Мощность двигателя стирлинга: Некоторые заблуждения относительно Двигателей Стирлинга

Содержание

Некоторые заблуждения относительно Двигателей Стирлинга

Весь Рунет просто напичкан однотипными статьями-мифами (рерайтами, копирайтами или просто приватизайтерами) в которых даются значения, формулы и умозаключения относительно двигателей Стирлинга и самого цикла Стирлинга или цикла Крно. Хочу сказать, что не стоит воспринимать на веру всё что пишут. Ошибка многих «технарей — самодельщиков» в том, что им лень. Да, да, им лень взять и проверить свои знания математики и физики за 3-9 классы, и тем самым убедиться в истине приводимых рассуждений (смотрите карту для начинающих). Приведу некоторые распространённые «враки» и недоговорки на форумах, блогах и уважаемых сайтах о Стирлинг-машинах:

1. Теоретический КПД двигателя Стирлинга может достигать 70-75%.

Это не так! Теоретический КПД двигателя Стирлинга (цикла Карно) может достигать 100%! Проверьте сами по формуле или по калькулятору. Возьмите температуру холодильника ноль градусов Кельвина (или -273.

15 °С) и сами всё увидите.

2. Внимание! Изобретён вечный двигатель! Взять тепловой насос с КПД 400% (а есть и с КПД 600%!) и Стирлинг с КПД 35% (а есть и 49%!) и завязать их друг на друга. Перемножая КПД мы получаем суммарный 140% (0,35*4=1,4). И вот он вечный двигатель! Ну или халявная энергия!

Вечный двигатель с ограниченной гарантией

Ага, и сделать это можно из пивных банок! Изобретённому вечному двигателю уже мульон лет. Мы всё время хотим обмануть законы физики. Мы всё время не хотим читать книги и пользоваться калькуляторами. Ответьте на вопрос: почему тот кто предлагает весь этот бред сам не возьмёт и не сделает этот халявный генератор? Почему он предлагает это сенсационное открытие вам?

Итак теоретический коэффициент преобразования теплового насоса (назовём его условно КПД, именно так его преподносят нам в литературе) считается по формуле

КПД=T₂

/(T₁ – T₂)

где Т2 — температура отдаваемая тепловому насосу (в нашем варианте это, например, грунт), а Т1 — температура, которую отдаёт насос (например для отопления помещения). Всё в градусах Кельвина.

Теперь наши расчётные идеальные данные. Температуру грунта Т2 возьмём приблизительно 6°С, т.е. 6+273=279°К. Температура Т1=60°С или 273+60=333°К. Наш КПД=279/54=5,1666 или более 500%. Здорово, не правда ли? Проверьте на калькуляторе КПД теплового насоса.

Считаем КПД идеального двигателя Стирлинга для этих температур. КПД= (333-279)/333=0,16216 или 16,216%. В реальной жизни КПД будут конечно же ещё меньше. Если вы умножите 5,1666 и 0,16216 , то получите значение меньше 1 , а именно 0,8378. Что это значит? Да то, что халявы не бывает! При любых значениях нагревателя и холодильника суммарный КПД двигателя и теплового насоса будет ниже 100%.

А как же КПД цикла Стирлинга в 35% и даже выше? Это значения КПД приведены для большой разницы температур. При такой большой разнице т.н. КПД теплового насоса будет значительно ниже! И в итоге суммарный КПД снова будет ниже 1. Всё? Закрыли эту тему?

3. Увеличивая температуру холодильника на 1 градус вы уменьшаете КПД на 0,5% .

Хочется оставить это без комментариев, но… Снова берём формулу или калькулятор и смотрим и возмущаемся этому утверждению. Повторюсь, зависимость КПД цикла Стирлинга нелинейна! Сразу вспоминается байка о сломанных часах, которые два раза в день показывали правильное время.

4. Эффективность двигателя Стирлинга растёт с увеличением температуры.

Здесь нам не договаривают. Если речь идёт о росте температуры нагревателя, то соглашусь, но тут же нужно сказать, что эффективность растёт и с понижением температуры холодильника. И даже намного быстрее!

5. Во всём виноваты спецслужбы! Они-то и не дают Российским изобретателям делать и внедрять Стирлинги. Ну конечно же спецслужбы спонсируются нефтянниками и газовщиками.

Ну как вы себе это представляете? А кто тогда мешает Китайцам, Немцам, Шведам и Американцам? Может просто не родился тот Кулибин, который сделает действительно безобразно простую модель с высоким КПД, удельной мощностью, высокой надёжностью и дешёвой в производстве? Ведь те проблемы, которые описаны в книжках, для существующих схем двигателей не решены или решаются ой как дорого и неэффективно. Это только на первый взгляд двигатель простой. Простой, пока не начнёшь его делать. Ищите виноватых в себе. Пусть хоть в этом наши энергетики не будут виноваты.

устройство, принципы работы и 3 модификации

Для приведения в действие машин и механизмов используются силовые агрегаты различной конструкции. Двигатель Стирлинга является одним из силовых агрегатов внешнего сгорания. Для того чтобы понять как работает двигатель Стирлинга необходимо разобраться в его устройстве.

История создания двигателя Стирлинга

До появления силовых агрегатов Стерлинга использовались моторы, работающие на водяном пару. Такие агрегаты могут работать на твердом топливе. Паровые двигатели имеют сложную конструкцию и требуют особого обслуживания. Двигатели Стирлинга имеют простейшую конструкцию. Выполнять ремонт силовой установки можно, не имея технических знаний и особого оборудования.

Конструкция была запатентована в 1816 году. По сравнению с паровыми двигателями мотор был безопасен в использовании и имел простую конструкцию. Главным преимуществом силового агрегата является возможность использования любого вида топлива. Мотор работает от перепадов температуры.

СПРАВКА: При одинаковом объеме рабочей камеры двигатель внутреннего сгорания обладает более высокими показателями мощности.

Виды двигателей

Существует несколько видов моторов Стирлинга отличающихся по своей конструкции:

Альфа;
Бета;
Гамма;
Роторный.

Ниже будет подробно рассмотрена конструкция каждого из видов силового агрегата.

Альфа

Конструктивно состоит из двух цилиндров. На один из цилиндров установлен охлаждающей радиатор. Второй край этого цилиндра подвергается нагреву. В каждой рабочей камере установлен отдельный поршень. Передача усилия от поршневой группы осуществляется на коленчатый вал. Коленчатый вал с поршнем и вытеснителем соединены шарнирно.

Бета

В конструкцию входит одна рабочая камера. Она одновременно подвергается нагреву и охлаждению.

Нагреву подвергается один край рабочей камеры, охлаждению – второй. Под действием изменения давления воздуха или газа находящегося в рабочей камере перемещается поршень.

Гамма

Отличием конструкции являются два рабочих цилиндра отдельно стоящие друг от друга. Одна рабочая камера постоянно подвергается нагреву. На нее устанавливают радиатор охлаждения. Вторая камера постоянно охлаждённая.

