поршень. А другий - холодний тільки з одного боку, а з іншого - нагрітий. Він служить для переміщення механізму витіснювача. Регенератор циркуляції холодного газу в цій модифікації може бути загальним для обох циліндрів і бути включеним в конструкцію витіснювача.

Переваги двигуна зовнішнього згоряння

Цей вид двигунів невибагливий в плані палива, оскільки основою його роботи є перепад температур. Чим викликаний цей перепад - особливого значення не має. Двигун Стірлінга має просту конструкцію і не потребує додаткових системах і навісному обладнанні (Стартер, коробка передач). Деякі особливості пристрою двигуна є гарантією довгого терміну експлуатації: двигун може працювати безперервно протягом приблизно ста тисяч годин. Ще одним серйозним перевагою двигуна зовнішнього згоряння є безшумність. Вона обумовлена \u200b\u200bтим, що в циліндрах відсутня детонація і немає необхідності у висновку відпрацьованих газів. Особливо виділяється за цим параметром модифікація «Бета». Її конструкція оснащена ромбоподібним кривошипно-шатунним механізмом, який забезпечує відсутність вібрацій під час роботи. І, нарешті, екологічність. В циліндрах двигуна відсутні процеси, здатні негативно впливати на навколишнє середовище.

При виборі альтернативних джерел тепла (енергії сонця) двигун Стірлінга перетворюється в різновид екологічно чистого силового агрегату.

Недоліки двигуна зовнішнього згоряння

Масовий випуск таких двигунів в даний час неможливий. Основна проблема - це матеріаломісткість конструкції. Охолодження робочого тіла двигуна вимагає установку радіаторів з великими обсягами. Внаслідок цього збільшуються розміри. Використання складних видів робочого тіла на зразок водню або гелію піднімає питання про безпеку двигуна. Теплопровідність і температурна стійкість повинні бути на високому рівні. Тепло до робочого об'єму надходить через теплообмінники. Таким чином, частина тепла втрачається по дорозі. При виготовленні теплообмінники доводиться використовувати термостійкі метали. При цьому метали повинні бути стійкі до високого тиску. Всі ці матеріали коштують дорого і довго обробляються. Принципи зміни режимів двигуна зовнішнього згоряння сильно відрізняються від традиційних. Потрібна розробка спеціальних пристроїв, що управляють. Зміна потужності викликається зміною тиску в циліндрах і кута фаз між витіснювачем і силовим поршнем. Також можна змінити ємність порожнини з робочим тілом.

Приклади реалізації двигунів зовнішнього згоряння на автомобілях

Працездатні моделі такого двигуна були випущені у світ, незважаючи на всі складності виготовлення. У 50 роки XX століття у автомобілебудівних компаній з'явилася зацікавленість в цьому різновиді силового агрегату. В основному реалізацією двигунів Стірлінга на автомобілях займалися Ford Motor Company і Volkswagen Group. Шведська компанія UNITED STIRLING розробила такий двигун, в якому розробники намагалися частіше використовувати серійні агрегати і вузли (колінвал, шатуни). Був розроблений чотирициліндровий V-подібний двигун, який володів питомою масою 2,4 кг / кВт. Аналогічної масою володіє компактний дизель. Двигун спробували встановлювати на семитонні вантажні фургони.

Найбільш виділяється успішним зразком став Philips 4-125DA, доступний для установки на легкові автомобілі. Робоча потужність двигуна становила 173 кінських сили. Розміри несильно відрізнялися від звичайного бензинового ДВС.

Компанія General Motors розробила восьмициліндровий V-подібний двигун зовнішнього згоряння з серійним кривошипно-шатунним механізмом. У 1972 році обмежена версія автомобілів Ford Torino оснащувалася таким двигуном. Причому витрата палива знизилася на цілих 25% в порівнянні з попередніми моделями. Сьогодні кілька зарубіжних компаній намагаються удосконалювати конструкцію цього двигуна з метою адаптації для серійного виробництва і установки на легкові автомобілі.

Витіснив інші види силових установок, Однак, роботи, спрямовані на відмову від використання цих агрегатів, наводять на думку про швидку зміну лідируючих позицій.

З початку технічного прогресу, коли використання моторів, що спалюють пальне всередині, тільки починалося, не було очевидним їх перевага. Парова машина, Як конкурент, містить в собі масу переваг: поряд з тяговими параметрами, безшумна, всеїдна, легко управляється і настроюється. Але легкість, надійність і економічність дозволили двигуну внутрішнього згоряння взяти вгору над парою.

