Принцип работы двигателя стирлинга: Двигатель стирлинга принцип работы

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.

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.

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

• Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
• Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т. д.).
• Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
• Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
• Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

• В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

• При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
• Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
• Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
• Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

• Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
• Насосы . Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
• Холодильное оборудование . В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
• Сверхнизкие температуры . Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
• . Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
• Аккумуляторы тепла . С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические , и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
• Автомобилестроение . Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно . Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники . К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис. 3).

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору .

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Модель двигателя Стирлинга — презентация онлайн

3. Методики создания и принцип работы двигателя: Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга,

5. Аналоги решения поставленной проблемы Их недостатки и достоинства:

6. Решение проблемы

7. Затем модель двигателя была усовершенствована, были подобраны две стеклянные трубки нужного диаметра: поршень и цилиндр.

8. Область применения решения

Двигатель стирлинга недостатки. Двигатель внешнего сгорания можно сделать из консервной банки. Конструкция исполнения «Альфа»

Двигатели внешнего сгорания стали использоваться тогда, когда людям потребовался мощный и экономичный источник энергии. До этого использовались паровые установки, однако они были взрывоопасными, так как использовали горячий пар под давлением. В начале 19 века им на смену пришли устройства с внешним сгоранием, а еще через несколько десятков лет были изобретены уже привычные приборы с внутренним сгоранием.

Происхождение устройств

В 19 веке человечество столкнулось с проблемой, которая заключалась в том, что паровые котлы слишком часто взрывались, а также имели серьезные конструктивные недостатки, что делало их использование нежелательным. Выход был найден в 1816 году шотландским священником Робертом Стирлингом. Эти устройства можно также называть «двигателями горячего воздуха», которые применялись еще в 17 веке, однако этот человек добавил к изобретению очиститель, называющийся в настоящее время регенератором. Таким образом, двигатель внешнего сгорания Стирлинга был способен сильно повысить производительность установки, так как он сохранял тепло в теплой рабочей зоне, в то время как рабочее тело охлаждалось. Из-за этого эффективность работы всей системы была значительно увеличена.

В то время изобретение использовалось достаточно широко и находилось на подъеме своей популярности, однако со временем его перестали использовать, и о нем забыли. На смену оборудованию внешнего сгорания пришли паровые установки и двигатели, но уже привычные, с внутренним сгоранием. Вновь о них вспомнили лишь в 20 веке.

Работа установки

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в том, что в нем постоянно чередуются два этапа: нагревание и охлаждение рабочего тела в замкнутом пространстве и получение энергии. Данная энергия возникает из-за того, что постоянно изменяется объем рабочего тела.

Чаще всего рабочим веществом в таких устройствах становится воздух, однако возможно использование еще и гелия или водорода. В то время пока изобретение находилось на стадии разработки, в качестве опытов использовались такие вещества, как двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан. В некоторых образцах пытались применять даже обычную воду. Стоит отметить, что двигатель внешнего сгорания, который запускали с водой в качестве рабочего вещества, отличался тем, что у него была достаточно высокая удельная мощность, высокое давление, а сам он был достаточно компактным.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Последняя модель. «Гамма»

Последней разновидностью данного двигателя стала «Гамма» Стирлинга. Этот тип отличался не только наличием поршня, а также вытеснителя, а еще и тем, что в его конструкцию входили уже два цилиндра. Как и в первом случае один из них был холодным и использовался он для отбора мощности. А вот второй цилиндр, как в предыдущем случае, был холодным с одного конца и горячим с другого. Здесь же перемещался вытеснитель. В поршневом двигателе внешнего сгорания также имелся регенератор, который мог быть двух типов. В первом случае он был внешним и соединял между собой такие конструктивные части, как горячую зону цилиндра с холодной, а также с первым цилиндром. Второй тип — это внутренний регенератор. Если использовался этот вариант, то он входил в конструкцию вытеснителя.

Использование Стирлингов обосновано в том случае, если необходим простой и небольшой преобразователь тепловой энергии. Также его можно использовать в том случае, если разница температур недостаточно велика, чтобы использовать газовые или же паровые турбины. Стоит отметить, что на сегодняшний день такие образцы стали использоваться чаще. К примеру, используются автономные модели для туристов, которые способны работать от газовой конфорки.

Применение устройств в настоящее время

Казалось бы, что такое старое изобретение не может использоваться в наши дни, однако это не так. NASA заказало двигатель внешнего сгорания типа Стирлинга, однако в качестве рабочего вещества должны использоваться ядерные и радиоизотопные источники тепла. Кроме этого, он также успешно может быть использован в следующих целях:

• Использовать такую модель двигателя для перекачки жидкости гораздо проще, чем обычный насос. Во многом это благодаря тому, что в качестве поршня можно применять саму перекачиваемую жидкость. Кроме того, она же и будет охлаждать рабочее тело. К примеру, такой вид «насоса» можно использовать, чтобы накачивать воду в ирригационные каналы, используя для этого солнечное тепло.
• Некоторые изготовители холодильников склоняются к установке таких устройств. Стоимость продукции удастся снизить, а в качестве хладагента можно применять обычный воздух.
• Если совместить двигатель внешнего сгорания этого типа с тепловым насосом, то можно оптимизировать работу тепловой сети в доме.
• Довольно успешно Стирлинги используются на подводных лодках ВМС Швеции. Дело в том, что двигатель работает на жидком кислороде, который впоследствии используется для дыхания. Для подводной лодки это очень важно. К тому же такое оборудование обладает достаточно низким уровнем шума. Конечно, агрегат достаточно большой и требует охлаждения, но именно эти два фактора несущественны, если речь идет о подводной лодке.

Преимущества использования двигателя

Если во время конструирования и сборки применить современные методы, то удастся поднять коэффициент полезного действия двигателя внешнего сгорания до 70%. Использование таких образцов сопровождается следующими положительными качествами:

• Удивительно, однако крутящий момент в таком изобретении практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
• В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
• Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
• Данные модели двигателя не способны «заглохнуть». Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
• В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
• Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий — это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Роторный двигатель внешнего сгорания

Сердце такой машины — это роторная машина расширения. Для двигателей с внешним типом сгорания этот элемент представлен в виде полого цилиндра, который с обеих сторон прикрыт крышками. Сам по себе ротор имеет вид колеса, который посажен на вал. Также у него имеется определенное количество П-образных выдвигающихся пластин. Для их выдвижения используется специальное выдвижное устройство.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов — это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина — главный соперник бензинового мотора — обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и «всеядностью» паровой установки. Это — знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».

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.

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 извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость.

Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T

• P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
• V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
• n – молярное количество газа в двигателе;
• R – постоянная газа;
• T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

• 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
• 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
• 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
• 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

• Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

• Роторный двигатель Стирлинга.