Роторный двигатель Стирлинга

Отличается отсутствием кривошипно-шатунного механизма. Это уменьшает габаритно массовые параметры силового агрегата. Конструкция роторного двигателя позволяет улучшить герметичность рабочей камеры.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Мотор преобразует энергию, получаемую от источника тепла в механическую силу. В рабочей камере находится воздух или газ. Одна часть рабочей камеры оснащена радиатором охлаждения или водяной рубашкой. Это необходимо для охлаждения воздушной массы находящейся в полости цилиндра. Вторая часть подвергается нагреву.

СПРАВКА: Для нормальной работы силового агрегата подойдет любое жидкое, твёрдое или газообразное топливо.

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

Под действием высокой температуры воздуха в полости рабочей камеры нагревается и увеличивается в объеме. Увеличение объема воздуха воздействует на поршень, перемещая его в верхнюю мертвую точку;
Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень возвращается в обратном направлении. После этого цикл повторяется.

Двигатель 1 NZ FE: Обзор и технические характеристики

Нагревание и охлаждение воздуха в рабочей камере осуществляется при помощи вытеснителя. Он смещает воздушную массу от горячей части цилиндра к холодной и наоборот. Вытеснитель занимает большую часть объема рабочей камеры.

Область применения

Двигатели Стирлинга, работающие от внешнего источника тепла, могут применяться для изготовления:

Генераторов. При помощи силового агрегата можно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Это очень удобно в местах, где подача электричества осуществляется с перебоями или отсутствует;
Насосов для перекачки различных жидкостей.мощности силовой установки достаточно для перекачивания различных жидкостей;
Климатического оборудования;
Автомобилей и самоходной техники.

Простота конструкции позволяет использовать силовые агрегаты для создания автомобилей и различного оборудования. Работа на любом топливе позволяет использовать такие моторы в местах, где подача электроэнергии осуществляется с перебоями или отсутствует.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга внешнего сгорания имеет ряд достоинств и недостатков.

Преимущества

Возможность работы на разном топливе. Для нормальной работы может быть использован абсолютно любой источник тепла. В некоторых случаях применяется солнечная энергия. Для этого солнечный свет концентрируется на поверхности цилиндра;

Простота конструкции. В силовом агрегате нет большого количества комплектующих. Это делает мотор простым в эксплуатации и ремонте. Обслуживание двигателя может проводить человек, имеющий минимальные технические знания;
Минимальный уровень шума. Двигатель Стирлинга при работе издает минимальный уровень шума. Это возможно благодаря отсутствию большого количества вращающихся деталей и воспламенения топлива в рабочей камере;
Моторесурс. Минимальное количество комплектующих позволяет использовать мотор длительное время без ремонта и дополнительного обслуживания;
Экологичность. При использовании источника тепла не загрязняющего окружающую среду мотор будет экологически чист.

Недостатки

Большие габаритно массовые параметры. Для увеличения мощности необходимо использовать рабочую камеру и поршень большого диаметра. Это требует применения охлаждающего радиатора увеличенных размеров;

Сложность в регулировке оборотов. Для регулировки частоты вращения коленчатого вала необходимо изменять показатели температуры;
Необходимость в использовании жаропрочных материалов. Увеличение моторесурса возможно при применении материалов устойчивых к высоким температурам.

Двигатель Стирлинга своими руками

Некоторые люди задаются вопросом, как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях? Существует большое количество разновидностей самодельных двигателей Стирлинга. Для того чтобы создать двигатель Стирлинга не обязательно иметь чертежи и специализированные материалы. Создать силовой агрегат дома, можно из подручных материалов, не применяя специализированное сложное оборудование.

Перед сборкой необходимо определиться какой мощности будет силовая установка. Как правило, умельцы создают изделия небольшой мощности, которой хватает для вращения маленького вентилятора. Мотор изготавливается в следующей последовательности:

Рабочая камера

Создавая двигатель Стирлинга своими руками в первую очередь, изготавливают большой цилиндр. В полости этой камеры будет перемещаться вытеснитель воздуха. Он необходим для смещения воздушной массы в рабочей камере.

Камеру изготавливают из термоустойчивых материалов. Это может быть как цельная металлическая ёмкость, так и сосуд, составленный из двух частей. Соединение частей должно быть герметичным. В верхней части камеры необходимо просверлить отверстие.

ВАЖНО: Отсутствие герметичности в рабочей камере приведет к нарушению работоспособности силового агрегата. Во избежание этого необходимо герметизировать места соединения термоустойчивым герметизирующим составом.

Если камера изготавливается из двух частей, то для соединения выбирают клей или пайку. Внутренняя поверхность камеры в месте соединения не должна иметь заусенец или выпирающих частей. Это необходимо для того, чтобы не было препятствий для движения вытеснителя воздушной массы.

Двигатель 2jz: Обзор двигателя и технические характеристики

Вытеснитель

Перед окончательным соединением частей рабочей камеры необходимо самостоятельно изготовить вытеснитель. Это устройство, которое будет смещать воздушную массу в камере. Размеры вытеснителя должны быть меньше диаметра рабочей камеры. Между стенками камеры и вытеснителем должен быть зазор позволяющий изделию свободно перемещаться.

Для изготовления применяется поролон или другой лёгкий материал. Толщина материала выбирается исходя из внутреннего объема камеры.

После изготовления вытеснителя необходимо закрепить на нём шток. Он изготавливается из металлической проволоки диаметром 0.5 мм. Хорошо подойдет разогнутая канцелярская скрепка. Проволоку крепят к втулке из резины или другого эластичного материала. Втулку крепят к поролоновому диску. Такая конструкция позволяет создать прочное соединение.

Перед сборкой рабочей камеры необходимо продвинуть шток вытеснителя в заранее просверленное, в верхней части камеры, отверстие. Шток должен свободно перемещаться в отверстии. После установки поролонового диска герметизируется рабочая камера.

Подставка

Изготовление подставки является необязательным. Она необходима для установки силового агрегата. В подставке предусматривается место для закладки топлива. Это может быть свеча, сухое горючее, или любой другой источник тепловой энергии.

Подставка изготавливается из термостойких материалов. Хорошо подходит металлическая банка от напитков. Верхнюю часть банки срезают. В боковой части вырезают окно для загрузки топлива. Во избежание травмирования на острые срезы банки устанавливают резиновые уплотнения.

СПРАВКА: При использовании в качестве топлива сухого горючего на дно банки устанавливают металлическую площадку. Хорошо подойдет металлическая шайба толщиной 0.5 – 1 мм. Шайба крепится ко дну банки при помощи самореза или болта.

Цилиндр

Цилиндр используется для установки у него силового поршня. Полость рабочего цилиндра сообщается с полостью камеры через просверленное отверстие в верхней крышке. Соединение цилиндра с рабочей камерой должно быть герметичным. Это необходимо для предотвращения утечки воздуха из полости рабочей камеры в атмосферу.

ВНИМАНИЕ: Герметизация осуществляется путём пайки или нанесения на место соединения герметизирующих составов.

Для изготовления цилиндра используют тонкий лист металла. Из листа вырезают полосу шириной 30-35 мм. Сворачивая полосу, изготавливают цилиндр. Место соединения стенок цилиндра герметизируют при помощи пайки.

Поршень

Поршень изготавливается из пластмассы, дерева или пробки. Для исключения утечки воздуха через зазор между поршнем и цилиндром изделие оснащают мембраной. Мембрану изготавливают из полиэтиленового пакета, воздушного шара, или медицинской перчатки.

