Принцип работы двигателя стирлинга: Недопустимое название — Department of Theoretical and Applied Mechanics

Как работает двигатель Стирлинга: кпд, применение, перспективы

Поиск перспективных энергосберегающих технологий, в частности использующих альтернативные и возобновляемые виды топлива – одно из основных направлений научно-технического прогресса XXI века. Однако в поисках нового не стоит забывать прежние выдающиеся достижения инженерной мысли, обретающие в нашу цифровую эпоху второе дыхание. Яркое тому подтверждение двигатель Стирлинга.

Дитя эпохи пара

Начало XIX века – расцвет эпохи пара. Благодаря паровым машинам стали бурно развиваться промышленность и транспорт. Они оказались на редкость надежными, устойчивыми к колебаниям нагрузки, долговечными, не требующими больших затрат при эксплуатации, простыми в обслуживании и практически «всеядными» в отношении к топливу.

Роберт Стирлинг и его двигатель

Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.

Паровоз на базе двигателя Стирлинга

Все изменилось 27 сентября 1816 года, когда шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал уникальное изобретение под названием «двигатель горячего воздуха», безопасную альтернативу своему паровому предшественнику. Позже его назвали в честь создателя – двигатель Стирлинга (ДС).

Как работает двигатель Стирлинга

Первое, что бросается в глаза – простота конструкции. В состав двигателя Стирлинга (β-типа) входят два поршня – вытеснительный и рабочий, маховик, рубашка (ребра) охлаждения и теплообменный цилиндр. Чтобы ДС работал, необходим источник тепла.

Рабочий цикл протекает в четыре этапа

Первый этап. Происходит нагрев воздуха (или другого газа) в основании цилиндра. Разогретый внутри его воздух создает давление, которое заставляет рабочий поршень двигаться вверх. Вытеснительный поршень имеет одну важную особенность – неплотное прилегание к стенкам цилиндра.

Двигатель Стирлинга типа Бета

Второй этап. Приведенный в действие маховик (благодаря ему работа обоих поршней строго синхронизирована) с помощью толкающей штанги «отправляет» вытеснительный поршень вниз, который в свою очередь выдавливает разогретый воздух вверх в охлаждающую камеру.

Третий этап. В камере воздух остывает и сжимается, давая возможность рабочему поршню опуститься вниз.

Четвертый этап. Вытеснительный поршень движется вверх, одновременно вытесняя охлажденный воздух в основание цилиндра, после чего цикл возобновляется.

Плюсы и минусы

Первые промышленные ДС использовались в качестве водяных насосов и машин, обеспечивающих литейное производство. К началу ХХ века на предприятиях Европы работало уже более 250 тыс. вентиляторов, приводимых в действие ДС. Их КПД достигал 18%, что почти на 10 % выше КПД паровых двигателей.

И это далеко не единственное достоинство двигателей Стирлинга. Как и все двигатели наружного сгорания, они «всеядны». В их топливном «меню» буквально «все, что горит» – от угля, дров, мазута, газа до солнечной, геотермальной энергии и ядерного топлива.

Конструкция ДС чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Как следствие этого – значительный рабочий ресурс, измеряемый иногда сотнями тысяч часов непрерывной работы.

Двигатели Стирлинга очень экономичны и малошумны, что в последствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.

Из недостатков, пожалуй, главный – материалоемкость. К тому же, чтобы двигатели Стирлинга могли на равных конкурировать с ДВС, им приходиться «добавить» высокое (более 100 атмосфер – прим. ред. Techcult.ru) давление, а также водород или гелий в качестве рабочего тела.

КПД ДС значительно снижается из-за того, что тепло рабочее тело «получает» через стенки теплообменника. Поскольку самому теплообменнику приходится работать в экстремальных условиях высокого давления и температуры, для его изготовления используются весьма дорогие жаропрочные материалы.

Определенные сложности возникают при регулировке оборотов. В частности, чтобы регулировать частоту вращения коленчатого вала, потребуется изменять показатели температуры.