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

• Термоакустический двигатель Стирлинга.

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

• Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

• Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

• Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

• Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

• Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

• Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

• Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

• Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.

Цикл работы двигателя Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу. Поскольку теоретические объяснения удел ученых мужей, слушать их временами утомительно, поэтому перейдем к наглядной демонстрации работы двигателя Стерлинга.

Как работает двигатель Стирлинга
1.Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх.
2.Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3.Воздух остывает и сжимается, рабочий поршень опускается вниз.
4.Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90 градусов относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 градусов машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Еще одним изобретением Стирлинга, увеличившим КПД двигателя стал регенератор, который представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой для улучшения теплоотдачи проходящего газа (на рисунке регенератор заменен ребрами радиатора охлаждения).

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.

Достоинства двигателя Стирлинга:

1. Всеядность. Можно использовать любое топливо, главное создать разницу температур.
2. Низкая шумность. Поскольку работа построена на перепаде давления рабочей жидкости, а не на поджоге смеси, то шумность по сравнению с двигателем внутреннего сгорания существенно ниже.
3. Простота конструкции, отсюда высокий запас прочности.

Однако все эти достоинства в большинстве случаев перечеркиваются двумя большими недостатками:

1. Большие габариты. Рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массы и размеров за счёт увеличенных радиаторов.
2. Низкий КПД. Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников, соответственно потери КПД велики.

С развитием двигателя внутреннего сгорания двигатель Стирлинга ушел…нет не в прошлое, а в тень. Он с успехом эксплуатируется в качестве вспомогательных силовых установок на подводных лодках, в тепловых насосах на теплоэлектростанциях, в качестве преобразователей солнечной и геотермальной энергии в электрическую, с ним связаны космические проекты по созданию силовых установок работающих на радиоизотопном топливе (радиоактивный распад происходит с выделением температуры, кто не знал).Кто знает, возможно однажды двигатель Стирлинга ждет большое будущее!

Двигатели Стирлинга — Справочник химика 21

[c. 242]

    Для кораблей внутренних линий используются в основном дизельные двигатели. В диапазоне до 750 кВт ЭХГ могут конкурировать с ними. Аккумуляторы непригодны из-за большой массы для кораблей ЭУ мощностью 750 кВт масса свинцовых аккумуляторов составит 750 т, В качестве альтернативы могут рассматриваться, таким образом, двигатели Стирлинга, Отто, дизели и ЭХГ. [c.30]

[c. 32]

    Общий анализ показывает, что по критерию и оптимальный ряд источников следующий ЭХГ, двигатели Стирлинга, дизели. [c.33]

    Для городского автобуса (масса 16 т, скорость 60 км/ч, пробег 130—150 км, удельная мощность 0,28 кВт/кг, удельная энергия 0,38 кВт-ч/кг) низшее значение Т имеет дизель (шум, загрязнение, большое время подготовки), наивысшее — ЭХГ, двигатель Стирлинга и паровые машины. [c.37]

    Рис, 10.11. Принцип совместной работы двигателя Стирлинга и КГМ Стирлинга  [c.809]

    Разработка и применение для автотранспорта новых типов двигателей, например внешнего сгорания (паровые двигатели и двигатели Стирлинга), позволяют достичь низкого уровня вредных выбросов с продуктами сгорания и обеспечить перспективные жесткие нормы по токсичности. Однако в этом случае не решается проблема дефицита топливных ресурсов. Практическое применение новых схем двигателей для автомобильного транспорта связано с решением ряда сложных технических проблем, особенно это относится к двигателю Стирлинга. Кроме того, перестройка автомобильной промышленности потребовала бы колоссальных капиталовложении. Поэтому возможность широкого внедрения подобных двигателей отодвигается на довольно значительное время. [c.4]

    Представляется перспективным создание крупных установок по производству СПГ типа Стирлинг-Стирлинг . В этих установках предполагается использовать для привода криогенных машин Стирлинга двигатели Стирлинга. Двигатели Стирлинга относятся к классу двигателей с внешним подводом теплоты, что обусловливает принципиальную особенность их работы по сравнению с двигателями внутреннего сгорания. Процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов. Данное обстоятельство позволяет использовать различные источники теплоты (и прежде всего ПГ), добиваться более низкой токсичности при работе на органическом топливе, снижения уровня шумов и вибраций, экономить до 20 % топлива по сравнению с традиционными двигателями внутреннего сгорания.  [c.806]

    В последнее десятилетие двигатели Стирлинга стали широко использоваться за рубежом. Так, в 1996-1998 гг. в Швеции сдана в эксплуатацию серия подводных лодок с двигателями Стирлинга [c.806]

    Для привода КГМ Стирлинга, установленных в модуле, возможно использование как штатных электродвигателей, так и газовых двигателей (ДВС или двигателей Стирлинга) последнее позволит обеспечить полную автономность заправочных пунктов СПГ от внешнего электроснабжения.  [c.807]

    ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА — ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ ПРЯМОГО ЦИКЛА, РАБОТАЮЩИЕ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ [c.836]

    Работы по созданию конкурентоспособного двигателя Стирлинга, отличающегося чистотой выбросов, низким уровнем шума ввиду отсутствия взрывного сгорания, отсутствием систем газораспределения и зажигания, высокой топливной экономичностью, ведутся во многих странах. Интерес к двигателям данного типа объясняется прежде всего возможностью применения их в автономном энергоснабжении при работе на ПГ. [c.836]

    Автономные энергетические установки с двигателем Стирлинга (стирлинг-генераторы) незаменимы в нефтегазовой промышленности при освоении новых месторождений, особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ. [c.836]

    В этих условиях в качестве топлива можно будет использовать неочищенный природный и попутный нефтяной газ. Использовать данные виды моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося их фракционного состава. Однако эти газы могут быть приемлемы для энергетических установок с двигателями Стирлинга. Таким образом, исчезает проблема с обеспечением энергией буровых сква-жен, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем. [c.836]

    Регенератор в этом случае может быть выполнен без клапанов и, следовательно, весьма прост. Такая холодильная машина аналогична хорошо известному двигателю Стирлинга. [c.11]

    Такие устройства включают паротурбинные агрегаты (циклы Рен-кина и Калина), газотурбинные двигатели, двигатели Стирлинга и топливные элементы. [c.294]

    Солнечный двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга, как показали опыты, способен превращать в электрический ток до 23 % получаемой солнечной энергии (больще, чем современные солнечные полупроводниковые батареи). Действие двигателя Стирлинга основано на расширении рабочего газа в замкнутом цилиндре под действием внешнего источника тепла. Необходимое перемещение газа после совершения работы обеспечивают два поршня — рабочий и вытеснитель. По внешнему трубопроводу газ переходит из одной [c.311]