Сьогодні в основі стоять питання екології, економічності і безпеки. Це змушує інженерів кидати сили на серійні агрегати, що працюють за рахунок поновлюваних джерел палива. У 16 році дев'ятнадцятого століття Роберт Стірлінг зареєстрував двигун, що працює від зовнішніх джерел тепла. Інженери вважають, що цей агрегат здатний змінити сучасного лідера. Двигун Стірлінга поєднує економічність, надійність, працює тихо, на будь-якому паливі, це робить виріб гравцем на автомобільному ринку.

Роберт Стірлінг (1790-1878 роки життя):

Історія двигуна Стірлінга

Спочатку, установку розробляли з метою замінити машину, що працює за рахунок пара. Котли парових механізмів вибухали, при перевищенні допустимих норм тиском. З цієї точки зору Стірлінг набагато безпечніше, функціонує, використовуючи температурний перепад.

Принцип роботи двигуна Стірлінга в почергової подачі або відборі тепла у речовини, над яким виконується робота. Сама речовина укладено в обсяг закритого типу. Роль робочої речовини виконують гази, або рідини. Зустрічаються речовини, що виконують роль двох компонентів, газ перетворюється в рідину і навпаки. Жідкопоршневой мотор Стірлінга має: невеликими габаритами, потужний, виробляє великий тиск.

Зменшення і збільшення обсягу газу при охолодженні або нагріванні відповідно, підтверджується законом термодинаміки, згідно якого всі складові: ступінь нагріву, величина займаного простору речовиною, сила, що діє на одиницю площі, пов'язані і описуються формулою:

P * V \u003d n * R * T

• P - сила дії газу в двигуні на одиницю площі;
• V - кількісна величина, яку займає газом в просторі двигуна;
• n - молярное кількість газу в двигуні;
• R - постійна газу;
• T - ступінь нагріву газу в двигуні К,

Модель двигуна Стірлінга:

За рахунок невибагливості установок, двигуни підрозділяються: твердопаливні, рідке пальне, сонячна енергія, хімічна реакція і інші види нагріву.

цикл

Двигун зовнішнього згорання Стірлінга, використовує однойменну сукупність явищ. Ефект від протікає дії в механізмі високий. Завдяки цьому є можливість сконструювати двигун з непоганими характеристиками в рамках нормальних габаритів.

Необхідно враховувати, що в конструкції механізму передбачено нагрівач, холодильник і регенератор, пристрій, відведення тепла від речовини і повернення тепла, в потрібний момент.

Ідеальний цикл Стірлінга, (діаграма «температура-обсяг»):

Ідеальні кругові явища:

• 1-2 Зміна лінійних розмірів речовини з постійною температурою;
• 2-3 Відведення теплоти від речовини до теплообмінника, простір, займане речовиною постійно;
• 3-4 Примусове скорочення простору, займаного речовиною, температура постійна, тепло відводиться охолоджувача;
• 4-1 Примусове збільшення температури речовини, займане простір постійно, тепло підводиться від теплообмінника.

Ідеальний цикл Стірлінга, (діаграма «тиск-об'єм»):

З розрахунку (моль) речовини:

Підводиться тепло:

Отримується охолоджувачем тепло:

Теплообмінник отримує тепло (процес 2-3), теплообмінник віддає тепло (процес 4-1):

R - Універсальна постійна газу;

СV - здатність ідеального газу утримувати тепло при незмінній величині займаного простору.

За рахунок застосування регенератора, частина теплоти залишається, як енергія механізму, що не змінюється за що проходять кругові явища. Холодильник отримує менше тепла, таким чином, теплообмінник економить тепло нагрівача. Це збільшує ефективність установки.

ККД кругового явища:

ɳ =

Примітно, що без теплообмінника сукупність процесів Стірлінга здійсненна, але його ефективність буде значно нижче. Проходження сукупності процесів задом наперед веде до опису охолоджуючого механізму. У цьому випадку наявність регенератора, обов'язкова умова, оскільки при проходженні (3-2) неможливо нагріти речовину від охолоджувача, температура якого значно нижче. Так само неможливо віддати тепло нагрівача (1-4), температура якого вище.

Принцип роботи двигуна

Що б зрозуміти, як працює двигун Стірлінга, розберемося в пристрої і періодичності явищ агрегату. Механізм перетворює тепло, отримане від нагрівача, що знаходиться за межами вироби в дію сили на тіло. Весь процес відбувається завдяки температурному перепаду, в робочому речовині, що знаходиться в закритому контурі.