Виды двигателей

Семейство двигателей Стирлинга представлено четырьмя видами – Альфа, Бета (принцип его работы описан выше), Гамма и роторным. У каждого из них свои конструкционные особенности.

Альфа-двигатель Стирлинга

У Альфа два цилиндра, один из которых оснащен охлаждающим радиатором, а в нижней его части осуществляется нагрев. В рабочих камерах обоих цилиндров установлены поршни. Усилия от поршневой группы передаются на коленчатый вал, соединенный шарниром с поршнем и вытеснителем.

Гамма-двигатель Стирлинга

Конструкция Гамма-двигателя отличается наличием двух цилиндров: один из них с радиатором охлаждения, поршнем и вытеснителем подвергается нагреву и охлаждению, в то время как второй постоянно «прохлаждается».

У роторного ДС отсутствует КШМ, что уменьшает габариты силового агрегата. Благодаря такой конструкции значительно улучшается герметичность рабочей камеры.

Однако в начале ХХ века у ДС появились мощные конкуренты – двигатели внутреннего сгорания, надолго отправившие в «запас» своих предшественников за счет более высокого КПД.

Современные области применения двигателей Стирлинга

В наши дни ДС переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам. Напомним, концентрация вредных веществ в продуктах сгорания ДС на несколько порядков ниже, чем у поршневых и газотурбинных двигателей и, что не менее важно, минимальные шумы у них не превышают 60-65 дБ. Они незаменимы там, где необходимо преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Одно из перспективных направлений современной энергетики – децентрализация энергоснабжения, которое реализуется путем строительства когенерационных установок, производящих из первичного источника топлива два или несколько видов полезной энергии.

Когенерационная установка

Использование ДС в когенерационных установках позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы. КПД некоторых современных стирлинг-генераторов доходит до 95 %.

Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.

Тепловой насос на базе ТС

ДС могут работать, как холодильные установки. Некоторые компании-производители холодильников уже готовы устанавливать на свои изделия ДС, что сделает их более экономичными, а рабочим телом станет обычный воздух.

Подводная лодка класса Никкен

Малошумность ДС еще в 60-е годы привлекла внимание разработчиков подводных лодок в ряде стран. В результате в 1988 году шведская субмарина класса «Никкен» была оснащена воздухонезависимыми ДС, с которыми она проплавала свыше 10000 часов. Примеру Швеции последовала Япония, где новейшие подводные лодки класса «Сорю» были оснащены четырьмя ДС VA-275R, каждая мощностью по 8000 л. с.

Солнечная электростанция с ДС

ДС найдет свое применение и в солнечной энергетике, где его устанавливают в фокус параболического зеркала, обеспечивающего постоянную «подсветку» зоны нагрева.

Содержание

• История
• Устройство
• Плюсы и минусы
• Типы
• Перспективы

Принцип работы мотора Стирлинга

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

Содержание

• Принцип работы низкотемпературного двигателя.
• Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга
• Важные моменты, если вы делаете сами движок
• Как работают двигатели Стирлинга?
• История двигателя Стирлинга в 19 веке
  • Использование гелия
• Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века
• Заключение

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).

Товары для изобретателей Ссылка на магазин.

Схема низкотемпературного двигателя Стирлинга

При 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 мотора Стирлинга

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.

Электроника для самоделок вкитайском магазине.

Схема высокотемпературного двигателя Стирлинка

Далее 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.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

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

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

Как работают двигатели Стирлинга?

В течение почти 200 лет термические двигатели, известные по имени их изобретателя, были известны в как двигатели Стирлинга.  Их изобретатель работал над построением наиболее эффективного или оптимального рабочего теплового двигателя. Стирлинг подошел к проблеме довольно научным образом. То есть, двигатель (его теоретическая циркуляция) был проанализирован и проверен вычислительно до того, как был построен прототип. Все в теории выглядело очень многообещающим. В принципе, до сих пор предполагалось, что они должны быть одним из наиболее эффективных тепловых двигателей. Так почему бы нам не путешествовать с автомобилями, использующими Стирлинг, несмотря на их многочисленные преимущества?