    Оба эти процесса были очень полезны. Действительно, если бы холодный воздух без этого подогрева сразу попадал в горячую зону, то пришлось бы дополнительно затрачивать тепло для его нагрева в процессе 1-П. Соответственно пришлось бы понижать температуру горячего воздуха в процессе Ш-1У за счет внешнего охладителя. Регенеративный теплообмен в зазоре между вытеснителем и стенкой цилиндра позволяет проводить процесс нагрева 1-П за счет охлаждения в процессе Ш-1У. Чтобы этот процесс теплообмена шел по возможности полнее, Стирлинг обмотал цилиндрическую поверхность вытеснителя проволокой, которая омывалась воздухом и служила дополнительной массой, аккумулирующей тепло, как впоследствии насадка в регенераторах Френкля. В дальнейшем тепловой регенератор 7 был вынесен за пределы цилиндра, как показано на рис. 8.3, а, и соединен трубками 8 с горячей и холодной полостями. Такая конструкция позволяла как облегчить вытеснитель, так и сделать регенератор нужного размера. Вытеснитель при этом двигался в цилиндре с минимальным зазором и прогонял вОздзгх из одной полости в другую через кольцевой регенератор. Машина-двигатель Стирлинга превзошла по КПД лучшие паровые машины того времени. Но… верхняя горячая часть цилиндра быстро прогорала, и машина выходила из строя. Паровые машины, более приспособленные к технологии того времени, постепенно совершенствовались, затем [c.297]

    Чтобы увидеть, как проявляется эта связь в данном случае, необходимо разобраться в том, как работает двигатель Стирлинга. Прежде всего нужно отметить, что он принципиально отличается от паровой машины двумя особенностями. Во-первых, он работает не на воде и водяном паре, а на воздухе другими словами, этот двш атель газовый (в том смысле, что агрегатное состояние его рабочего тела не меняется — нет ни испарения, ни конденсации). Во-вторых, все процессы изменения параметров рабочего тела проходят полностью в цилиндре [c.294]

    На рис. 8.3, а показан схематически разрез двигателя, на рис. 8.3, б- положение рабочих органов в четырех исследовательских положениях. Цилиндр 1 двигателя имеет головку 2, Которая постоянно поддерживается в горячем состоянии, так Как омывается снаружи продуктами сгорания топлива. В нижней части цилиндра, охлаждаемой водой или воздухом, помещен рабочий поршень 3, связанный с коленчатым валом 4. Через отверстие в поршне пропущен шток 5, на конце которого Закреплен так называемый вытеснитель 6 (элемент, который определяет основные особенности двигателя Стирлинга). Он Представляет собой тоже поршень, который может перемещаться в цилиндре с небольшим радиальным зазором. Управление его движением осуществляется от того же вала 4. [c.295]

    Майер Р. Перспективы применения двигателя Стирлинга в танспорт-ных системах,— В кн, Двигатели Стирлинга, М. Мир, 1975, с. 310— 348, [c.137]

    Термодинамический анализ работы машины Вюлемье — Такониса может быть вьшолнен на основе принципа совместной работы двигателя Стирлинга и КГМ Стирлинга, представленного на рис. 10.11. [c.809]

    Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим по сравнению с ДВС в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равномерно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.  [c.836]

    В гелиоэнергетической установке с двигателем Стирлинга параболическое зеркало концентрирует солнечные лучи и направляет их в поглощающую полость двигателя. Порщни совершают возвратнопоступательное движение с частотой, определяемой конструкцией двигателя. Генератор вырабатывает электрическую энергию заданных параметров в зависимости от ее назначения. Двигатель представляет собой замкнутый цилиндр, наполненный сжатым газом, чаще всего гелием. Этот рабочий газ, расширяясь при нагреве и сжимаясь при охлаждении, приводит в движение поршень и перемещается между холодной и горячей полостями внутри двигателя. Газ действует и как пружина, останавливая поршни в крайних положениях и толкая их обратно. При исходном положении рабочего поршня газ течет из расширительной горячей полости через нагревательные трубки, в которых нагревается аккумулированным солнечным теплом. Затем он проходит через регенератор, которому отдает часть своего тепла, и далее через сребренный теплообменник, где еще больше охлаждается перед входом в холодную компрессионную полость. Ребра теплообменника охлаждает циркулирующая вода в трубках теплообменника она испаряется и снова конденсируется. Мембранный воздушный насос работает синхронно с циклом двигателя он нагнетает воздух, который охлаждает холодильные трубки с водой и генератор переменного тока. Генератор состоит из статорной обмотки и постоянного магнита на поршне-вытеснителе двигателя. При каждом ходе поршня магнит изменяет магнитное поле около статорной обмотки, в ней индуцируется электрический ток. В России разработан рабочий проект солнечной электростанции комбинированного типа с солнечными батареями и двигателем Стирлинга общей мощностью до 5 МВт. Для сооружения СЭС выделена территория на Кавказских Минеральных водах в районе г. Кисловодск рядом с первой в России гидростанцией, построенной на реке Подкумок в 1903 г. [c.312]

    Возрождение интереса к работам Стирлинга связано со временем второй мировой войны. В Голландии, как и во всей иентральной Европе, оккупированной немцами, ощущался острейший недостаток жидкого топлива. В частности, его не хватало для армейских движков — маленьких двигателей, предназначенных для электрогенераторов передвижных радиостанций. Инженеры фирмы Филипс , выпускавшей это оборудование, нашли выход, вспомнив о двигателе Стирлинга. Лействительно, головку этой машины можно обогревать, используя любое низкосортное топливо такие двигатели, снабженные самой простой топкой, но сделанные на уровне вполне современной технологии, исправно работали (в дальнейшем они послужили базовой моделью для более мощных и совершенных стирлингов ). У фирмы возникла необходимость в небольших установках для производства жидкого азота. Инженеры фирмы не стали использовать традиционные установки Линде и Клода, а пошли своим собственным, оригинальным путем. Они решили пустить машину Стирлинга наоборот , чтобы, превратив в криогенную и используя только ее, сразу получить низкую температуру, необходимую для ожижения воздуха. [c.298]

    По мере роста тенденций к использованию сбросного тепла t юлнечной энергии интерес к этим двигателям возрастает. Вну реннее сгорание неизбежно требует обычного и все более дорогой оплива, тогда как двигатели Стирлинга могут работать на бес тлатном тепле или дешевом топливе. [c.63]

    Другая экспериментальная установка — тепловой насос с npi водным двигателем Стирлинга, разрабатываемый фирмой Ph lips . Экономичность обоих упомянутых систем определяется i способностью использовать сбросное тепло продуктов сгорани В системе Филипса применяется поршневой компрессор, приче рабочее тело в теплонасосном цикле не такое, как в двигателе. Н как показано в предыдущей главе, установки с двойным цикле Ренкина могут использовать одно и то же рабочее тело. [c.63]

Как сделать мощный двигатель стирлинга. У какого двигателя стирлинга лучшая конструкция с максимальным кпд. Двигатель стирлинга: физическая сторона вопроса

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

• альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
• бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
• гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

• большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
• использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
• потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
• резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

• любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
• экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
• экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
• конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
• повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано

В которой рабочее тело (газообразное или жидкое) двигается в замкнутом объёме, по сути это разновидность двигателя внешнего сгорания. Этот механизм основан на принципе периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Извлечение энергии происходит из возникающего объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга работает не только от энергии сгорающего топлива, но и от практически любого источника Запатентован этот механизм шотландцем Робертом Стирлингом в 1816 году.