Поршень приклеивают к мембране при помощи клея. К цилиндру мембрана крепится при помощи резинки или прочной нити. В верхней части поршня устанавливают крепление для шатуна. Его изготавливают из тонкой проволоки. Крепление выполнено в виде петли с винтом, который вкручивается в поверхность поршня. К петле при помощи болта крепится шатун.

Двигатель 4s fe: Характеристики двигателя и тюнинг

Маховик

Работа свободнопоршневого двигателя собранного своими руками будет нестабильной. Для стабилизации оборотов силового агрегата изготавливают маховик. Он стабилизирует частоту вращения за счёт силы инерции.

Маховик изготавливают из прочного материала. Хорошо подходит металлическая крышка для консервации или CD диск. В центре маховика необходимо закрепить коленчатый вал.

ВАЖНО: Коленчатый вал необходимо крепить точно в центре маховика. Смещение точки крепления приведет к разбалансировке в работе силового агрегата.

Коленчатый вал и шатун

Коленвал изготавливают из толстой металлической или медной проволоки. На коленчатом валу выполняют два изгиба. Угол между коленами должен составлять 90 градусов. На одно колено шарнирно устанавливается шатун, второй конец которого крепится к поршню. На второе колено шарнирно устанавливается шток вытеснителя.

В качестве шарниров можно использовать клеммы для соединения проводов. Для этого необходимо предварительно удалить с них зажимающие винты. Для того чтобы провести расчёт глубины колена необходимо разделить на 2 ход поршня от верхней до нижней мертвой точки.

Держатель коленчатого вала

Держатель изготавливают из металла или пластика. Можно использовать стальную, медную проволоку, стержни, трубки и т.д. Нижняя часть держателя жёстко устанавливается на корпус рабочей камеры. Для этого его приклеивают или припаивают к поверхности. В верхней части держатель шарнирно соединяется с коленчатым валом.

Вентилятор

Вместо вентилятора может быть изготовлено любое другое устройство, которому будет передаваться крутящий момент от коленчатого вала. Вентилятор изготавливают из листа металла или пластика. Перед изготовлением вентилятора на материал наносят чертеж.

После этого вырезают деталь. Во избежание получения травм острые края, полученной детали обрабатывают наждачной бумагой.

В центре вентилятора сверлят отверстие. В него устанавливают резиновую, пробковую, или любую эластичную втулку. Изготовленную деталь крепят на коленчатый вал.

ВНИМАНИЕ: Во избежание разбалансировки необходимо крепить коленчатый вал точно по центру вентилятора. Найти центр можно при помощи циркуля.

Запуск двигателя

После проверки рабочей камеры на герметичность и сборки двигателя необходимо проверить его работоспособность. Для этого:

Подобрать источник тепловой энергии. Это может быть свеча или любое другое топливо. Можно использовать сосуд с горячей водой. Для этого нижнюю поверхность рабочей камеры необходимо установить на емкость с жидкостью;
Установить изделия на подставку. На дно подставки поместить источник тепловой энергии;
На верхнюю поверхность рабочей камеры поместить кубики льда;
Раскрутить маховик вручную.

После раскручивания маховика двигатель должен начать работу. Поршень и шток вытеснителя будут попеременно воздействовать на коленчатый вал установки. Стабильную работу будет обеспечивать сила инерции маховика.

Из вышеперечисленного следует, что двигатель Стирлинга это силовой агрегат, работающий от разницы температур рабочего тела. Мотор может работать на любом виде топлива.

Модель силовой установки можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Для этого не потребуется специализированных материалов и оборудования.

В качестве источника питания для модели силовой установки может использоваться свеча, сухое горючее и т.п.

У какого двигателя стирлинга лучшая конструкция с максимальным кпд

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок.

Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле).

Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх.

Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла.

При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый – полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность: двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло – силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен, так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата.

Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.

Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны).

Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля.

Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino, расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Двигатель внешнего сгорания: 3 модификации двинателя Стирлинга

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания.

Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки.

Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду.

При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла.

Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

Также советуем прочитать статью нашего специалиста, в которой он рассказывает о принципе работы и особенностях двигателя Ибадуллаева.
Дополнительно советуем внимательно изучить статью нашего автора, в которой подробно описывается роторно-поршневой двигатель Ванкеля.
На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх.

Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному.

Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извн

Двигатель Стирлинга – принцип работы. Низкотемпературный двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована тепловая машина, названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель внешнего сгорания

Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.

Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.

Двигатели внешнего сгорания от Philips

Подобные моторы бывают следующих типов:

паровой;
паротурбинный;
Стирлинга.

Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.

Принцип работы

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления – в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой – расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой – высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз – возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор – полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. П

Современное применение двигателей Стирлинга

Их практическое применение сегодня

Двигатель для теплоэлектроцентрали, производимый Wudag в Германии. Двигатели Стирлинга зеленые, а топки синие.

Вы, наверное, говорите себе что-то вроде этого: «Если двигатели Стирлинга такие классные, то для чего они используются сегодня?»

Сегодня двигатели Стирлинга используются в самых разных сферах — от игрушек и вентиляторов для дровяной печи до теплоэлектростанций для предприятий и для двигателей самых бесшумных и опасных подводных лодок в море.

Итак, какие применения описаны в этой статье?

На этой странице показаны ТОЛЬКО двигатели Стирлинга, которые являются легко доступными продуктами. Он не включает исследовательские проекты или исторические двигатели Стирлинга.

Я также писал о том, почему некоторые специфические области применения двигателей Стирлинга, такие как двигатели для вашего автомобиля и эффективные солнечные двигатели Стирлинга, вряд ли также будут популярны.

Щелкните или коснитесь ссылок ниже, чтобы перейти в этот раздел:

Игрушки
Учебные пособия
Вентилятор для дровяной печи
Теплоэлектроцентраль
Пример крутой 3D-печати
Подводная мощь
Кондиционирование и охлаждение
Криокулеры
Социальное обеспечение ученых и инженеров
Инвестиционное мошенничество
Двигатели Стирлинга для легковых автомобилей — никогда
Солнечные генераторы — эффективные и по завышенной цене
Двигатели Стирлинга для ядерной энергетики для дальнего космоса

Игрушки

Игрушки с двигателем Стирлинга могут очаровывать, и это было верно с тех пор, как их изобрел Роберт Стирлинг.

Есть еще старинные игрушки с двигателями Стирлинга, которые были построены вскоре после того, как Роберт Стирлинг изобрел двигатель.

Самый старый из существующих старинных двигателей Стирлинга

Старинная игрушечная модель двигателя Стирлинга, около 1910 г.

Обычно они работают на спиртовом пламени, и существуют тысячи вариантов возможных конструкций двигателей.

Мне больше всего нравятся с визуальной точки зрения те, у которых просто много движущихся частей.

Низкотемпературные игрушки

Я также большой поклонник низкотемпературных двигателей Стирлинга, которые могут работать как от чашки горячей воды, так и от тепла ваших рук.

Двигатель Стирлинга Eco Power

Цены начинаются от 30 долларов и увеличиваются до тех пор, пока вы не захотите заплатить.

