Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа
Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.
Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.
Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.
Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.
В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.
В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.
Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.
В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.
В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.
Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.
В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.
В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость.
Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.
Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.
Конструкция исполнения «Альфа»Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.
Конструкция исполнения «Бета»Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.
Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.
Преимущества- Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
- Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
- Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
- Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
- Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.
- В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.
- При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
- Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
- Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
- Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.
При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.
Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.
Похожие темы:
- Тепловые насосы. Виды и устройство. Работа и применение
- Термогенераторы. Устройство и работа. Виды и применение
СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ | Наука и жизнь
Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских — конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом.
Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.
Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из двух цилиндров, соединенных двумя ветками трубопроводов — высокого и низкого давления (для наглядности роторы разнесены, хотя в действительности они находятся на одном валу).
Открыть в полном размере
‹
›
В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило — слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга.
Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.
В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны.
Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.
Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.
И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.
Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно — сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра — с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.
Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но «с обратным знаком» происходит в ветви низкого давления.
Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила
См. в номере на ту же тему
А. ДУБРОВСКИЙ — Классический четырехтактный…
Как работают двигатели Стирлинга.
Как работают двигатели Стирлинга
Подробное объяснение
Не всегда легко понять, как работают двигатели Стирлинга. Я постараюсь объяснить здесь как можно лучше.
Краткое описание двигателей Стирлинга
Внутри двигателя находится фиксированное количество газа. Затем газ перемещается взад и вперед от горячей стороны к холодной стороне двигателя.
Когда газ находится на горячей стороне, он нагревается и расширяется. Когда он на холодной стороне, он охлаждается и сжимается.
В двигателях Стирлинга есть регенераторы. Регенератор — это теплообменник внутри двигателя, который сохраняет часть тепла от одного цикла для использования в следующем цикле.
В двигателе Стирлинга нет клапанов и нет ни впуска, ни выпуска (из самого двигателя), потому что рабочий газ запечатан внутри двигателя.
Резюме статьи ниже
В приведенной ниже статье подробно объясняется множество различных аспектов двигателей Стирлинга.
Нажмите на любую из ссылок ниже, чтобы перейти к этому разделу:
- Немного более подробное объяснение
- Регенераторы двигателя Стирлинга
- Ice Cube Двигатели Стирлинга
- Тепло вашего ручного двигателя
- Охладители Стирлинга и криокулер
Немного более подробное объяснение
Когда обычный бензиновый или дизельный двигатель завершает свой цикл, он открывает выпускные клапаны и выбрасывает выхлопные газы сначала в выхлопную трубу, а затем быстро в окружающую среду.
Двигатели Стирлинга не имеют выхлопа (изнутри двигателя), потому что рабочий газ используется снова и снова в каждом цикле.
Конечно, двигатели Стирлинга можно нагревать пламенными нагревателями (или любой другой формой тепла). Если двигатель Стирлинга спроектирован так, чтобы использовать пламя для нагрева горячей стороны, нагреватель обязательно будет иметь выхлоп.
Почему двигатели Стирлинга могут быть такими чистыми
Пламя выделяет большую часть дыма, когда двигатель запускается и останавливается.
Поскольку пламя на горячей стороне двигателя Стирлинга непрерывное, это пламя может гореть очень чисто. Подумайте, когда горящая спичка дает больше всего дыма. Он производит больше всего дыма, когда вы его зажигаете и когда задуваете — верно?
Спички могут гореть с очень небольшим загрязнением в середине цикла горения. То же самое верно для любого пламени. Пламя делает большую часть своего загрязнения, когда оно начинается и останавливается.
Поскольку бензиновые и дизельные двигатели постоянно зажигаются и гаснут, их труднее заставить работать чисто.
Регенераторы Стирлинга
Двигатели Стирлинга способны улавливать и повторно использовать часть тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую, с помощью внутреннего теплообменника, называемого регенератором.
Регенератор — это что-то внутри двигателя Стирлинга, обычно это специально разработанная деталь, позволяющая накапливать тепло от одного цикла и снова использовать его в следующем цикле.
Регенераторы часто изготавливаются из листов фольги, ваты из нержавеющей стали или металлической губки.
В двигателях с низким перепадом температур они часто изготавливаются из пенопласта, губок и материалов для фильтрации воздуха.
Как работает регенератор
Регенератор уменьшает количество потерянного тепла, сохраняя тепло от одного цикла для использования в следующем цикле.
Когда рабочий газ проходит через регенератор на пути от горячей стороны двигателя к холодной, он накапливает некоторое количество тепла в регенераторе.
Затем, когда воздух возвращается с холодной стороны на горячую, он забирает часть тепла от регенератора.
Это означает, что меньше отработанного тепла должно отводиться в окружающую среду.
Это означает, что двигатель будет потреблять меньше топлива или (или солнечной энергии) при заданном КПД и заданной выходной мощности.