Описанный механизм, несмотря на невысокий КПД, имеет ряд преимуществ, в первую очередь это простота и неприхотливость. Благодаря этому многие конструкторы-любители совершают попытки собрать двигатель Стирлинга своими руками. Некоторым это удается, а некоторым нет.

В этой статье мы рассмотрим, Стирлинга своими руками из подручных материалов. Нам понадобятся следующие заготовки и инструменты: консервная банка (можно из-под шпрот), листовая жесть, канцелярские скрепки, поролон, резинка, пакет, кусачки, плоскогубцы, ножницы, паяльник,

Теперь приступим к сборке. Вот подробная инструкция к тому, как сделать двигатель Стирлинга своими руками. Сначала необходимо вымыть банку, зачистить наждачной бумагой края. Вырезаем из листовой жести круг таким образом, чтобы он лег на внутренние края банки. Определяем центр (для этого воспользуемся штангенциркулем или линейкой), делаем ножницами отверстие. Далее берем медную проволоку и канцелярскую скрепку, выпрямляем скрепку, на конце делаем кольцо. Наматываем на скрепку проволоку — четыре плотных витка. Далее паяльником пролудим полученную спираль небольшим количеством припоя. Потом необходимо аккуратно спираль припаять к отверстию в крышке таким образом, чтобы шток получился перпендикулярным крышке. Скрепка должна двигаться свободно.

После этого необходимо сделать в крышке сообщающееся отверстие. Из поролона делаем вытеснитель. Его диаметр должен быть немного меньше диаметра банки, но при этом не должно быть большого зазора. Высота вытеснителя — немногим больше половины банки. Вырезаем в поролоне по центру отверстие для втулки, последнюю можно изготовить из резины или пробки. Вставляем в полученную втулку шток и все заклеиваем. Вытеснитель необходимо размещать параллельно крышке, это важное условие. Далее остается закрыть банку и запаять края. Шов должен быть герметичным. Теперь приступаем к изготовлению рабочего цилиндра. Для этого вырезаем из жести полосу длиной 60 мм и шириной 25 мм, загибаем плоскогубцами край на 2 мм. Формируем гильзу, после этого спаиваем край, далее необходимо припаять гильзу к крышке (над отверстием).

Теперь можно приступить к изготовлению мембраны. Для этого отрезаем от пакета кусок пленки, немного продавливаем его пальцем внутрь, резинкой прижимаем края. Далее необходимо проверить правильность сборки. Нагреваем на огне дно банки, тянем за шток. В результате мембрана должна выгибаться наружу, а если шток отпустить, вытеснитель под собственным весом должен опуститься, соответственно, мембрана возвращается на место. В том случае, если вытеснитель сделан неправильно или пайка банки не герметична, шток не вернется на место. После этого делаем коленвал и стойки (разнос кривошипов должен составить 90 градусов). Высота кривошипов должна составлять 7 мм, а вытеснителей 5 мм. Длина шатунов определена положением коленвала. Конец кривошипа вставляется в пробку. Вот мы и рассмотрели, как собрать двигатель Стирлинга своими руками.

Такой механизм будет работать от обычной свечки. Если прикрепить к маховику магниты и взять катушку аквариумного компрессора, то такое устройство способно заменить простой электродвигатель. Своими руками, как вы видите, сделать такой прибор совсем не сложно. Было бы желание.

Двигатель Стирлинга, некогда известный, был надолго забыт из-за широкого распространения другого мотора (внутреннего сгорания). Но сегодня о нем слышно все больше. Может быть, у него есть шансы стать более популярным и найти свое место в новой модификации в современном мире?

История

Двигатель Стирлинга — это тепловая машина, которая была изобретена в начале девятнадцатого века. Автором, как понятно, был некий Стирлинг по имени Роберт, священник из Шотландии. Устройство представляет собой двигатель внешнего сгорания, где тело движется в замкнутой емкости, постоянно меняя свою температуру.

Из-за распространения другого вида мотора о нем почти забыли. Тем не менее, благодаря своим преимуществам, сегодня двигатель Стирлинга (своими руками многие любители сооружают его дома) снова возвращается.

Основное отличие от двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что энергия тепла приходит извне, а не вырабатывается в самом двигателе, как в ДВС.

Принцип работы

Можно представить замкнутый воздушный объем, заключенный в корпусе, имеющем мембрану, то есть поршень. При нагревании корпуса воздух расширяется и совершает работу, выгибая таким образом поршень. Затем происходит охлаждение, и он вгибается снова. В этом состоит цикл работы механизма.

Немудрено, что термоакустический двигатель Стирлинга своими руками многие изготавливают в домашних условиях. Инструментов и материалов для этого требуется самый минимум, который найдется в доме у каждого. Рассмотрим два разных способа, как легко его создать.

Материалы для работы

Чтобы сделать двигатель Стирлинга своими руками, понадобятся следующие материалы:

• жесть;
• спица из стали;
• трубка из латуни;
• ножовка;
• напильник;
• подставка из дерева;
• ножницы по металлу;
• детали крепежа;
• паяльник;
• пайка;
• припой;
• станок.

Это все. Остальное — дело нехитрой техники.

Как сделать

Из жести готовят топку и два цилиндра для базы, из которых будет состоять двигатель Стирлинга, своими руками изготовленный. Размеры подбирают самостоятельно, учитывая цели, для которых предназначено это устройство. Предположим, что мотор делается для демонстрации. Тогда развертка главного цилиндра составит от двадцати до двадцати пяти сантиметров, не более. Остальные части должны подстраиваться под него.

На верху цилиндра для передвижения поршня делают два выступа и отверстия диаметром от четырех до пяти миллиметров. Элементы выступят в роли подшипников для расположения кривошипного устройства.

Далее делают рабочее тело мотора (им станет обычная вода). К цилиндру, который сворачивают в трубу, припаивают кружочки из жести. В них проделывают отверстия и вставляют трубки из латуни от двадцати пяти до тридцати пяти сантиметров в длину и диаметром от четырех до пяти миллиметров. В конце проверяют, насколько герметичной стала камера, залив ее водой.