Учебные пособия

Двигатели Стирлинга помогают безопасно привлекать студентов

Двигатель Стирлинга ММ-7

Двигатели

Стирлинга занимают особое место в университетских и школьных аудиториях.

Это особенно верно для двигателей Стирлинга с низким перепадом температур, которые могут работать, не заполняя классную комнату парами окиси углерода.

Есть что-то воодушевляющее в том, как двигатель работает от тепла чашки с горячей водой или от тепла вашей руки. Эти двигатели привлекают студентов, изучающих естественные науки и инженерные науки, к более глубокому интересу и пониманию всех типов двигателей.

Физические и инженерные лаборатории могут особенно выиграть от оснащенного прибором лабораторного двигателя Стирлинга, который может работать без вытяжного шкафа и без риска утечки окиси углерода.

Вентилятор для дровяной печи

Одна из больших проблем при использовании дровяной печи для обогрева дома заключается в том, что рядом с печью обычно слишком жарко, а в других частях комнаты слишком холодно.

Очевидно, вам нужен способ перемещать воздух по дому, и в некоторых случаях вы будете использовать дровяную печь в месте, где нет электричества или вы просто не хотите ее использовать по какой-то причине.

Вот где блистают вентиляторы дровяных печей Стирлинга. У нас есть подробная страница антикварных и современных вентиляторов Стирлинга, которые могут вам понравиться.

Переместить воздух без электричества

Вы можете купить вентиляторы для дровяной печи, чтобы плавно перемещать воздух по комнате без электричества.

Просто установите вентилятор на дровяную печь, подождите, пока он нагреется, переверните лопасти вентилятора, и вы получите вентилятор, который мягко и бесшумно перемещает воздух по комнате.

Не ждите, что это будет двигать воздух, как сильный электрический вентилятор. Но если у вас есть дровяная печь и вы читаете это, вам может понравиться использовать вентилятор двигателя Стирлинга, чтобы сделать температуру в вашей комнате более равномерной.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии

Комбинированный теплоэнергетический двигатель в доме производства Ökofen¹

Одна из проблем всех типов двигателей заключается в том, что они недостаточно эффективны.Каждый раз, когда из выхлопной трубы двигателя выходят горячие газы, этот поток горячего выхлопа — это энергия, за которую вы заплатили, но не смогли использовать.

Но что, если бы вы могли настроить движок так, чтобы одновременно делать две важные для вас вещи? Например, производство электричества и горячая вода для обогрева дома.

Сегодня на рынке представлено несколько компаний, которые производят электроэнергию, а также вырабатывают горячую воду для отопления домов и зданий, а также для бытовых или коммерческих нужд в горячей воде.

Возможно, вам понравится читать о рекомендуемых нами комбинированных теплоэнергетических двигателях.

Пример крутой 3D-печати

[фото 1]

Когда 3D-принтеры впервые стали доступны, я сразу понял, что их можно использовать для создания двигателя Стирлинга. Многие другие люди тоже.

Единственный вопрос заключался в том, какую часть движка вы действительно можете напечатать? Очевидно, что наиболее интересным и сложным было бы распечатать весь движок без необходимости в непечатаемых частях.

Двигатели с частичной печатью

Первые несколько напечатанных двигателей Стирлинга, которые я видел, были напечатаны лишь частично.

Они использовали шариковые подшипники для маховика и несколько металлических деталей, а также очень гладкий графитовый поршень марки Airpot, работающий в стеклянном цилиндре.

В первых двигателях Стирлинга, напечатанных на 3D-принтере, было много дорогих закупленных компонентов.

Я знал, что было бы намного интереснее, если бы кто-нибудь нашел способ распечатать весь движок.

Я также потратил много времени на разработку собственных двигателей Стирлинга, напечатанных на 3D-принтере. Это было нелегко.

Самый крутой пример 3D-печати за всю историю

Двигатель Стирлинга, полностью напечатанный на 3D-принтере, разработанный Доном Клукасом.

К счастью, Дон Клукас из Крайст-Черч, Новая Зеландия, придумал, как напечатать весь двигатель Стирлинга, вообще не используя никаких приобретенных компонентов.

Дон ранее проектировал комбинированный теплоэнергетический двигатель Стирлинга Whispergen, поэтому он был опытным конструктором двигателей Стирлинга, и выяснение того, как напечатать весь двигатель Стирлинга без необходимости покупать дополнительные компоненты, было почти чудом.

Распечатайте двигатель для каждого ученика

Теперь, если в вашей школе есть 3D-принтер, и вы хотите провести в классе эксперимент с двигателями Стирлинга, вы можете просто распечатать его для каждого ученика в классе.

Это намного интереснее, чем наличие нескольких двигателей для студентов.

Решение Дона печатной проблемы поршня

Самая сложная часть при печати всего 3D-двигателя Стирлинга — это поршень. Современные принтеры не позволяют печатать поршень малого диаметра с достаточной точностью, чтобы он работал.

Дон решил напечатать поршень, который работает как сильфон. На изображении выше поршень белый. Его веб-сайт называется «Проекты для печати», и здесь есть ссылка на него со страницы ссылок на двигатель Стирлинга.

Мощность подводной лодки

Submarine Power — Воздушно-независимая силовая установка

ВМС США наняли подводные лодки шведской конструкции производства SAAB (ранее Kockums) для участия в военных играх. Их бесшумные подводные лодки, которые используют двигатели Стирлинга, оказались «смертоносными» при моделировании.

Двигатели

Стирлинга превосходно подходят для любых применений, где люди очень дорожат тишиной.

Поскольку двигатели Стирлинга могут быть практически бесшумными, они идеально подходят для питания подводных лодок.

Шведская компания-производитель подводных лодок SAAB (ранее Kockums) добавила двигатель Стирлинга к своим подводным лодкам классов Gotland и Södermanland.

Дизель + Аккумуляторы + Стирлинг

Двигатель Стирлинга, который SAAB использует для шведских подводных лодок класса Gotland.

В этих подводных лодках используется так называемая воздушно-независимая силовая установка, позволяющая им оставаться под водой в полной боевой готовности до нескольких недель.

По сути, это дизель-электрические подводные лодки, которые могут просто продлить срок службы (до двух недель) с помощью двигателя Стирлинга, дополняющего батареи.

Двигатели

Стирлинга также устанавливаются на японские подводные лодки класса Soryu и, по слухам, используются в некоторых новых китайских подводных лодках².

Кондиционер

Это не сразу бросается в глаза, если посмотреть на двигатель Стирлинга, но любой двигатель Стирлинга можно превратить в тепловой насос, прикрепив электродвигатель к выходному валу и запустив электродвигатель.

Конечно, двигатели Стирлинга с низким перепадом температур, которые были разработаны для работы при небольших перепадах температур, будут давать лишь небольшие перепады температур, когда они приводятся в действие двигателем.

Так что не пытайтесь делать это с двигателем Стирлинга с низким перепадом температур.

Попробовать двигатель с подогревом пламени

Но если вы прикрепите электродвигатель к выходному валу любого двигателя Стирлинга, предназначенного для работы при более высоких перепадах температур, и запустите электродвигатель, одна сторона станет горячей, а другая — холодной.

Это можно сделать даже с очень простыми моделями, попробуйте.