Принцип дії механізму базується на розширенні за рахунок тепла. Безпосередньо до розширення, речовина в замкнутому контурі нагрівається. Відповідно, перед тим, як стиснутися, речовина охолоджують. Сам циліндр (1) оповитий водяною сорочкою (3), на дно подається тепло. Поршень, що здійснює роботу (4) поміщений в гільзу і ущільнений кільцями. Між поршнем і дном знаходиться механізм витіснення (2), що має значні зазори і вільно переміщається. Речовина, що знаходиться в замкнутому контурі, рухається за обсягом камери за рахунок витіснювача. Переміщення речовини обмежена двома напрямками: дно поршня, дно циліндра. Рух витіснювача забезпечує шток (5), який проходить через поршень і функціонує за рахунок ексцентрика з запізненням на 90 ° в порівнянні з приводом поршня.

• Позиція «A»:

Поршень розташований в крайньому нижньому положенні, речовина охолоджується за рахунок стінок.

• Позиція «B»:

Витіснювач займає верхнє положення, переміщаючись, пропускає речовина через торцеві щілини на дно, сам охолоджується. Поршень стоїть нерухомо.

• Позиція «C»:

Речовина отримує тепло, під дією тепла збільшується в об'ємі і піднімає розширювач з поршнем вгору. Здійснюється робота, після чого витіснювач опускається на дно, виштовхуючи речовина і охолоджуючись.

• Позиція «D»:

Поршень опускається вниз, стискає охолоджене речовина, виконується корисна робота. Маховик служить в конструкції акумулятором енергії.

Розглянута модель без регенератора, тому ККД механізму не велика. Тепло речовини після здійснення роботи відводиться в охолоджуючу рідину, використовуючи стінки. Температура не встигає знижуватися на потрібну величину, тому час охолодження продовжується, швидкість мотора маленька.

види двигунів

Конструктивно, є кілька варіантів, що використовують принцип Стірлінга, основними видами вважаються:

Конструкція застосовує два різних поршня, поміщених в різні контури. Перший контур використовується для нагріву, другий контур застосовується для охолодження. Відповідно, кожному поршня належить свій регенератор (гарячий і холодний). Пристрій володіє хорошим співвідношенням потужності до обсягу. Недолік у тому, що температура гарячого регенератора створює конструктивні складності.

• Двигун «β - Стірлінг»:

Конструкція використовує один замкнутий контур, з різними температурами на кінцях (холодний, гарячий). У порожнині розташований поршень з витіснювачем. Витіснювач ділить простір на холодну і гарячу зону. Обмін холодом і теплом відбувається шляхом перекачування речовини через теплообмінник. Конструктивно, теплообмінник виконується в двох варіантах: зовнішній, поєднаний з витіснювачем.

• Двигун «γ - Стірлінг»:

Поршневий механізм передбачає застосування двох замкнутих контурів: холодного і з витіснювачем. Потужність знімається з холодного поршня. Поршень з витіснювачем з одного боку гарячий, з іншого боку холодний. Теплообмінник розташовується як всередині, так і зовні конструкції.

Деякі силові установки не схожі на основні види двигунів:

• Роторний двигун Стірлінга.

Конструктивно винахід з двома роторами на валу. Деталь здійснює обертальні рухи в замкнутому просторі циліндричної форми. Закладено синергетичний підхід реалізації циклу. Корпус містить радіальні прорізи. У поглиблення вставлені лопаті з певним профілем. Пластини надіті на ротор і можуть рухатися уздовж осі при обертанні механізму. Всі деталі створюють мінливі обсяги з виконуються в них явищами. Обсяги різних роторів зв'язані за допомогою каналів. Розташування каналів мають зрушення в 90 ° один до одного. Зрушення роторів відносно один одного становить 180 °.

• Термоакустичний двигун Стірлінга.

Двигун використовує акустичний резонанс для проведення процесів. Принцип заснований на переміщенні речовини між гарячою і холодною порожниною. Схема зменшує кількість рухомих деталей, складність в знятті отриманої потужності і підтримці резонансу. Конструкція відноситься до вільнопоршневих увазі мотора.

Двигун Стірлінга своїми руками

Сьогодні досить часто в інтернет магазині можна зустріти сувенірну продукцію, Виконану у вигляді розглянутого двигуна. Конструктивно і технологічно механізми досить прості, при бажанні двигун Стірлінга легко сконструювати своїми руками з підручних засобів. В інтернеті можна знайти велику кількість матеріалів: відео, креслення, розрахунки та інша інформація на цю тему.