Далее приходит черед вытеснителя. Для изготовления берут заготовку из дерева. На станке добиваются, чтобы она обрела форму правильного цилиндра. Вытеснитель должен быть немногим меньше диаметра цилиндра. Оптимальную высоту подбирают уже после того, как двигатель Стирлинга своими руками будет сделан. Потому на данном этапе длина должна предполагать некоторый запас.

Спицу превращают в шток цилиндра. По центру деревянной емкости делают отверстие, подходящее под шток, вставляют его. В верхней части штока необходимо предусмотреть место для шатунного устройства.

Затем берут трубки из меди длиной четыре с половиной сантиметра и диаметром два с половиной сантиметра. Кружок из жести припаивают к цилиндру. По бокам на стенках делают отверстие для сообщения емкости с цилиндром.

Поршень также подгоняют на токарном станке под диаметр большого цилиндра изнутри. Наверху подсоединяют шток шарнирным способом.

Сборку заканчивают и настраивают механизм. Для этого поршень вставляют в цилиндр большего размера и соединяют последний с другим цилиндром меньшего размера.

На большом цилиндре сооружают кривошипно-шатунный механизм. Фиксируют часть двигателя при помощи паяльника. Основные части закрепляют на деревянном основании.

Цилиндр наполняют водой и под низ подставляют свечку. Двигатель Стирлинга, своими руками сделанный от начала и до конца, проверяют на работоспособность.

Второй способ: материалы

Двигатель можно сделать и другим способом. Для этого понадобятся следующие материалы:

• консервная банка;
• поролон;
• скрепки;
• диски;
• два болта.

Как сделать

Поролон очень часто используют, чтобы сделать дома простой не мощный двигатель Стирлинга своими руками. Из него готовят вытеснитель для мотора. Вырезают поролоновый круг. Диаметр должен быть немного меньше, чем у консервной банки, а высота — чуть более половины.

По центру крышки проделывают отверстие для будущего шатуна. Чтобы он ходил ровно, скрепку сворачивают в спиральку и паяют к крышке.

Поролоновый круг посередине пронизывают тонкой проволокой с винтом и фиксируют его сверху шайбой. Затем соединяют кусок скрепки пайкой.

Вытеснитель вталкивают в отверстие на крышке и соединяют банку с крышкой путем пайки для герметизации. На скрепке делают маленькую петлю, а в крышке — еще одно, более крупное отверстие.

Жестяной лист сворачивают в цилиндр и спаивают, а потом прикрепляют к банке настолько, чтобы щелей не осталось совсем.

Скрепку превращают в коленчатый вал. Разнос при этом должен быть ровно девяносто градусов. Колено над цилиндром делают слегка больше другого.

Остальные скрепки превращаются в стойки для вала. Делается мембрана следующим образом: цилиндр оборачивают в пленку из полиэтилена, продавливают и крепят ниткой.

Шатун изготавливается из скрепки, которую вставляют в кусок резины, и готовую деталь прикрепляют к мембране. Длина шатуна делается такой, чтобы в нижней валовой точке мембрана была втянутой в цилиндр, а в высшей — вытянута. Таким же образом делается и вторая деталь шатуна.

Затем один приклеивают к мембране, а другой — к вытеснителю.

Ножки для банки можно также сделать из скрепок и припаять. Для кривошипа используют CD-диск.

Вот и готов весь механизм. Осталось лишь под него подставить и зажечь свечку, а затем дать толчок через маховик.

Заключение

Таков низкотемпературный двигатель Стирлинга (своими руками сооруженный). Конечно, в промышленных масштабах такие приборы изготавливаются совсем другим способом. Однако принцип остается неизменным: происходит нагрев, а затем охлаждение воздушного объема. И это постоянно повторяется.

Напоследок посмотрите эти чертежи двигателя Стирлинга (своими руками его можно сделать без особых навыков). Может быть, вы уже загорелись идеей, и вам захочется сделать что-либо подобное?

Можно, конечно купить красивые заводские модели двигателей Стирлинга, как например, в этом китайском интернет-магазине. Однако, иногда хочется творить самому и сделать вещь, пусть даже из подручных средств. На нашем сайте уже есть несколько вариантов изготовления данных моторов, а в этой публикации ознакомьтесь с совсем простым вариантом изготовления в домашних условиях.

Для его изготовления вам понадобятся подручные материалы: банка из под консервов, небольшой кусок поролона, CD-диск, два болтика и скрепки.

Поролон – одни из самых распространенных материалов, которые используются при изготовлении моторов Стирлинга. Из него делается вытеснитель двигателя. Из куска нашего поролона вырезаем круг, диаметр его делаем на два миллиметров меньше внутреннего диаметра банки, а высоту немного больше ее половины.

В центре крышки просверливаем отверстие, в которое вставим потом шатун. Для ровного хода шатуна делаем из скрепки спиральку и припаиваем ее к крышке.

Поролоновый круг из поролона пронизываем посередине винтиком и застопориваем его шайбой сверху и снизу шайбой и гайкой. После этого присоединяем путем пайки отрезок скрепки, предварительно распрямив ее.

Теперь втыкаем вытеснитель в сделанное заранее отверстие в крышке и герметично пайкой соединяем крышку и банку. На конце скрепки делаем небольшую петельку, а в крышке просверливаем еще одно отверстие, но чуть-чуть больше, чем первое.

Из жести делаем цилиндр, используя пайку.

Присоединяем с помощью паяльника готовый цилиндр к банке, так, чтобы не осталось щелей в месте пайки.

Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.

Из скрепок изготавливаем стойки под вал. Делаем мембрану. Для этого на цилиндр надеваем полиэтиленовую пленку, немного продавливаем ее внутрь и закрепляем на цилиндре ниткой.

Шатун который нужно будет приделать к мембране, изготавливаем из скрепки и вставляем его в обрезок резины. По длине шатун нужно сделать таким, чтобы в нижней мертвой точке вала мембрана была втянута внутрь цилиндра, а в высшей – напротив – вытянута. Второй шатун настраиваем так же.

Шатун с резиной приклеиваем к мембране, а другой присоединяем к вытеснителю.

Присоединяем паяльником ножки из скрепок к банке и на кривошип пристраиваем маховик. Например, можно использовать СД-диск.

Двигатель Стирлинга в домашних условиях сделан. Теперь осталось под банку подвести тепло – зажечь свечку. А через несколько секунд дать толчок маховику.

Как сделать простой двигатель Стирлинга (с фотографиями и видео)

www.newphysicist.com

Давайте сделаем двигатель Стирлинга.

