Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Главная страница » Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Двигатели логично рассматривать продуктом промышленной революции. Первой «ласточкой» отметились паровые конструкции, работающие на угле. Следом появились более чистые и более эффективные бензиновые моторы. Самыми современные конструкции представляют уже реактивные двигатели. Основная концепция такой конструкции очевидна — разница между высокой и низкой температурой. Эта концепция фактически не изменилась за пару сотен лет, несмотря на достигнутые улучшения. Между тем, среди всего разнообразия существующих концепций привлекает внимание двигатель Стирлинга (автор Роберт Стирлинг 1816 год), напоминающий паровую систему, но не предполагающий использование пара. Рассмотрим подробнее эту конструкцию.

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

• расширения,
• сжатия,
• нагрева,
• охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
4. Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

Схема двигателя Стирлинга (лабораторная): 1 – источник нагрева; 2 – «горячий» цилиндр; 3 – «вытеснитель»; 4 – эксцентрик; 5 – «холодный» цилиндр; 6 – рабочий поршень; 7 — эксцентрик

Существует множество различных конструкций двигателей Стирлинга. Однако здесь будет рассмотрен один конкретный тип исполнения, известный как «вытеснитель» (бета-двигатель Стирлинга). Исполнение характерно наличием следующих ключевых частей:

1. Источник тепла.
2. Газ.
3. Радиатор.
4. Поршни.

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

• тепла чашки кофе,
• тепла ладони руки,
• температуры кубика льда.

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

• обычный воздух,
• водород,
• гелий,
• другой газ.

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Конструкция, называемая «вытесняющей» (бета-двигатель Стирлинга), имеет поршень, которым перемещается газ между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня парового двигателя, «вытеснитель» устанавливается свободно внутри цилиндра, благодаря чему газ обтекает поршень в моменты движения вперёд и назад.

Концепция «вытеснителя»: 1 – зона расширения; 2 – поршень «вытеснитель»; 3 – нагреватель; 4, 5 – рабочий газ (обычно воздух); 6 – область сжатия; 7 – рабочий поршень; 8 – охладитель; 9 – балансирующая масса; 10 — регенератор

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Рабочий поршень и поршень «вытеснителя» постоянно движутся, но не совпадают по фазе (отклонение фазы на 90°) один с другим. Поршни, между тем, приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень «вытеснителя» всегда на четверть цикла (90°) опережает в движении рабочий поршень.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга по типу «вытеснитель»?

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла.

Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Функция поршня «вытеснителя» направлена на перемещение газа от горячей стороны к холодной стороне баллона и обратно. Работая тандемом, оба поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводящей системе). Соответственно, с последующим получением полезной механической работы.

Детальное описание функционала

1. Операция охлаждение – сжатие: большая часть газа содержится в области цилиндра более холодной. Когда оба поршня движутся внутрь (к центру), охлаждённая газовая составляющая сжимается, отдавая часть тепла конструкции радиатора.
2. Операция перекачка – регенерация: поршень «вытеснителя» перемещается. При этом охлажденный газ перетекает обходным путём в область цилиндра более горячую. Объём газа остаётся постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник).
3. Операция нагрев – расширение: большая часть газа располагается в области цилиндра «горячая». Газ нагревается огнём (или другим источником тепла), отчего давление газовой составляющей повышается. Налицо эффект расширения и поглощения энергии. Эффект расширения толкает рабочий поршень, который, в свою очередь, приводит в движение маховик – механическую часть. В этой части цикла двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию.
4. Операция передача – охлаждение: поршень «вытеснителя» перемещается, горячий газ перемещается по обходному пути в более холодную часть цилиндра. Объём газа остается постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник) с отдачей части энергии. Цикл завершён и готов к повторению.

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике.

Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключаются скептические представления относительно слишком сложной конструкции. Спрашивается, для чего возиться с двумя поршнями, если можно создать простой паровой двигатель на одном? Какой смысл во всех этих отдельно взятых этапах? И нельзя ли сделать всё проще?

Наглядный пример практической реализации – двигатель Стирлинга на шестнадцать цилиндров. Оригинальная современная конструкция технологичного устройства

Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

• давление,
• объём,
• температура газа.

Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

1. Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
2. Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
3. Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
4. Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Явным преимуществом двигателя Стирлинга видится более выраженная эффективность по отношению к тем же паровым системам. Исключается необходимость котлов – опасных технологически конструкций, нет нужды запасать воду и создавать сложные системы открывания / закрывания клапанов.

Следует отметить: благодаря отсутствию сложных клапанных систем, двигатели Стирлинга работают тише паровых конструкций. Учитывая возможное применение энергии, получаемой не от источников сжигания топлива, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всевозможных видах топлива.

Среди потенциальных недостатков можно отметить относительно медленный запуск. Обычно требуется время для прогрева теплообменника и маховика, чтобы разогнать систему до рабочей скорости.

Также достаточно сложно проходят процессы остановки. Конструкции требуют радиаторов больших габаритов для эффективного отвода тепла, чем несколько ограничивается применение в отдельных случаях.

Ударный гайковёрт: беспроводные инструменты ТОП-5 для винтовых соединений

Ковар (Kovar): уникальный металлический сплав контролируемого расширения

Станок с числовым программным управлением (ЧПУ) – технология и терминология

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .

Двигатель Стирлинга

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье — «История изобретения паровых машин». А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

История создания.

Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим «экономом».

В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название — «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 % инвестировала фирма «Филипс». Поскольку двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, то в эпоху паровых машин он был широко распространён.

Недостатки.

• Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.

• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества.

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

• «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

• Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

• Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

• Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

• Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

• Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью — увеличение по клику.

• Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

• Бета-Стирлинг — цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

• Гамма-Стирлинг — есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Источник Источник Источник http://zetsila.ru/%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C-%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0-%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D1%81%D1%82%D1%80%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F/
http://autohis.ru/stirling.php