Рисунок двигателя Стирлинга из оригинального патента от 1816 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: Индийский технологический институт, копия изображения в патенте Роберта Стирлинга 1816 года .

Чтобы получить полезную мощность от поршневого двигателя, он должен развивать достаточно высокий крутящий момент или достигать высокой скорости вращения. Двигатели Стирлинга не достигают высоких скоростей вращения, поэтому давайте рассмотрим момент.  В основном, это будет зависеть от силы, действующей на поршень, а это, в свою очередь, от давления рабочего тела в рабочем ходу и поверхности поршня, которое работает. Эти упрощенные рассуждения помогут нам понять структурные проблемы двигателей Стирлинга. Для того, чтобы двигатель был больше, чем модель на столе, он должен быть огромным — иметь большой диаметр рабочего поршня, или поршень должен находиться под высоким давлением во время рабочего хода.

Типичная «настольная» модель двигателя Стирлинга с рубежа 20 и 21 веков. Диаметр маховика: около 30 мм. Он должен быть включен в группу так называемых «Гаджеты».

История двигателя Стирлинга в 19 веке

В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга.  Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.

Промышленный двигатель Стирлинга примерно с 1860 года. Представленный двигатель, произведенный Эрикссоном, реализовал модифицированный цикл Стирлинга, названный в честь его создателя Эрикссоном . Источник: Wikimedia Commons , Vasárnapi Ujság, 1861/8 [1] .

Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах.  Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .

Семейство двигателей Стирлинга от компании Louis Heinrici. Иллюстрация из каталога компании с 1914 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: First-Neutron .

Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом. Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга от Philips с середины 20-го века (1953). Электрическая мощность: около 180 Вт. Высота корпуса: около 0,5 м. Источник: Викисклада , Норберт Шнитцлер .

Использование гелия

В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке.  В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов).  Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.

Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века

В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.

Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P. 389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.

Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…

Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга. Источник: Wikimedia Commons , автор: Загружено Skyemoor .

Одной из последних идей использования двигателей Стирлинга было «спуск с параметров». То есть нашли применение для двигателей с низкими характеристиками и существенно более низкой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели.  Примерно в начале XXI века с помощью двигателей Стирлинга была обнаружена идея восстановления энергии, утраченной в процессах нагрева, таких как «дымоход» с дымовым газом из СО-печей. Однако экономический расчет по-прежнему был против использования таких решений в больших масштабах.

Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах. Яднак таких двигателей по-прежнему остается большой «экзотикой» в мире технологий, и, вероятно, большинство читателей этого текста никогда не встретит такой движок…

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга STM с начала 21 века. Электрическая мощность: около 38 кВт или 65 кВт. Высота корпуса: около 1 м. Источник: Викисклада , автор: В.Т.Чыманский.

Заключение

Мы процитировали выше упрощенную историческую схему тенденций проектирования двигателей Стирлинга. Конечно, мы опустили множество проектов как энтузиастов, так и тех, которые были разработаны в «серьезных» исследовательских проектах (например, машины с жидкими поршнями — «жидкость», термоакустические двигатели и т.д.). Это не меняет того факта, что инженеры и ученые пытались построить эффективный и надежный двигатель Стирлинга почти 200 лет. Практически каждое последующее поколение инженеров пытается решить проблемы этих двигателей, надеясь, что это обеспечит технический прогресс, который произошел в предыдущие 20-25 лет. К сожалению, усилия по-прежнему неэффективны. Я должен признать, что, по-видимому, мое поколение также пыталось это сделать, а также потерпело неудачу. Однако мы глубоко убеждены в том, что

Совсем другое дело, что каждое поколение инженеров начинает свою деятельность почти с самого начала, на практике имея очень сложный доступ к документации ранее выполненных работ… но это снова тема для совершенно другого случая.

Модель двигателя Стирлинга в бета-системе, разработанной и сделанной г-ном Рафалом Ходорковским в рамках инженерных работ на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: Мачей Тулодзекский, PhD). Длина двигателя: около 35 см.

Как работают двигатели Стирлинга?

Как работают двигатели Стирлинга? — Объясните этот материал

Вы здесь: Домашняя страница > Инжиниринг > Двигатели Стирлинга

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

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.