Мотор Стирлинга – это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой двигатель с рекуперативным тепловым двигателем с замкнутым циклом с постоянно газообразным рабочим телом.

Двигатели Стирлинга имеют более высокий КПД по сравнению с паровыми двигателями и могут достигать 50% эффективности. Они также способны бесшумно работать и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не путем внутреннего сгорания, как в случае двигателей с циклом Отто или дизельным циклом.

Двигатели Стирлинга совместимы с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, поскольку они могут становиться все более значительными по мере роста цен на традиционные виды топлива, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата.

В этом проекте мы дадим вам простые инструкции по созданию очень простого двигателя DIY Стирлинга с использованием пробирки и шприца .

Компоненты и шаги, чтобы сделать моторчик Стирлинга

1. Кусок лиственных пород или фанеры

Это основа для вашего двигателя. Таким образом, он должен быть достаточно жестким, чтобы справляться с движениями двигателя. Затем сделайте три маленьких отверстия, как показано на рисунке. Вы также можете использовать фанеру, дерево и т.д.

2. Мраморные или стеклянные шарики

В двигателе Стирлинга эти шарики выполняют важную функцию. В этом проекте мрамор действует как вытеснитель горячего воздуха от теплой стороны пробирки к холодной стороне. Когда мрамор вытесняет горячий воздух, он остывает.

3. Палки и винты

Шпильки и винты используются для удержания пробирки в удобном положении для свободного перемещения в любом направлении без каких-либо перерывов.

4. Резиновые кусочки

Купите ластик и нарежьте его на следующие формы. Он используется для того, чтобы надежно удерживать пробирку и поддерживать ее герметичность. Не должно быть утечек в ротовой части пробирки. Если это так, проект не будет успешным.

5. Шприц

Шприц является одной из самых важных и движущихся частей в простом двигателе Стирлинга. Добавьте немного смазки внутрь шприца, чтобы поршень мог свободно перемещаться внутри цилиндра. Когда воздух расширяется внутри пробирки, он толкает поршень вниз. В результате цилиндр шприца перемещается вверх. В то же время мрамор катится к горячей стороне пробирки и вытесняет горячий воздух и заставляет его остывать (уменьшать объем).

6. Пробирка Пробирка является наиболее важным и рабочим компонентом простого двигателя Стирлинга. Пробирка изготовлена ​​из стекла определенного типа (например, из боросиликатного стекла), обладающего высокой термостойкостью. Так что его можно нагревать до высоких температур.

Как работает двигатель Стирлинга?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то так же, как и великие уравнения физики (например, E = mc2), они просты: на поверхности они просты, но богаче, сложнее и потенциально очень запутаны, пока вы их не осознаете. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: многие очень плохие видео на YouTube показывают, как легко «объяснить» их очень неполным и неудовлетворительным образом.

На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто создав его или наблюдая за тем, как он работает извне: вам нужно серьезно подумать о цикле шагов, через которые он проходит, что происходит с газом внутри, и как это отличается из того, что происходит в обычном паровом двигателе.

Все, что требуется для работы двигателя, – это наличие разницы температур между горячей и холодной частями газовой камеры. Были построены модели, которые могут работать только с разницей температуры 4 ° C, хотя заводские двигатели, вероятно, будут работать с разницей в несколько сотен градусов. Эти двигатели могут стать наиболее эффективной формой двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели Стирлинга и концентрированная солнечная энергия

Двигатели Стирлинга обеспечивают аккуратный метод преобразования тепловой энергии в движение, которое может привести в движение генератор. Наиболее распространенная схема состоит в том, чтобы двигатель был в центре параболического зеркала. Зеркало будет установлено на устройство слежения, чтобы солнечные лучи фокусировались на двигателе.

* Двигатель Стирлинга как приемник

Возможно, вы играли с выпуклыми линзами в школьные годы. Сосредоточение солнечной энергии для сжигания листа бумаги или спички, я прав? Новые технологии развиваются день ото дня. Концентрированная солнечная тепловая энергия приобретает все большее внимание в эти дни.

Выше приведен короткий видеофильм о простом двигателе с пробиркой, использующим стеклянные шарики в качестве вытеснителя и стеклянный шприц в качестве силового поршня.

Этот простой двигатель Стирлинга был построен из материалов, которые доступны в большинстве школьных научных лабораторий и может быть использован для демонстрации простого теплового двигателя.

Диаграмма давление-объем за цикл

Процесс 1 → 2 Расширение рабочего газа на горячем конце пробирки, тепло передается газу, и газ расширяется, увеличивая объем и толкая поршень шприца вверх.

Процесс 2 → 3 По мере движения мрамора к горячему концу пробирки газ вытесняется из горячего конца пробирки на холодный конец, а по мере движения газа он отдает тепло стенке пробирки.

Процесс 3 → 4 Из рабочего газа отводится тепло, и объем уменьшается, поршень шприца движется вниз.

Процесс 4 → 1 Завершает цикл. Рабочий газ движется от холодного конца пробирки к горячему концу, поскольку мраморные шары вытесняют ее, получая тепло от стенки пробирки, когда она движется, тем самым увеличивая давление газа.

Двигатель Стирлинга. Почти для любого самодельщика эта замечательная штука может стать настоящим наркотиком. Достаточно один раз сделать и увидеть его в работе, как захочется их делать снова и снова. Относительная простота этих двигателей позволяет делать их буквально из мусора. Я не буду останавливаться на общих принципах и устройстве. Про это полно информации в интернете. Например: Википедия . Приступим сразу к постройке простейшего низкотемпературного гамма-Стирлинга.

Для постройки двигателя своими руками нам понадобится две крышки для стеклянных банок. Они будут выполнять роль холодной и горячей части. От этих крышек ножницами отрезается закраина

В одной крышке по центру делается отверстие. Размер отверстия должен быть чуть меньше диаметра будущего цилиндра.

Корпус двигателя Стирлинга вырезается из пластиковой бутылки из под молока. Эти бутылки как раз поделены на колечки. Нам понадобится одно. Надо заметить, что у разных сортов молока бутылки могут чуть-чуть отличаться.

Корпус приклеивается к крышке пластичным эпоксидным составом или герметиком.

В качестве цилиндра прекрасно подходит корпус маркера. У этой модели колпачок по диаметру меньше чем сам маркер и может стать поршнем.

От маркера отрезается небольшая часть. У колпачка срезается часть с верху.

Это вытеснитель. В процессе работы двигателя Стирлинга он перемещает воздух внутри корпуса от горячей части к холодной и обратно. Изготавливается из губки для мытья посуды. В центре приклеивается магнит.

Так как верхняя крышка изготовлена из жести, она может быть притянута магнитом. Вытеснитель может застрять. Чтобы этого не произошло, магнит нужно дополнительно зафиксировать картонным кружком.