Двигатели Стирлинга можно использовать в качестве кондиционеров

Очевидно, что специализированные кулеры будут работать лучше, чем двигатели, которые были преобразованы в кулеры.

Если вы хотите построить такой кондиционер для кондиционирования дома, вам придется конкурировать с хорошо зарекомендовавшей себя технологией охлаждения с паровым циклом, цена которой снижалась на протяжении многих поколений производства.

Таким образом, поскольку большинство людей принимают решения о покупке новых холодильников и кондиционеров в основном на основе начальной закупочной цены, и поскольку новый кондиционер с двигателем Стирлинга, вероятно, будет изначально дороже, это не то приложение, которое вы, вероятно, увидите в широком использовании. в любое время скоро.

Но построены кондиционеры и холодильники с двигателями Стирлинга.

Но где технология цикла Стирлинга действительно сияет, так это там, где другие технологии не могут легко конкурировать, например, в криокулерах.

Криокулеры

Криокулер производства Janis³, используемый в статическом обменном газе.

Если вы хотите достичь очень низких температур для охлаждения электроники для достижения сверхпроводимости или для исследовательских целей, двигатели Стирлинга, специально разработанные для охлаждения, являются отличным выбором.

Охладители

, подобные этому, были первоначально разработаны компанией Phillips Electronics в 1950-х годах и продолжают продаваться и использоваться сегодня.

Если вам нужен он для промышленного применения, они доступны.

Двухступенчатые охладители Стирлинга могут обеспечивать температуру примерно до 20 градусов Кельвина, что достаточно для сжижения водорода и неона.

Социальное обеспечение ученых и инженеров

По этому поводу, похоже, я несерьезно, но на самом деле это так.

Определенная сумма государственного бюджета на исследования ежегодно расходуется на проекты по разработке новых технологий. Это вопрос государственной политики.

На протяжении многих лет, когда я интересовался двигателями Стирлинга, я видел, как люди подавали заявки и получали правительственные гранты на исследования для разработки двигателей Стирлинга.

Почему это проблема?

Проблема этого исследования, финансируемого государством, заключается в том, что оно редко приводит к появлению новых продуктов, которые люди покупают.Продукты часто разрабатываются с учетом высокого уровня эффективности, сложности и стоимости, что делает невозможным их производство и продажу на коммерческой основе.

Возьмем, к примеру, компанию Sunpower из Афин, штат Огайо.

За эти годы они разработали множество интересных продуктов, но постарайтесь найти любой из них на рынке сегодня. Вы действительно не можете.

Заказчик — следующий правительственный грант на исследования

Sunpower потратила столько лет на создание интересных продуктов, которые так и не вышли на рынок, что я могу предположить, что они действительно не собирались выводить продукты на рынок.

Вместо этого они создали эти продукты, чтобы получить следующий раунд государственных денег на исследования.

В этом нет ничего плохого, просто помните, что государственные субсидии редко приводят к появлению новых продуктов.

Если вас интересует, почему исследовательские проекты часто не приводят к появлению новых продуктов, прочтите мою страницу о том, почему двигатели Стирлинга не пользуются большей популярностью.

Инвестиционные мошенничества

Множество производителей двигателей Стирлинга приходили и уходили за эти годы.И технологии, и рынки сложны, поэтому я полагаю, что отчасти этого следует ожидать.

Но есть особый тип компаний, которые приходят и уходят, которые, кажется, никогда не собирались делать что-либо, кроме привлечения денег от инвесторов и выплаты высоких зарплат директорам.

У них всегда красивые сайты и красивые офисы. Часто у них даже есть прототип, который они купили у разработчика.

Но, похоже, не было никакой реальной попытки вывести двигатели Стирлинга на рынок с некоторыми из этих мошенников / компаний.

Как они это делают

Прототип обычно покупают у инженера, который потратил на его разработку огромное количество времени.

Он продает его мошенникам, говоря, что они собираются вывести его продукт на рынок, обладая превосходным маркетинговым опытом.

Они фотографируют его, создают красивый веб-сайт, публикуют глянцевые брошюры, собирают много денег от инвесторов и исчезают в истории.

Цикл мошенничества и исчезновения, кажется, повторяется

Это случалось так много раз, что я впадаю в депрессию каждый раз, когда вижу новую.

Итак, мошенники, найдите, пожалуйста, другой технологический центр, в котором работают ваши мошенники.

Очевидно, что нужны новые деньги инвесторов для разработки двигателя Стирлинга правильного типа, но компании с историей наличия хороших маркетинговых кадров и отсутствия инженерного персонала, вероятно, не из тех, кто выводит на рынок новые продукты для двигателей Стирлинга.

Почему двигатели Стирлинга в автомобилях маловероятны

Двигатели Стирлинга подходят для множества применений, но приводы в движение автомобилей не входят в их число.

Почему?

Они медленно запускаются
Сложно быстро изменить уровень мощности
Они не ускоряются быстро
Они тяжелее и дороже

Двигатели Стирлинга любят работать с постоянной скоростью

Двигатели

Стирлинга не подходят для тех, кто хочет быстро перейти от «0 до 60».

Им лучше работать на постоянной скорости, поэтому, если вам нужно быстро разогнаться, когда загорается зеленый свет, двигатели Стирлинга не для вас.

Все эти вещи, а также тот факт, что они дороже, чем типичный двигатель внутреннего сгорания, делают их плохим выбором для автомобилей.

Гибридные автомобили

Теперь, когда мы видим все больше гибридных автомобилей, все больше людей задумываются о том, какое влияние может оказать двигатель Стирлинга.

Двигатели

Стирлинга имеют смысл в качестве источника энергии в некоторых электрических гибридных транспортных средствах, но, опять же, они имеют тенденцию быть тяжелыми.

Если вам удастся решить проблему с весом, они могут подойти.

Солнечные генераторы

А как насчет двигателей Стирлинга для солнечной энергии?

Кажется довольно очевидным, что двигатели Стирлинга можно использовать для работы на концентрированной солнечной энергии.

Проблема с этим подходом состоит в том, что инженерные программы по разработке этих двигателей обычно ставили целью высокую эффективность. Это означает, что будут использоваться дорогие жаропрочные сплавы, и к тому времени, когда двигатель заработает, как ожидалось, будет слишком дорого конкурировать с солнечными элементами.

Concentrating sunshine производит высокотемпературные двигатели, в которых должны использоваться дорогие высокотемпературные металлы, и, хотя в этой области было проведено много исследований, на сегодняшний день на рынке нет коммерческих продуктов.

Двигатели Стирлинга с ядерным двигателем для дальнего космоса

Двигатели

Стирлинга могут работать на любом виде тепла. Что касается двигателя, тепло от ядерного изотопа так же хорошо, как и любой другой вид тепла.

Это было хорошо исследовано в так называемых радиоизотопных генераторах Стирлинга, предназначенных для использования в исследовании космоса.

Важно, когда спутники не приближаются к Солнцу

Легко подумать, что солнечные элементы можно использовать повсюду в космосе, но это невозможно.

Поскольку спутник улетает все дальше от орбиты Земли вокруг Солнца, солнечной плотности просто недостаточно для питания электроники в спутнике, и вам нужен другой метод производства энергии.