Почти бесплатный обед
Регенераторы — одна из тех вещей, которые слишком хороши, чтобы быть правдой в мире инженерии, но это правда.
Регенераторы не позволяют повторно использовать все отработанное тепло, но они позволяют повторно использовать большую его часть
На самом деле в инженерии не бывает бесплатных обедов, но хорошо спроектированные регенераторы в хорошо спроектированных двигателях может значительно улучшить характеристики двигателя Стирлинга.
См. мою полную статью о регенераторах двигателя Стирлинга здесь.
Двигатели Стирлинга Ice Cube
Двигатель Стирлинга, работающий на льду.
Одна из захватывающих особенностей двигателей Стирлинга заключается в том, что вы наблюдаете за разностью низких температур двигателей Стирлинга, которые, кажется, работают на кубиках льда.
Как что-то могло подпитываться холодом?
Ну, на самом деле источник топлива не лед.
Источником топлива является тепло из комнаты, и если температура в комнате упадет до температуры льда, двигатель не запустится.
Эти двигатели очень забавны, и, конечно же, вы можете использовать любую замерзшую пустыню в качестве «источника топлива» с дополнительным преимуществом, поскольку вы можете есть топливо.
Тепло твоих рук Двигатели Стирлинга
Наш двигатель Стирлинга ММ-7, работающий от тепла моей руки.
Еще одна замечательная демонстрация двигателей Стирлинга – это тепло вашей руки Двигатели Стирлинга, которые будут работать на разнице температур между теплом вашей теплой руки и воздухом комнатной температуры.
Обратите внимание: если температура воздуха в помещении станет такой же, как температура вашей руки, эти двигатели также не запустятся.
Если вам нравятся подобные вещи, ознакомьтесь с нашим движком Heat of Your Hand здесь.
Волшебства нет, но похоже на волшебство
Двигатели Стирлинга можно заставить работать при очень незначительной разнице температур.
Но чем меньше разница температур, тем больше размер двигателя, необходимого для выработки значительной мощности.
Охладители Стирлинга и криокуллеры
Криоохладитель Стирлинга производства Janis.
Не сразу видно, но двигатель Стирлинга — это обратимый тепловой насос.
Если с одной стороны поставить источник тепла, а с другой — охладитель, то вал будет получать механическую энергию.
Что не очевидно, так это то, что если вы используете электродвигатель для подачи механической энергии на вал, одна сторона будет нагреваться, а другая — холодать.
Это относится ко всем двигателям Стирлинга, даже к двигателям Стирлинга с низким перепадом температур.
Какие двигатели хорошо охлаждают
Двигатели, предназначенные для работы при незначительных перепадах температур, будут создавать лишь незначительные перепады температур.
Если вы не проделаете удивительно хорошую работу по изоляции двигателя Стирлинга с низким перепадом температур, вы никогда не сможете обнаружить перепад температур, который возник бы, если бы вы запускали двигатель.
Изготовление собственного демонстрационного охладителя Стирлинга
Если вы купите любой двигатель Стирлинга, предназначенный для работы на пламени, и повернете выходной вал с помощью электродвигателя, вы заметите, что одна сторона нагревается, а другая охлаждается.
Лучше всего попробовать это с двигателем, который ощущается как «подпрыгивающий» на такте сжатия, когда вы вертите его в руках.
Моторизация модели двигателя Стирлинга
Моторизация означает установку электродвигателя на выходной вал и вращение двигателя.
Просто подключите электродвигатель к выходному валу и запустите двигатель на той же скорости, на которой он должен был бы работать, если бы вы использовали его как двигатель, а не как холодильник.
Вы можете использовать любой газ
Практически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела внутри двигателя Стирлинга, но есть лишь несколько газов, которые имеют смысл.
Чем легче газ, тем лучше он передает тепло внутри двигателя.
Водород был бы оптимальным газом. Однако гелий также был бы хорошим вариантом.
Утечка легких газов
Гелий и водород известны инженерам-двигателям Стирлинга тем, что их трудно предотвратить от утечки из двигателей Стирлинга.
Эти крохотные газы имеют тенденцию выходить даже из тщательно спроектированных двигателей. Водород может мигрировать прямо через множество различных металлов.
Эти газы хорошо выделяются только в двигателях, таких как двигатели со свободным поршнем, которые не используют вращающийся механический выходной вал и могут быть полностью герметизированы.
Решение Whispergen
Некоторые недавние разработчики двигателей Стирлинга, в частности Дон Клукас, разработчик двигателя Whispergen Stirling из Новой Зеландии, использовали азот в качестве рабочего газа.
Дон говорит, что азот можно сделать отличным рабочим газом, и его гораздо легче держать закрытым внутри двигателя в течение длительного периода времени.
Этот опасный газ вас удивит
Когда компания Phillips Electronics возродила современный двигатель Стирлинга в 1950-х годах, инженеры сразу же заметили, что они могут получить больше мощности от двигателя данного размера, создав в нем давление.