Колпачок заполняется эпоксидным составом. С обоих концов сверлятся отверстия для крепления магнита и держателя шатуна. Резьба в отверстиях нарезается непосредственно винтом. Эти винты нужны для тонкой настройки двигателя. Магнит в поршне приклеивается к винту и регулируется таким образом, чтобы находясь в нижней части цилиндра он притягивал вытеснитель. На этот магнит понадобится еще приклеить ограничитель из резины. Подойдет отрезок велосипедной камеры или ластик. Ограничитель нужен для того чтобы магниты поршня и вытеснителя не притягивались слишком сильно. Иначе давления может не хватить чтобы разорвать магнитную связь.

На верхнюю часть поршня наклеивается резиновая прокладка. Она нужна для герметичности и для защиты кожуха от разрыва.

Кожух поршня изготавливается из резиновой перчатки. Отрезать нужно мизинец.

После того как кожух наклеен, сверху клеится еще одна резиновая прокладка. Сквозь резиновые прокладки и кожух шилом протыкается отверстие. В это отверстие вворачивается держатель шатуна. Этот держатель делается из винта и припаянной шайбы.

В качестве держателя коленвала прекрасно подошла упаковка от эпоксидки. Точно такую же баночку можно взять из под шипучих витаминов или аспирина.

У этой баночки отрезается дно и делаются отверстия. В верхней части — для удержания коленвала. В нижней — для доступа к креплению шатуна.

Коленвал и шатун изготавливаются из проволоки. Белые штуки — это ограничитель. Сделан из трубочки от чупа-чупса. От этой трубочки отрезаются маленькие кусочки и получившиеся детали разрезаются вдоль. Так их проще надеть. Высота колена определяется половиной расстояния, которое должен пройти цилиндр от самой нижней точки до верхней точки, в которой перестает действовать магнитная связь.

Итак, у нас все готово для первых испытаний. Сперва необходимо проверить герметичность. Нужно подуть в цилиндр. На все стыки можно нанести пену из жидкости для мытья посуды. Малейшая утечка воздуха и двигатель не заработает. Если с герметичностью все в порядке, можно вставить поршень и закрепить кожух канцелярской резинкой.

В нижнем положении цилиндра вытеснитель должен притянуться на верх. Дальше вся конструкция ставится на чашку с горячей водой. Через некоторое время воздух внутри двигателя начнет нагреваться и выталкивать поршень. В определенный момент магнитная связь будет разорвана и вытеснитель упадет на дно. Таким образом воздух в двигателе перестанет контактировать с нагреваемой частью и начнет охлаждаться. Поршень начнет втягиваться. В идеале поршень должен начать совершать движения вверх-вниз. Но этого может не произойти. Либо давления будет не достаточно для перемещения поршня, либо воздух нагреется слишком сильно и поршень не втянется до конца. Соответственно у этого двигателя могут быть мертвые зоны. Это не особо страшно. Главное, чтобы мертвые зоны не были слишком большими. Для компенсации мертвых зон нужен маховик.

Ещё очень важная часть этого этапа заключается в том, что тут можно прочувствовать принцип работы двигателя Стирлинга. Я помню свой первый стирлинг который не заработал только потому, что ни как не мог врубиться как и за счет чего эта штука работает. Здесь же, помогая руками поршню ходить вверх-вниз, можно почувствовать как нарастает и спадает давление.

Эту конструкцию можно немного усовершенствовать, если добавить к ней шприц на верхнюю крышку. Этот шприц также необходимо посадить на эпоксидку, держатель иглы немного подрезать. Положение поршня в шприце должно быть в среднем положении. Этим шприцем можно регулировать объем воздуха внутри двигателя. Запуск и регулировка будет намного проще.

Итак можно насаживать держатель коленвала. Высота крепления шатуна к цилиндру регулируется винтом.

Маховик делается из CD диска. Отверстие залепляется пластичной эпоксидкой. Затем необходимо просверлить дырку точно по центру. Найти центр очень просто. Используем свойства прямоугольного треугольника вписанного в круг. У него гипотенуза проходит через центр. Нужно приложить лист бумаги прямым углом к окраине диска. Ориентация не важна. В местах пересечения сторон листа с окраиной диска наносим метки. Линия проведенная через эти метки будет проходить через центр. Если провести вторую линию в другом месте, то на пересечении мы получим точный центр.

Все двигатель готов.

Ставим двигатель Стирлинга на чашку с кипятком. Немного ждем и он должен сам заработать. Если этого не произойдет, нужно слегка помочь ему рукой.

Процесс изготовления на видео.

Двигатель Стирлинга в работе

4 типа двигателя Стирлинга: применение и принцип работы [Полная информация]

Типы двигателя Стирлинга: применение и принцип работы: — Изобретение двигателя Стирлинга было сделано в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом, который хотел создать более безопасную альтернативу паровым двигателям, поскольку паровые двигатели были признаны опасными из-за к частым взрывам его котла с эффектом высокого давления пара, а также к ограничениям некоторых примитивных материалов, которые были доступны в то время.

Двигатель Стирлинга работает так же, как и другие тепловые двигатели, которые используются для преобразования тепловой энергии в механическую энергию. Принимая во внимание, что существенными особенностями двигателя Стирлинга являются то, что это замкнутый цикл и двигатель внешнего сгорания, что означает, что двигатель использует фиксированное количество рабочего тела, обычно воздуха и некоторых других газов, которые заключены в герметичный контейнер, а тепло которая потребляется двигателем обеспечивается извне. Эта функция позволяет двигателю работать на любом источнике тепла, который может включать ископаемое топливо, горячий воздух, солнечную энергию, химические вещества, ядерную энергию и т. д.

Также полезно знать, что эти двигатели также могут работать с очень низким перепадом температур, который может составлять всего 7 ° C, между источником тепла и радиатором, чтобы он мог питаться от тепла тела. и пар.

Основной принцип работы двигателя Стирлинга основан на свойстве газов, которое гласит, что они расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении, или это можно объяснить тем, что газ, содержащийся в любом фиксированном объеме, будет увеличивать давление при нагревании и уменьшать на охлаждение.

В случае заполнения газом любого контейнера переменного объема или изготовленного из поршня в цилиндре, который подвижен и закрыт с одного конца, поэтому будет замечено, что давление будет увеличиваться и уменьшаться, что заставит поршень двигаться и из. В процессе нагрева и охлаждения возникает возвратно-поступательное движение поршня, которое должно быть преобразовано во вращательное с помощью обычного шатуна и коленчатого вала с маховиком.