Для этого были разработаны двигатели

Стирлинга, использующие радиоактивный изотоп в качестве источника тепла, подключенного к двигателю Стирлинга.

Больше энергии из того же плутония

Двигатели Стирлинга, сконфигурированные таким образом, могут производить примерно в три раза больше электроэнергии, чем они получали бы при использовании термоэлектрического устройства⁴.

Двигатели могут быть разработаны для работы в течение четырех лет без какого-либо обслуживания.

Sunpower of Athens Ohio, строит их для НАСА.

Пожалуйста, прокомментируйте ниже

Спасибо, что прочитали эту страницу.

Пожалуйста, оставьте свои вопросы, комментарии или предложения ниже.

Не забудьте заглянуть на другие наши страницы, посвященные двигателям Стирлинга «сделай сам».

¹ Фото: Ökofen

²Фарли, Р. (2018). «Воздушно-независимые силовые подводные лодки: малозаметность, дешевизна и будущее?» Национальный интерес. Вашингтон, округ Колумбия, Центр национальных интересов. Получено с http://nationalinterest.org/blog/the-buzz/air-independent-propulsion-submarines-stealth-cheap-the-24245

³ Фото: Янис

⁴Шрайбер, Дж., & Вонг, W. (2007). Улучшенный радиоизотопный генератор Стирлинга для космических исследований и исследовательских миссий НАСА. Кливленд, Огайо: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Источник: https://web.archive.org/web/2012092

09/http://www.grc.nasa.gov/WWW/TECB/RPS_ASRG_%20Handout.pdf

⁵ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. (Апрель 2018). Исследовательский центр Гленна НАСА. Получено с https://tec.grc.nasa.gov/rps/stirling-research-lab/advanced-stirling-convertor/

[фото 1] изображение частично напечатанного двигателя Стирлинга с графитовым поршнем в стеклянном цилиндре.

Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом, который стремился создать более безопасную альтернативу паровым двигателям, котлы которых часто взрывались из-за высокого давления пара и ограничений примитивных материалов, доступных в то время.Как и другие тепловые двигатели, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую. Однако существенные особенности двигателя Стирлинга заключаются в том, что это двигатель внешнего сгорания с замкнутым циклом. Это означает, что он использует фиксированное количество рабочей жидкости, обычно воздуха, но могут использоваться и другие газы, заключенные в герметичный контейнер, а тепло, потребляемое двигателем, передается извне. Это позволяет двигателю работать практически от любого источника тепла, включая ископаемое топливо, горячий воздух, солнечную, химическую и ядерную энергию.Он также может работать с очень низкими перепадами температур, всего 7 ° C, между источником тепла и радиатором, так что он может работать от тепла тела и даже пара от чашки кофе.

Так как он может использовать тепло постоянного пламени и не зависит от взрывов, как в двигателе внутреннего сгорания, двигатель работает бесшумно.

На приведенной выше схеме показаны три альтернативных источника тепла, которые обычно используются в электроэнергетике.

Принцип работы

Двигатель Стирлинга основан на свойстве газов: они расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. (Закон Чарльза). Если газ содержится в фиксированном объеме, его давление будет увеличиваться при нагревании и уменьшаться при охлаждении.

Если газ находится в контейнере переменного объема, состоящем из подвижного поршня в цилиндре, закрытом с одного конца, давление увеличивается и уменьшается, заставляя поршень двигаться наружу и внутрь.Повторяющийся нагрев и охлаждение вызовут возвратно-поступательное движение поршня, которое может быть преобразовано во вращательное движение с помощью обычного шатуна и коленчатого вала с маховиком.

К сожалению, скорость, с которой температура газа может изменяться путем нагрева и охлаждения цилиндра, ограничена большой теплоемкостью практических поршней и цилиндров. Однако эту проблему можно преодолеть, поддерживая на одном конце цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом конце — постоянную холодную температуру и перемещая газ от одного конца цилиндра к другому.Это достигается с помощью поршня с неплотной посадкой, известного как вытеснитель, который движется вперед и назад внутри цилиндра, таким образом перемещая газ от одного конца к другому. При перемещении буйка газ выходит из зазора между буйком и стенкой цилиндра. Вытеснитель сам по себе не производит энергии и использует достаточно энергии только для циркуляции газа внутри цилиндра. Мощность извлекается из тепловой системы за счет изменения объема / давления газа на холодном конце цилиндра, чтобы толкать отдельный «силовой поршень» вперед и назад.Возможно множество различных конфигураций поршня и буйка, и ниже приведены примеры, иллюстрирующие наиболее распространенные типы.

Эффективность преобразования

Теоретический коэффициент полезного действия η двигателя Стирлинга определяется законом Карно следующим образом:

η = (T _h — T _c) / T _h или η = 1 — T _c / T _h

Где T _c — температура газа, когда он холодный, а T _h — температура газа, когда он горячий.

Изготовлены практические двигатели с КПД 50%. Это вдвое выше обычного КПД двигателя внутреннего сгорания, который имеет большие потери на перекачивание и воздушный поток в двигателе, а также потери тепла через выхлопные газы и систему охлаждения.

См. Также Тепловые двигатели

Доступная мощность

Несмотря на то, что двигатель обладает высокой эффективностью преобразования энергии, он, к сожалению, имеет низкую удельную мощность, поскольку она достаточно велика для производимой мощности, и это ограничивает диапазон его использования приложениями с малой мощностью.Удельная мощность может быть увеличена за счет использования более высокого давления газа и альтернативных рабочих газов для увеличения теплоемкости газа. См. Приложения ниже.

Типы двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга бывают разных форм и форм. Большинство из них представляют собой варианты четырех основных конфигураций: альфа, бета, гамма и конструкции двойного действия, показанные на диаграмме ниже.

Двигатель Стирлинга (альфа-конфигурация)
Фиксированное количество воздуха или другой рабочей жидкости заключено внутри двух цилиндров, горячего и холодного, и перемещается между ними вперед и назад.Воздух нагревается и расширяется в горячем цилиндре и охлаждается в холодном цилиндре, где он сжимается, отдавая свою энергию для выполнения механической работы в процессе. Примечание: Два поршня соединены с коленчатым валом, но их движения не совпадают по фазе на 90 градусов друг с другом. Это означает, что когда один поршень находится вверху или внизу своего хода, другой будет находиться на полпути между вершиной и основанием. Было разработано множество оригинальных механизмов, обеспечивающих замедленное движение между поршнями.Здесь для простоты показаны только простые коленчатые валы.