Поскольку их первые двигатели использовали воздух в качестве рабочей жидкости, было довольно просто построить двигатель, который накачивался бы сам и выдавал бы больше мощности по мере увеличения давления.
Эти двигатели будут запускаться как двигатели атмосферного давления, а затем нагнетать рабочее давление для получения желаемой выходной мощности.
Проблема заключалась в том, что они случайно построили бомбу.
Треугольник Вечного Огня
Вчера, сегодня и всегда компонентами треугольника огня были и всегда будут кислород, тепло и топливо.
Когда вы сжимаете кислород, топливо и смазочные материалы внутри двигателя, легко понять, почему в прошлом несколько двигателей Стирлинга, работающих под давлением, взрывались.
Это привело как минимум к одному смертельному исходу в компании Phillips.
Не изобретайте опасное решение
Двигатели Стирлинга должны быть под давлением для обеспечения приемлемой выходной мощности с двигателями меньшего размера.
Однако ни в коем случае нельзя использовать воздух в качестве рабочего газа, если существует вероятность взрыва нефтяных смазок, используемых в двигателе.
Двигатели с нагнетаемым воздухом могут быть безопасными, если они полностью сухие внутри и не содержат смазочных материалов, которые могут испариться и, возможно, взорваться.
Модель двигателя Стирлинга в Национальном музее Шотландии
Наука и технологии
Изучите наши коллекции
Назад
Двигатель Стирлинга работает на горячем воздухе, а не на паре. Его революционная технология, которой уже более 200 лет, сегодня стала еще более актуальной.
Галерея Energize на уровне 5, Галереи науки и техники.
Факты о двигателе Стирлинга
Дата
Сделано изобретателем вскоре после его первоначального патента 1816
Сделано
Rev. Robert Stirling
Сделано из
, Metalling
.
Высота 730 мм, ширина 320 мм, глубина 290 мм; Диаметр маховика 310мм; Вес 4,75 кг
Артикул музея
T.1975.66
На выставке
Energise, уровень 5, Национальный музей Шотландии
Знаете ли вы?
Системы двигателей Стирлинга, установленные на подводных лодках, могут увеличить период пребывания под водой с нескольких дней до недель, а также сделать их намного тише — два больших преимущества, когда секретность имеет первостепенное значение.
Модель теплового двигателя Стирлинга
Модель теплового двигателя Роберта Стирлинга, сделанная изобретателем во время его первоначального патента в 1816 году.
Две модели двигателя Стирлинга
В Национальном музее Шотландии хранится самый ранний из известных образцов двигателя Стирлинга, одна из двух действующих моделей, созданных преподобным Робертом Стирлингом на сегодняшний день. Она была подарена Эдинбургскому университету Стерлингом не позднее 1825 года, а вторая модель была подарена Университету Глазго в 1827 году.
Зарегистрировано, что двигатель Эдинбургского университета использовался Джоном Лесли, заведующим кафедрой естественной философии, в качестве демонстрации в классе. Первоначально она была предоставлена музею в 19 веке.60-х годов, прежде чем в 1975 году был подарен на сохранение. До того, как выставиться в галерее Energize, это был самый востребованный объект из коллекции «Технологии» в хранилище. Модель остается в замечательном состоянии для своего возраста, отчасти это может быть связано с тем, что она не демонстрировалась и не ремонтировалась в той же степени, что и образец из Глазго.
Модель воздушного двигателя Роберта Стирлинга в Хантерианском музее, Глазго.
Модель, подаренная Университету Глазго, хранилась в течение 20 лет, прежде чем в 1847 году она была вновь обнаружена Уильямом Томсоном, позже лордом Кельвином. Она использовалась им в его новаторских исследованиях основ термодинамики. Университетские записи показывают, что он все еще работал и регулярно использовался для демонстраций лекций в 1870-х годах, через 30 лет после того, как Томсон впервые нашел и отремонтировал его.
Этот образец сейчас выставлен в Хантерианском музее Университета Глазго.
Художественная концепция энергетической системы на поверхности Марса. Кредиты: НАСА.
Творение Стирлинга часто упускают из виду, но это был революционный двигатель. В нем рассказывается история не только о творчестве и инновациях, но и о гуманитарных усилиях по улучшению условий труда в промышленности в 19 веке. Это также история долговечности технической концепции, и по мере того, как традиционные виды топлива становятся все более дефицитными, идеи преподобного Роберта Стирлинга 200 с лишним лет назад актуальны сегодня как никогда раньше.
Завод по производству тарелок Стирлинга в Фениксе, Аризона
Завод по производству тарелок Марикопа-Стирлинг компании United Sun Systems International Ltd.
Владелец этой фотографии разрешил использовать эту фотографию в Википедии. Письмо с письменным одобрением было перенаправлено по адресу разрешения[email protected] и разрешения-commons@wikimedia.