Двигатели питают наш мир с момента Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах.

Основная концепция двигателя — то, что использует разницу между высокой температурой и низкой один — не изменился за пару сотен лет, хотя иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга, что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова. снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

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

Содержание

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

Что такое двигатель?

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

Хорошие и плохие двигатели

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

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

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

Рекламные ссылки

Что такое двигатель Стирлинга?

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

Простой или сложный?

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

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

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

Каковы ключевые части двигателя Стирлинга?

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

Источник тепла

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

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

Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.

Газ

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

Радиатор

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

Поршни

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

В другой конструкции, показанной здесь, называемой литражным (или бета-) двигателем Стирлинга, есть один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем). край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашен в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое маховик прикреплен к сборке импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся, но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) 90 109 впереди 90 110 рабочего поршня.

Теплообменник

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

Как работает двигатель Стирлинга?

Вкратце

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

Подробно

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

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

Теоретически

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

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

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

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

Некоторые альтернативные анимации

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

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

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

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

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

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

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

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

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

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

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

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

Подробнее

На этом сайте

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

Статьи

Новости

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

Более академический

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

Книги

Двигатели Стирлинга

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

Термодинамика двигателей

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

Видео

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

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

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

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

Подпишитесь на нас

Оцените эту страницу

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

Сохранить или поделиться этой страницей

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

Цитировать эту страницу

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

Бибтекс

@misc{woodford_stirling_engines, автор = «Вудфорд, Крис», title = «Двигатели Стирлинга», publisher = «Объясните это», год = «2012», url = «https://www. explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html», URL-адрес = «2021-05-28» }

Подробнее на нашем веб-сайте…

• Связь
• Компьютеры
• Электричество и электроника
• Энергия
• Машиностроение
• Окружающая среда


• Гаджеты
• Домашняя жизнь
• Материалы
• Наука
• Инструменты и приборы
• Транспорт

↑ Вернуться к началу

Двигатель Стирлинга | Как работает двигатель Стирлинга?

Содержание

• 1 Что такое двигатель Стирлинга?
• 2 Работа с помощью двигателя Stirling Engine
• 3 Типы двигателей Стирлинга
  • 3,1 1) Альфа -Стерлинговый Двигатель
  • 3,2 2) Бета -Стирлинг Двигатель
  • 3,3 3) Гамма Тип двустороннего действия
• 4 PV Схема цикла Стирлинга
• 5 Компоненты двигателя Стирлинга
• 6 Каков КПД двигателя Стирлинга?
  • 6. 1 Как повысить эффективность двигателя Стирлинга
• 7 Преимущества и недостатки двигателя Stirling Engine
  • 7.1 Преимущества двигателей Стирлинга
  • 7.2 Недостатки двигателей Стирлинга
• 8 Применение двигателей Стирлинга
• 9
  • 10.1 Почему не используются двигатели Стирлинга?
  • 10.2 Какой тип двигателя является двигателем Стирлинга?
  • 10.3 Почему двигатели Стирлинга менее распространены?
  • 10.4 Для чего используется двигатель Стирлинга?
  • 10.5 Кто изобрел двигатель Стирлинга?
  • 10.6 В каком цикле работает двигатель Стирлинга?

Двигатели внешнего сгорания (EC) наиболее широко используются во всем мире в различных транспортных средствах. Существует несколько типов двигателей в соответствии с потребностями приложений. Двигатель Stirling — самый известный тип двигателя EC. Это паровой двигатель. Это наиболее часто используемый двигатель. В этой статье мы в основном будем обсуждать различные аспекты двигателя Стирлинга.

Что такое двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневой двигатель, преобразующий тепловую энергию топлива в механическую энергию путем нагрева и охлаждения рабочей жидкости, находящейся внутри цилиндра . Поскольку это поршневой двигатель, в нем используется поршень, а не вращающийся ротор, как в двигателе Ванкеля.

В 1816 , Роберт Стирлинг изобрел Двигатель Стирлинга . Цикл Стирлинга имеет почти такой же тепловой КПД, как цикл Карно .