1. Рабочая жидкость (газ) нагревается и расширяется, толкая горячий поршень ко дну цилиндра, вращая коленчатый вал, тем самым извлекая работу из горячего газа.Расширение продолжается, заставляя газ течь в сторону холодного цилиндра. Поршень в холодном цилиндре, который находится на 90 градусов (четверть оборота) позади горячего поршня в своем цикле, также толкается вниз, извлекая больше работы из горячего газа.	2. Теперь объем газа максимален. Импульс маховика на коленчатом валу теперь толкает поршень в горячем цилиндре к вершине его хода, заставляя большую часть газа в холодный цилиндр толкать холодный поршень вниз.В холодном баллоне газ охлаждается и его давление падает.	3. Когда горячий поршень достигает верхней точки своего хода, почти весь газ переходит в холодный цилиндр, где продолжается охлаждение и газ сжимается, что еще больше снижает давление. Пониженное давление позволяет холодному поршню подняться. Сила импульса маховика сжимает газ и заставляет его вернуться к горячему цилиндру.	4.Газ достигает своего минимального объема и нагнетается в горячий цилиндр, где начинает толкать горячий поршень вниз. Газ снова нагревается в горячем цилиндре, где его давление увеличивается, и он расширяется, толкая горячий поршень вниз во время рабочего хода, и цикл начинается снова.
Регенератор Регенератор, расположенный в воздушном канале между двумя поршнями, не является обязательным, но служит для повышения эффективности двигателя.Обычно это металлическая или керамическая матрица с большой площадью поверхности, способной поглощать или отдавать тепло. Когда газ циркулирует от горячего цилиндра к холодному, часть его тепла передается регенератору, что помогает охлаждать газ. Когда холодный газ возвращается в горячий цилиндр, на обратном пути он забирает тепло от регенератора. Это снижает как количество тепла, которое должно подводиться к газу источником тепла, так и количество отходящего тепла, которое должно быть отведено из газа системой охлаждения.Таким образом, снижается расход топлива и повышается общий КПД рабочего цикла. Канал передачи газа между двумя цилиндрами представляет собой мертвое пространство, и в большинстве конструкций оно минимально возможно. Рабочей жидкостью может быть просто воздух, но для увеличения удельной мощности можно использовать другие газы, такие как водород, гелий и азот.

Двигатель Стирлинга (бета-конфигурация)
Термодинамика бета-двигателя Стирлинга аналогична термодинамике альфа-двигателя, но физическая конфигурация сильно отличается. Бета-двигатель имеет только один цилиндр, который с одной стороны нагревается, а с другой — охлаждается. Одиночный силовой поршень расположен соосно с поршнем буйка, и оба поршня перемещаются внутри этого цилиндра. Поршень вытеснителя не извлекает энергию из расширяющегося газа, а только служит для перемещения рабочего газа вперед и назад между горячим и холодным концом. Как и в альфа-двигателе, циклические движения поршней разнесены на 90 градусов, причем движение поршня вытеснителя опережает силовой поршень на четверть оборота коленчатого вала. Механизм соединения движений двух поршней довольно сложен. Шатун буйка состоит из двух частей. Верхняя тяга жестко прикреплена к вытеснителю и проходит через центр силового поршня и должна обеспечивать герметичное уплотнение с поршнем, чтобы рабочий газ не выходил. Вторая часть тяги буйка — это обычный шатун, соединяющий верхнюю тягу с коленчатым валом. Поскольку механизм буйка занимает пространство, обычно занимаемое шатуном силового поршня, рычажный механизм для силового поршня также должен быть разделен на две части, по одной с каждой стороны рычажного механизма буйка, чтобы поддерживать сбалансированные силы на силовом поршне.

По мере того, как газ нагревается в горячем конце цилиндра, он расширяется и выталкивается через регенератор в холодный конец цилиндра.	По мере движения буйка вверх газ перемещается в его холодный конец и толкает поршень вниз	Когда поплавок достигает верхней точки своего хода, весь газ перемещается в холодный конец, где охлаждается и сжимается.В то же время поршень следует за буйком вверх.	Когда поплавок начинает двигаться вниз, поршень продолжает двигаться вверх, и холодный газ переносится к горячему концу цилиндра, и цикл начинается снова.
Двигатель может также включать регенератор для повышения эффективности. Для ясности он показан отдельно от цилиндра. На практике более вероятно, что он будет встроен в стенку цилиндра.В некоторых конструкциях сам поршень буйка действует как регенератор.

Двигатель Стирлинга (гамма-конфигурация)

Гамма-конфигурация Стирлинга — это просто бета-двигатель Стирлинга, в котором силовой поршень установлен не соосно с поршнем буйка, а в отдельном цилиндре.Это позволяет избежать сложностей, связанных с прохождением рычажного механизма поршня буйка через силовой поршень.

Фиксированное количество рабочей жидкости (газа) поддерживается в цилиндрах поршнями, которые образуют газонепроницаемое уплотнение со стенками цилиндра. Вытеснитель свободно помещается в горячем цилиндре, позволяя газу проходить по сторонам при движении вверх и вниз.Как и в других двигателях Стирлинга, газ поочередно нагревается и охлаждается, заставляя его расширяться и сжиматься, когда он перемещается между горячим и холодным цилиндрами, передавая свою энергию силовому поршню в холодном цилиндре.

Двигатель Стирлинга двойного действия (с наклонной шайбой)
Эта конфигурация имеет меньше механических частей, чем другие конструкции, и больше подходит для приложений с большей мощностью.

Рабочий газ перемещается назад и вперед через регенераторы между соседними цилиндрами, которые нагреваются вверху и охлаждаются внизу.Эта конструкция не требует вытеснителей, поскольку эту функцию выполняют поршни в соседних цилиндрах. Цилиндры должны быть закрыты с обоих концов, а шатуны должны проходить через уплотнения в нижних крышках цилиндров, чтобы газ в цилиндрах не выходил. Его преимущество состоит в том, что сила, создаваемая расширяющимся газом на одной стороне цилиндра, увеличивается на силу, создаваемую сжимающим газом на другой стороне, или, другими словами, эффективный перепад давления на поршнях увеличивается. В случае четырехцилиндрового механизма движение поршней сдвинуто по фазе на 90 градусов с каждым из его соседних элементов. Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное с помощью привода наклонной шайбы.	Цилиндры расположены в неподвижном кольце вокруг вращающегося вала, который включает наклонную наклонную шайбу, которая также действует как маховик.Когда пластина вращается, кажется, что ее поверхность поднимается и опускается, когда она проходит под цилиндрами, и это гармоничное движение передается через шатуны с возвратно-поступательными поршнями.

Приложения

Двигатели

Стирлинга использовались в различных формах с 1930-х годов в качестве движущей силы в ряде транспортных средств, и были разработаны двигатели мощностью 75 кВт и более.Хотя ранние разработки двигателей предназначались для использования в автомобилях, из-за своей низкой удельной мощности двигатель Стирлинга лучше подходит для стационарных применений, и в последние годы он стал больше использоваться для выработки электроэнергии.

Теплоэнергетика

Двигатель Стирлинга идеально подходит для использования в небольших теплоэнергетических установках для улавливания отработанного тепла. Генераторы с двигателем Стирлинга с выходной мощностью от 1 кВт до 10 кВт доступны для бытовых применений, в которых отработанное тепло используется котлом центрального отопления.Общий тепловой КПД этих установок может достигать 80%.

См. Страницы Hybrid Power для получения дополнительной информации.

Солнечная энергия

В США группы двигателей Стирлинга мощностью 25 кВт используются для выработки электроэнергии из тепловой энергии, улавливаемой большими солнечными тепловыми батареями. См. Также небольшие солнечные тепловые установки для получения подробной информации.