Низькотемпературний двигун Стірлінга:

• Розглянемо найпростіший варіант хвильового двигуна, для виконання якого знадобиться консервна банка, м'яка поліуретанова піна, диск, болти і канцелярські скріпки. Всі ці матеріали легко знайти вдома, залишилося виконання наступних дій:
• Візьміть м'яку полімерну піну, виріжте на два міліметри меншим діаметром від внутрішнього діаметра консервної банки коло. Висота піни на два міліметри більше половини висоти банки. Поролон грає роль витискує в двигуні;
• Візьміть кришку банки, в середині зробіть дірку, діаметр два міліметри. Припаяйте до отвору порожнистий шток, який буде виконувати, роль спрямовуючої для шатуна двигуна;
• Візьміть коло, вирізаний з піни, вставте в середину кола гвинтик і застопоріть з двох сторін. До шайбі припаяйте попередньо випрямлену скріпку;
• У двох сантиметрах від центру просвердлите дірочку, діаметром три міліметри, протягніть витіснювач через центральний отвір кришки, припаяти кришку до банку;
• Зробіть з жерсті невеликий циліндр, діаметром півтора сантиметра, припаяти його до кришки банки таким чином, що б бічний отвір кришки виявилося чітко по центру всередині циліндра двигуна;
• Зробіть колінчастий вал двигуна з скріпки. Розрахунок виконується таким чином, що б рознос колін був 90 °;
• Виготовте стійку під колінчастий вал двигуна. З поліетиленової плівки зробіть пружну перетинку, надіньте плівку на циліндр, продавите її, зафіксуйте;

• Самостійно виготовте шатун двигуна, один кінець випрямленої вироби вигне в формі гуртка, другий кінець вставте в шматочок гумки. Довжина підганяється таким чином, що б в крайній нижній точці вала перетинка була втягнута, в крайній верхній точці, перетинка максимально витягнута. Налаштуйте інший шатун за таким же принципом;
• Шатун двигуна з гумовим наконечником приклейте до перетинки. Шатун без гумового наконечника закріпіть на витискувачі;
• Одягніть на кривошипний механізм двигуна маховик з диска. До банку приробити ніжки, щоб не тримати виріб в руках. Висота ніжок дозволяє розмістити під банкою свічку.

Після того, як вдалося зробити двигун Стірлінга будинку, мотор запускають. Для цього під банку поміщають запалену свічку, а після того, як банку прогрілася, дають поштовх маховика.

Розглянутий варіант установки можна швидко зібрати у себе вдома, як наочний посібник. Якщо поставити собі за мету і бажанням зробити двигун Стірлінга максимально наближений до заводських аналогам, у вільному доступі є креслення всіх деталей. Послідовне виконання кожного вузла дозволить створити працюючий макет ні чим не гірше комерційних версій.

переваги

Для двигуна Стірлінга характерні такі плюси:

• Для роботи двигуна необхідний температурний перепад, яке паливо викликає нагрів байдуже;
• Немає необхідності використовувати навісне і допоміжне обладнання, конструкція двигуна проста і надійна;
• Ресурс двигуна, завдяки особливостям конструкції, становить 100000 годин роботи;
• Робота двигуна не створює стороннього шуму, оскільки відсутня детонація;
• Процес роботи двигуна не супроводжується викидом відпрацьованих речовин;
• Робота двигуна супроводжується мінімальною вібрацією;
• Процеси в циліндрах установки екологічно нешкідливі. Використання правильного джерела тепла дозволяє зробити двигун «чистим».

недоліки

До недоліків двигуна Стірлінга відносяться:

• Важко налагодити серійне виробництво, оскільки конструктивно двигун вимагає використання великої кількості матеріалів;
• Високий вага і великі габарити двигуна, оскільки для ефективного охолодження треба застосовувати великий радіатор;
• Для підвищення ефективності двигун форсують, застосовуючи в якості робочого тіла складні речовини (водень, гелій), що робить експлуатацію агрегату небезпечним;
• Високотемпературна стійкість сталевих сплавів і їх теплопровідність ускладнює процес виготовлення двигуна. Значні втрати тепла в теплообміннику знижують ефективність агрегату, а застосування специфічних матеріалів роблять виготовлення двигуна дорогим;
• Для регулювання і переходу двигуна з режиму на режим треба застосовувати спеціальні пристрої управління.

Використання

Двигун Стірлінга знайшов свою нішу і активно застосовується там, де габарити і всеїдність важливий критерій:

• Двигун Стірлінга-електрогенератор.