Этот двигатель внешнего сгорания имеет более высокий КПД, чем двигатель внутреннего сгорания (например, дизельный двигатель или бензиновый двигатель). В настоящее время двигатели Стирлинга израсходованы только для очень специальных применений, например, для подводных лодок.

Работа двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга работает на основе цикла Стирлинга. Двигатель Стирлинга в рабочем состоянии

Двигатель Стирлинга работает следующим образом:

• Когда оператор включает стартер двигателя, также запускается внешний источник тепла. Оператор контролирует усилие с помощью предусмотренного механизма.
• При активации внешнего источника тепла начинается передача тепла от источника тепла к горячему концу цилиндра. Этот процесс теплопередачи увеличивает температуру молекул газа, попавших в горячую часть цилиндра. При повышении температуры молекул газа между ними начинает возникать возмущение и молекулы газа начинают расширяться внутри цилиндра.
• Расширение газа увеличивает давление на поверхность поршня, отталкивает поршень и производит полезную работу.
• Поршень вытеснителя соединен с коленчатым валом. Движение коленчатого вала заставляет поршень вытеснителя перемещаться между холодным и горячим концами цилиндра.
• Движение поршня вытеснителя вызывает газообмен от холодного конца к горячему и от горячего конца к холодному концу цилиндра.
• Газ с горячей стороны приводит в действие поршень вытеснителя, который переносит газ в холодную часть цилиндра.
• Когда горячий газ поступает в холодную часть, охлаждающее устройство извлекает тепло горячего газа и охлаждает его.
• После охлаждения газа поршень сжимает газ в холодном конце цилиндра. Охлаждающее устройство отводит избыточное тепло от газа.
• После процесса сжатия поршень вытеснителя направляет сжатый газ обратно в горячую часть цилиндра, где цикл повторяется.

Это принцип работы двигателя Стирлинга. Как вы можете видеть выше, в этом цикле нет двигателя внутреннего сгорания, подобного такту выхлопа. Следовательно, двигатель Стирлинга имеет более высокий КПД, чем двигатель внутреннего сгорания (ВС).

Для лучшего понимания работы двигателя Стирлинга посмотрите следующее видео:

Читайте также: Работа четырехтактного двигателя

Типы двигателей Стирлинга

Двигатель Стирлинга имеет следующие основные характеристики. Типы:

1. Двигатель Alpha
2. Двигатель Beta
3. Двигатель Gamma
4. Двигатель двойного действия
5. Роторный двигатель Стирлинга

1) Двигатель Alpha Stirling

Двигатель Alpha Stirling имеет два цилиндра:

• Горячий цилиндр или цилиндр расширения
• Холодный цилиндр или цилиндр сжатия

Alpha Stirling Engine

Горячий цилиндр соединен с внешним источником тепла. Этот источник тепла отдает тепло газу в горячем цилиндре. Напротив, холодный цилиндр имеет охлаждающее устройство. Это охлаждающее устройство использует для извлечения тепла газа, полученного горячим цилиндром. Эти два цилиндра соединяются общей трубой или трубкой, по которой горячий газ переходит из горячего цилиндра в холодный цилиндр и наоборот.

• Эти двигатели маломощные. Поэтому они используются для целей легкой нагрузки.
• Двигатель альфа имеет два силовых поршня.

2) Бета-двигатель Стирлинга

Бета-двигатель имеет только один цилиндр. Один конец этого цилиндра соединен с охлаждающим устройством, а другой — с источником тепла. Двигатель Стирлинга Beta

Цилиндр двигателя Beta Stirling имеет два поршня:

1.   Силовой поршень
2. Вытеснительный поршень

Силовой поршень помогает двигателю управлять потоком жидкости и запускает двигатель, а выталкивающий поршень устанавливается между холодным и горячим концами цилиндра. Поршень вытеснителя используется для передачи горячего газа от горячего конца к холодному концу и холодного газа от холодного конца к горячему концу цилиндра. Коленчатый вал управляет движением вытеснителя внутри цилиндра.