См. Также Генераторы

Вернуться к Обзор электроснабжения

Двигатель Стирлинга — Energy Education

Рисунок 1.Подводные лодки класса Gotland используют двигатели Стирлинга. ^[1]

Двигатели Стирлинга — это тип поршневого внешнего теплового двигателя, в котором используется один или несколько поршней для достижения полезной работы за счет некоторого ввода тепла от внешнего источника. Они сильно отличаются от двигателей внутреннего сгорания, которые используются в большинстве автомобилей. В двигателях Стирлинга постоянно используется один и тот же газ, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, которые постоянно всасывают и выбрасывают газ. Кроме того, в двигателях Стирлинга не используются взрывы, как в обычных бензиновых двигателях, поэтому они очень тихие.^[2]

Хотя они кажутся основными преимуществами для обычного двигателя, они менее практичны для большинства транспортных средств, потому что они требуют внешнего тепла , а не внутреннего тепла. Внешнему источнику удара требуется дополнительное время, чтобы тепло проникло внутрь двигателей. Эта теплопередача делает двигатель менее отзывчивым, чем двигатели внутреннего сгорания. ^[2] Двигатели Стирлинга также оказались непрактичными на электростанциях; Двигатели Стирлинга имеют низкую удельную мощность, а это означает, что двигатель должен быть достаточно большим, чтобы производить относительно небольшую мощность.^[3]

Операция

Ключевой уникальной характеристикой двигателей Стирлинга является то, что внутри содержится фиксированное количество газа . ^[2] Давлением газа можно управлять, добавляя или отводя тепло. Добавление тепла увеличит давление (и температуру) — напротив, отвод тепла приведет к снижению давления (и температуры). Изменяя способ выполнения этих двух процессов, можно заставить движок выполнять полезную работу. Двигатель следует «циклу Стирлинга», описанному ниже в общем виде, и его можно увидеть на рисунке 2.Цикл следующий: ^[2]

Нагрев и расширение — Тепло поступает от внешнего источника, повышая температуру и, следовательно, давление газа. Это заставляет поршень расширяться и выполнять полезной работы.
Поток и охлаждение — Поршень движется вверх, заставляя газ поступать в другой цилиндр, где он охлаждается. Охлаждение газа способствует более легкому сжатию, а это означает, что требуется меньше работы, чем было произведено на этапе 1.
Сжатие — Теперь газ сжимается, и избыточное тепло, образовавшееся в результате этого сжатия, отводится охлаждающим источником.
Обратный поток и нагрев — Сжатый газ возвращается в исходную камеру, где цикл повторяется.

Рисунок 2. Базовый идеальный цикл стерлингов. ^[4]
Цикл Стирлинга может дать больше мощности за счет использования более горячего источника тепла на этапе 1 или более холодного холодного стока на этапе 2.
Щелкните здесь, чтобы узнать о различных типах двигателей Стирлинга.
Приложение
Двигатели Стирлинга
находят множество применений: ^[5]
% PDF-1.6 % 559 0 obj> endobj xref 559 182 0000000016 00000 н. 0000007020 00000 н. 0000007153 00000 н. 0000007332 00000 н. 0000007375 00000 н. 0000007524 00000 н. 0000007729 00000 н. 0000007755 00000 н. 0000008456 00000 н. 0000009380 00000 п. 0000010566 00000 п. 0000010805 00000 п. 0000217672 00000 н. 0000217819 00000 н. 0000218321 00000 н. 0000218821 00000 н. 0000219327 00000 н. 0000219363 00000 п. 0000219629 00000 н. 0000220025 00000 н. 0000220090 00000 н. 0000220154 00000 н. 0000220853 00000 п. 0000221407 00000 н. 0000221967 00000 н. 0000222560 00000 н. 0000223137 00000 н. 0000223730 00000 н. 0000224271 00000 н. 0000224947 00000 н. 0000227419 00000 п. 0000231108 00000 н. 0000231631 00000 н. 0000234301 00000 п. 0000236337 00000 н. 0000236596 00000 н. 0000236652 00000 н. 0000236778 00000 н. 0000236911 00000 п. 0000237005 00000 н. 0000237137 00000 н. 0000237288 00000 н. 0000237382 00000 п. 0000237481 00000 н. 0000237618 00000 п. 0000237717 00000 н. 0000237802 00000 н. 0000237954 00000 н. 0000238067 00000 н. 0000238171 00000 н. 0000238316 00000 н. 0000238425 00000 н. 0000238559 00000 н. 0000238705 00000 н. 0000238826 00000 н. 0000238925 00000 н. 0000239053 00000 н. 0000239214 00000 н. 0000239312 00000 н. 0000239401 00000 п. 0000239505 00000 н. 0000239606 00000 н. 0000239707 00000 н. 0000239815 00000 н. 0000239927 00000 н. 0000240054 00000 н. 0000240160 00000 н. 0000240261 00000 н. 0000240368 00000 н. 0000240478 00000 п. 0000240589 00000 н. 0000240742 00000 н. 0000240823 00000 п. 0000240932 00000 н. 0000241041 00000 н. 0000241149 00000 н. 0000241247 00000 н. 0000241365 00000 н. 0000241464 00000 н. 0000241580 00000 н. 0000241688 00000 н. 0000241802 00000 н. 0000241896 00000 н. 0000241988 00000 н. 0000242121 00000 н. 0000242215 00000 н. 0000242308 00000 н. 0000242437 00000 н. 0000242532 00000 н. 0000242624 00000 н. 0000242782 00000 н. 0000242876 00000 н. 0000242968 00000 н. 0000243107 00000 н. 0000243201 00000 н. 0000243293 00000 н. 0000243432 00000 н. 0000243527 00000 н. 0000243619 00000 н. 0000243769 00000 н. 0000243864 00000 н. 0000243956 00000 н. 0000244107 00000 н. 0000244202 00000 н. 0000244295 00000 н. 0000244449 00000 н. 0000244543 00000 н. 0000244635 00000 н. 0000244783 00000 н. 0000244878 00000 н. 0000244971 00000 н. 0000245117 00000 н. 0000245211 00000 н. 0000245304 00000 н. 0000245455 00000 н. 0000245549 00000 н. 0000245642 00000 н. 0000245796 00000 н. 0000245890 00000 н. 0000245982 00000 н. 0000246099 00000 н. 0000246253 00000 н. 0000246347 00000 н. 0000246439 00000 н. 0000246570 00000 н. 0000246664 00000 н. 0000246756 00000 н. 0000246899 00000 н. 0000246994 00000 н. 0000247087 00000 н. 0000247238 00000 н. 0000247332 00000 н. 0000247424 00000 н. 0000247561 00000 н. 0000247656 00000 н. 0000247748 00000 н. 0000247895 00000 н. 0000247990 00000 н. 0000248082 00000 н. 0000248188 00000 п. 0000248294 00000 н. 0000248402 00000 н. 0000248508 00000 н. 0000248616 00000 н. 0000248722 00000 н. 0000248831 00000 н. 0000248938 00000 н. 0000249046 00000 н. 0000249152 00000 н. 0000249260 00000 н. 0000249366 00000 н. 0000249474 00000 н. 0000249580 00000 н. 0000249688 00000 н. 0000249796 00000 н. 0000249904 00000 н. 0000250010 00000 н. 0000250120 00000 н. 0000250227 00000 н. 0000250335 00000 п. 0000250442 00000 н. 0000250550 00000 н. 0000250656 00000 н. 0000250765 00000 н.