Механізм перетворення тепла в електричну енергію. Часто зустрічаються вироби, використовувані в якості портативних туристичних генераторів, установки по використанню сонячної енергії.

• Двигун, як насос (електрика).

Двигун застосовують для установки в контур опалювальних систем, Економлячи на електричної енергії.

• Двигун, як насос (обігрівач).

У країнах з теплим кліматом двигун використовують як обігрівач для приміщень.

Двигун Стірлінга на підводному човні:

• Двигун, як насос (охолоджувач).

Практично всі холодильники в своїй конструкції застосовують теплові насоси, встановлюючи двигун Стірлінга, економляться ресурси.

• Двигун, як насос, який створює наднизькі ступеня нагріву.

Пристрій застосовують в якості холодильника. Для цього процес запускають в зворотну сторону. Агрегати зріджують газ, охолоджують вимірювальні елементи в точних механізмах.

• Двигун для підводної техніки.

Підводні кораблі Швеції і Японії працюють завдяки двигуну.

Двигун Стірлінга як сонячної установки:

• Двигун, як акумулятор енергії.

Паливо в таких агрегатах, розплави солі, двигун застосовують, як джерело енергії. Мотор по запасу енергії випереджає хімічні елементи.

• Сонячний двигун.

Перетворюють енергію сонця в електрику. Речовина в даному випадку, водень або гелій. Двигун ставиться в фокусі максимальної концентрації енергії сонця, створеного за допомогою супутникової антени.

Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійно чередуемих нагріванні і охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Зазвичай в ролі робочого тіла виступає повітря, але також використовуються водень і гелій.

Цикл роботи двигуна Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрів, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. Таким чином, при переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення і стиснення газу, що знаходиться в циліндрі. При цьому змінюється тиск, за рахунок чого можна отримати корисну роботу. Оскільки теоретичні пояснення доля вчених мужів, слухати їх часом втомлює, тому перейдемо до наочної демонстрації роботи двигуна Стерлінга.

Як працює двигун Стірлінга
1.Внешняя джерело тепла нагріває газ в нижній частині теплообмінного циліндра. Створюваний тиск штовхає робочий поршень вгору.
2.Маховік штовхає витіснювальний поршень вниз, тим самим переміщаючи розігрітий повітря з нижньої частини в охолоджувальну камеру.
3.Воздух остигає і стискається, робочий поршень опускається вниз.
4.Витеснітельний поршень піднімається вгору, тим самим переміщаючи охолоджене повітря в нижню частину. І цикл повторюється.

У машині Стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90 градусів щодо руху поршня-витискувача. Залежно від знака цього зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При зсуві 0 градусів машина не робить ніякої роботи (крім втрат на тертя) і не виробляє її.

Ще одним винаходом Стірлінга, що збільшило ККД двигуна став регенератор, який являє собою камеру, заповнену дротом, гранулами, гофрованої фольгою для поліпшення тепловіддачі проходить газу (на малюнку регенератор замінений ребрами радіатора охолодження).

У 1843 році Джеймс Стірлінг використовував цей двигун на заводі, де він в той час працював інженером. У 1938 році фірма «Філіпс» інвестувала в двигун Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил і віддачею більш 30%.

Переваги двигуна Стірлінга:

1. Всеїдність. Можна використовувати будь-яке паливо, головне створити різницю температур.
2. Низька гучність. Оскільки робота побудована на перепаді тиску робочої рідини, А не на підпалі суміші, то гучність в порівнянні з двигуном внутрішнього згоряння істотно нижче.
3. Простота конструкції, звідси високий запас міцності.

Однак всі ці достоїнства в більшості випадків перекреслюються двома великими недоліками:

1. Великі габарити. Робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення маси і розмірів за рахунок збільшених радіаторів.
2. Низький ККД. Тепло підводиться ні до робочого тіла безпосередньо, а тільки через стінки теплообмінників, відповідно втрати ККД великі.

З розвитком двигуна внутрішнього згоряння двигун Стірлінга пішов ... немає не в минуле, а в тінь. Він з успіхом експлуатується в якості допоміжних силових установок на підводних човнах, в теплових насосах на теплоелектростанціях, як перетворювачі сонячної і геотермальної енергії в електричну, з ним пов'язані космічні проекти зі створення силових установок працюють на радіоізотопному паливі (радіоактивний розпад відбувається з виділенням температури, хто не знав) .Хто знає, можливо одного разу двигун Стірлінга чекає велике майбутнє!