Силовой поршень соединяется с маховиком и совершает возвратно-поступательные движения между холодной и горячей сторонами цилиндра. Этот поршень отвечает за выходную мощность.

• Бета Двигатель Стирлинга имеет большую мощность. Поэтому он используется для приложений с высокой нагрузкой.

Читайте также: Различные типы двигателей

3) Двигатели Gamma

Этот тип двигателя EC имеет силовой поршень и вытеснитель, которые связаны с двумя отдельными цилиндрами.

Гамма Двигатель Стирлинга

Газ из двух цилиндров свободно течет между ними и остается интегрированным. Из-за большого объема соединения между двумя цилиндрами эта конструкция имеет более низкую степень сжатия, но имеет простую конструкцию и обычно используется в многоцилиндровом двигателе Стирлинга.

Кроме того, в процессе расширения в области сжатия происходит некоторое расширение, что приводит к уменьшению удельной мощности.

4) Роторный двигатель Стирлинга

Эти двигатели предназначены для преобразования мощности цикла Стирлинга в крутящий момент.

5) Двустороннего действия Тип

Поршень этого типа двигателя использует оба конца (верхний и нижний) для нагнетания смеси.

Читайте также: Различные типы двигателей внутреннего сгорания

PV Схема цикла Стирлинга

Двигатель Стирлинга работает по циклу Стирлинга. Цикл Стирлинга Работает следующим образом:

1. Изотермическое расширение
2. Изохорное нагревание
3. Изотермическое сжатие
4. 1

.

В изотермическом ( постоянной температуре ) процесс расширения, энергия от внешнего источника тепла передается газу, находящемуся в цилиндре.

Когда молекулы газа получают энергию, они начинают расширяться. Из-за расширения молекул газа давление газа увеличивается, что заставляет поршень двигаться из горячего цилиндра в холодный цилиндр.

2) Изохорный отвод тепла (линии 2–3)

В процессе изохорного (постоянного объема) отвода тепла цикла Стирлинга вытеснитель переносит горячий газ из горячего цилиндра в компрессионный или холодный цилиндр.

Охлаждающее устройство извлекает тепловую энергию из горячего газа и преобразует ее в холодный газ. Основной целью этого процесса охлаждения является снижение давления горячего газа, чтобы его можно было легко сжать.

3) Изотермическое сжатие (линии 3–4)

На этом этапе газ сжимается при постоянной низкой температуре. Тепло, выделяющееся в процессе сжатия, направляется в охладитель.

В процессе сжатия поршень увеличивает давление газа. Это повышенное давление приводит в движение силовой поршень, который дополнительно перемещает маховик.

4) Изохорный нагрев (линия с 4 по 1)

В процессе изохорного подвода тепла поршень снова переносит холодный газ из холодного цилиндра в горячий цилиндр, где он снова нагревается за счет внешнего источника тепла, и весь цикл Стирлинга повторяется.

Компоненты двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга состоит из следующих основных компонентов:

1. Цилиндр
2. Поршень
3. Маховик
4. Подключающий стержень
5. Коленчатый вал
6. GAS
7. Внешний тепловой источник

1) Цилиндр

Различные типы двигателей Стерлинга Используют различное количество цилиндров:

Тип Alpha Используется.

Бойлер с горячей стенкой: Бойлер соединен с внешним источником тепла. Этот источник тепла отдает тепло баллонному газу; из-за этого газ нагревается и расширяется.

Цилиндр с холодными стенками: Основная цель холода — преобразовать горячий газ в холодный. Этот цилиндр имеет охлаждающее устройство, которое отводит тепло от горячего газа, чтобы этот газ можно было снова использовать.

Тип бета имеет только один цилиндр, который имеет два конца:

• Холодный конец: Холодный конец имеет охлаждающее устройство, которое преобразует горячий газ в холодную форму.
• Горячий конец: Горячий конец соединяется с источником нагрева, который передает тепло газу внутри цилиндра.

2) Поршень

Поршень представляет собой устройство, совершающее возвратно-поступательное движение от холодного цилиндра к горячему и наоборот. Поршень несет ответственность за передачу конечной выходной мощности двигателю, чтобы он мог двигать транспортное средство.

Поршни, используемые в двигателе Стирлинга, бывают двух типов:

1. Силовой поршень: Это поршень меньшего размера, расположенный в двигателе. Этот поршень имеет герметичное уплотнение, сжимающее холодный газ в холодном цилиндре.
2. Буйковый поршень: Это большой поршень. Он представляет собой свободно установленный поршень в цилиндре. Поршень вытеснителя переносит газ из холодного цилиндра в горячий цилиндр и наоборот.

Количество поршней в двигателе зависит от типа двигателя Стирлинга, например:

• Двигатель бета-типа имеет два поршня (т. е. вытеснительный поршень и силовой поршень).
• Двигатель alpha также имеет два поршня, но оба поршня силовые.
• Двигатель гамма-типа имеет два поршня (т. е. силовой поршень и вытеснительный поршень), которые соединены с двумя различными цилиндрами (горячим и холодным цилиндрами).

3) Газ

Газ используется в двигателе Стирлинга в качестве рабочего тела. Работа и циркуляция газа различаются в зависимости от типа двигателя, например:

1. В случае альфа-типа, во-первых, газ задерживается в горячем цилиндре. Когда внешний источник тепла отдает тепло газу, он начинает расширяться. За счет расширения газа поршень движется вверх и переносит газ из горячего цилиндра в холодный цилиндр.
2. В случае бета-двигателя Стирлинга вытеснитель перемещает газ между горячей частью в холодную часть и холодной частью в горячую часть цилиндра.

 4) Внешний источник тепла

Источник, используемый для доставки тепла к горячему концу цилиндра (Beta SE) или к стенке горячего цилиндра (Alpha SE), называется внешним источником тепла.

По мере того, как источник тепла отдает тепло горячему газу цилиндра, потенциальная энергия газа начинает увеличиваться за счет его расширения. Это расширение перемещает поршень внутри цилиндра.

Читайте также: Работа двухтактного двигателя

5) Система охлаждения

Двигатель Стирлинга имеет систему охлаждения, соединенную с холодным цилиндром (двигатель типа Beta) или с холодной частью цилиндра (тип Alpha) .

Целью системы охлаждения является отвод тепла от горячего газа и преобразование его в холодную форму, чтобы поршень мог легко сжимать его.

6) Коленчатый вал

Коленчатый вал используется для передачи движения поршня на маховик.

• Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное и передает его на маховик.
• Коленчатый вал соединяется с поршнем через шатунную шейку.

Подробнее: Работа коленчатого вала

7) Маховик

Маховик соединен с коленчатым валом. Он получает механическую энергию (вращательное движение) от коленчатого вала и сохраняет ее для дальнейшей передачи.

Каков КПД двигателя Стирлинга?

Эффективность двигателя Стирлинга очень зависит от разницы температур между горячим и холодным цилиндрами. Чем меньше разница температур между холодным и горячим цилиндрами, тем ниже КПД двигателя. Двигатель Стирлинга может достичь КПД преобразования энергии до 40% в солнечном тепловом приложении.

Как повысить КПД двигателя Стирлинга

КПД двигателя Стирлинга можно повысить следующими способами:

• Увеличение мощности на первом этапе: На первом этапе цикла давление, создаваемое горячим газом, заставляет поршень совершать работу. Если давление на этом этапе будет выше, то и выходная мощность двигателя будет выше. Одним из способов увеличения этого давления является повышение температуры газа.
• Снижение энергопотребления на 3-й ^-й -й ступени: На 3-й ^-й -й ступени цикла Стирлинга поршень сжимает газ за счет использования некоторой части энергии, генерируемой в 1 ^st Снижение давления на 3 ^rd стадии цикла может уменьшить мощность, потребляемую на этой стадии цикла (может эффективно увеличить мощность двигателя). Другой метод снижения давления заключается в снижении температуры газа путем его охлаждения.
• Большая разница температур: Большая температура между горячим и холодным цилиндрами помогает повысить эффективность двигателя Стирлинга.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества двигателей Стирлинга

• Эти типы двигателей внешнего сгорания обладают высокой гибкостью.
• Двигатели Стирлинга быстро запускаются и более эффективны в холодную погоду.
• Поршень этого двигателя не требует взрыва для движения.
• Работают тихо.
• Эти двигатели могут использовать любой доступный источник тепла, такой как биологические, геотермальные и ядерные источники.
• Они просты в обслуживании и обладают высокой топливной универсальностью.

Недостатки двигателей Стирлинга

• Эти двигатели имеют сложную конструкцию.
• Требуют дополнительного внешнего источника тепла для нагрева рабочего тела (газа).
• Это дорогие двигатели.
• Двигатели Стирлинга имеют большой вес из-за дополнительного источника тепла.
• У них очень большие теплообменники.
• Они не могут быстро запускаться и эффективно работать в жаркую погоду.

Применение двигателей Стирлинга

• Двигатель Стирлинга представляет собой оборудование для преобразования энергии, которое можно использовать в качестве теплового насоса , охлаждающего двигателя, первичного двигателя.  
• Эти двигатели используются на водонасосных станциях.
• Двигатель Стирлинга также используется для производства солнечной энергии.
• Двигатели Стирлинга используются в морской пехоте, например, в подводных лодках.
• Используются на атомных электростанциях.
• Эти двигатели используются для самолетов.

Разница между двигателем Stirling и IC Engine

Основное различие между двигателем Stirling и двигателем внутреннего сгорания приведено ниже:

9090 9090 9090 9090 90

2

Engine	IC Engine
IC Engine	IC Engine	IC	IC	IC Engin внешний источник нагрева рабочего тела (газа).	Двигатель внутреннего сгорания не использует внешний источник тепла для нагрева рабочей жидкости.
Ограничений по источнику тепла нет, поскольку двигатели Стирлинга могут работать на любом доступном топливе, таком как биологические, геотермальные, ядерные источники и т. д.	Он не может работать на любом доступном топливе. Для работы этого двигателя требуется определенное топливо, например, бензин или дизель.
Используется одноступенчатая рабочая жидкость.	Используется двухступенчатая рабочая жидкость.
Эти двигатели работают тихо.	Эти двигатели производят высокий уровень шума.
Отличаются быстрым запуском и эффективной работой в холодную погоду.	Эффективно работают в холодную погоду.
Двигатели Стирлинга обладают большей гибкостью, чем двигатели внутреннего сгорания.	Обладают меньшей гибкостью.
Имеют высокую стоимость.	Имеют низкую стоимость.
Эти двигатели имеют больший вес по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.	Они легкие.

FAQ Раздел

Почему двигатели Стирлинга не используются?

Во всем мире максимальное количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами. Это связано с тем, что паровые турбины обладают высокой гибкостью и могут работать с использованием различных источников тепла, таких как тепло ядерного реактора, биомасса или уголь.

Двигатели Стирлинга редко истощаются для выработки электроэнергии. Это потому, что они требуют очень экзотических сплавов в своих теплообменниках. Теоретически эти двигатели имеют высокий КПД, но отличаются высокой стоимостью и большими размерами. Когда дело доходит до выработки электроэнергии, двигатели Стирлинга не могут сравниться с долгосрочной эффективностью, производительностью и надежностью турбин. По этим причинам двигатели Стирлинга не пользуются популярностью.

Какой тип двигателя является двигателем Стирлинга?

Двигатель, использующий цикл Стирлинга, известен как двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга имеет дополнительный внешний источник тепла для нагрева рабочего тела (газа).

Почему двигатели Стирлинга менее распространены?

Двигатели Стирлинга не распространены по следующим причинам:

1. Имеют большой размер.
2. У них высокая стоимость.
3. Для этих двигателей требуются сложные теплообменники.

Для чего используется двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга используется в следующих целях:

• Может использоваться в качестве теплового насоса.
• Может использоваться как холодильный двигатель.
• Используется для самолетов.
• Используется на атомных электростанциях.

Кто изобрел двигатель Стирлинга?

В 1816 , Роберт Стирлинг изобрел двигатель Стирлинга .