Скорость, с которой изменяется температура газа из-за нагрева и охлаждения, поэтому цилиндр держится ограниченным большой тепловой мощностью рабочих поршней и цилиндров.Однако это ограничение можно преодолеть за счет движения газа от одного конца цилиндра к другому, поддерживая постоянную высокую температуру на одном конце и постоянную низкую температуру на другом конце цилиндра. Условие достигается с помощью неплотно прилегающего поршня, известного как вытеснитель. Вытеснитель последовательно перемещается внутри цилиндра, который перемещает газ от одного конца к другому концу. По мере того, как буек продолжает двигаться, газ начинает просачиваться вокруг зазора между буйком и стенкой цилиндра.Вытеснитель сам по себе не производит энергию, а использует достаточно энергии только для циркуляции количества газа внутри цилиндра.

Двигатели Стирлинга имеют различные применения, используются в различных формах с 1930-х годов с мотивом мощности в диапазоне транспортных средств, и были разработаны двигатели мощностью 75 кВт и более. Даже если ранние разработки двигателей предназначались для использования в автомобилях из-за их низкой удельной мощности, двигатель Стирлинга все же лучше подходил для стационарных применений.Итак, вот некоторые из наиболее известных применений двигателей Стирлинга:

• Комбинированное производство тепла и электроэнергии :  Двигатель Стирлинга является идеальным двигателем для использования в небольших комбинированных тепловых и энергетических установках для улавливания потери тепла. Эти двигатели-генераторы используются для выработки выходной электрической мощности от 1 кВт до 10 кВт и чаще всего доступны для бытового применения с предельной целью использования отработанного тепла котла центрального отопления.Общий тепловой КПД этой системы может достигать 80%.
• Солнечная энергия:    Депоненты генераторов двигателей Стирлинга используются для выработки электроэнергии из тепловой энергии, которая улавливается очень большими солнечными тепловыми батареями.

1. Двигатель Стирлинга (альфа-конфигурация)
2. Двигатель Стирлинга (бета-конфигурация)
3. Двигатель Стирлинга (гамма-конфигурация)
4. Двигатель Стирлинга двойного действия (перекосная шайба)

Имеются два цилиндра с фиксированным количеством воздуха и других жидкостей, один из которых горячий, а другой холодный. Он перемещается вперед и назад между обоими этими цилиндрами. Это происходит по мере того, как горячий воздух, находящийся в горячем цилиндре, расширяется и сжимается при взаимодействии с охлажденным воздухом, находящимся в холодном цилиндре. Это источник энергии, который используется для выполнения механической работы в процессе.

Вы были бы удивлены, узнав, что термодинамика бета-двигателя Стирлинга очень похожа на альфа-двигатель, но дело в том, что их физическая конфигурация сильно отличается друг от друга.

Этот двигатель состоит только из одного цилиндра, который сильно нагревается с одной стороны и охлаждается с другой. Для этого один силовой поршень расположен соосно с вытеснителем, который перемещается внутри цилиндра.Поршень-вытеснитель не получает никакой энергии от расширяющихся газов, а служит только для перемещения рабочего газа вперед и назад в пределах двух концов.

Этот двигатель с гамма-конфигурацией такой же, как у бета-двигателя Стирлинга, в котором силовой поршень не установлен соосно с поршнем вытеснителя.

Работающий последовательно газ перемещается туда-сюда с помощью регенераторов между соседними цилиндрами, которые нагреваются сверху и охлаждаются снизу.Установлено, что компоновка не имеет вытеснителей, поскольку поршни в соседнем цилиндре хорошо выполняют эту функцию. Важно держать цилиндры закрытыми с обоих концов, а также шатуны должны проходить через уплотнения в крышки соседних цилиндров с нижней стороны, чтобы защитить газ от выхода из цилиндра.

Источник изображения: — MDPI, Pinterest, Yanmar

Двигатель Стирлинга

Что такое двигатель Стирлинга — типы, основные части, работа и применение?

Никогда не задумывались, зачем нужен взрыв внутри цилиндра двигателя? Ответ будет таков: нам нужно вызвать движение поршня, чтобы получить крутящий момент от коленчатого вала, но давайте просто задумаемся, если речь идет только о движении поршня, так почему мы зависим от взрыва? Мы можем вызвать движение различными другими средствами, которые намного эффективнее горения, теперь возникает вопрос, как это делается? Давайте просто убьем кота.

Двигатель Стирлинга — тип двигателя, в котором, в отличие от двигателя внутреннего сгорания, источник тепловой энергии является внешним, что может быть достигнуто различными способами, такими как сжигание топлива, или это может быть достигнуто с помощью любых электрических средств в зависимости от требуемая эффективность,

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в следующем:

• кинетическая энергия, приобретаемая молекулами газа) к стенкам замкнутого пространства, которое может быть использовано для получения любой механической работы.
• В двигателе Стирлинга используются 2 закрытые камеры (одна с источником тепла и другая с источником охлаждения), внутри которых заключен газ, сжатие и расширение взаимосвязанных поршней обоих цилиндров вызываются этими холодными и горячими газами, которые в очередь обеспечивают механический выход через подключенный коленчатый вал.

Как мы изучили, двигатель внутреннего сгорания имеет различные проблемы, связанные с работой и производительностью, которые можно решить с помощью двигателя Стирлинга, поэтому давайте просто сравним двигатель внутреннего сгорания с двигателем SE.-

• В известном двигателе внутреннего сгорания взрыв при сгорании топливовоздушной смеси внутри закрытого цилиндра вызывает движение поршня, что делает его сложной конструкцией, а также отсутствует эффективный контроль за сгоранием, чего нет при вся проблема с двигателем стирлинга, так как источник тепла внешний, которым можно управлять в любой момент по воле водителя.
• В отличие от двигателя внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга обеспечивает гибкость в работе. Основной девиз — перемещение поршня для вращения коленчатого вала, что может быть достигнуто любым способом, поскольку источник тепловой энергии является внешним.
• Мы можем сделать двигатель Стирлинга экологически безопасным (т.е. без выбросов), используя возобновляемый источник энергии, такой как электрическая энергия, в качестве источника тепловой энергии, что совершенно невозможно с двигателями внутреннего сгорания.
• В отличие от двигателя внутреннего сгорания, для сгорания которого требуется специальное топливо, двигатель Стирлинга обеспечивает гибкость в выборе топлива, которое может быть возобновляемым или невозобновляемым, поскольку в двигателе Стирлинга тепловая энергия является внешним источником.
• Поскольку для движения поршня в СЭ не требуется взрыва, в отличие от двигателя внутреннего сгорания работа двигателя Стирлинга является бесшумным процессом, поэтому он широко используется в различных морских транспортных средствах, таких как подводная лодка.

Из-за этих проблем с двигателем внутреннего сгорания Роберт Стирлинг представил первую практическую модель двигателя Стирлинга в 1816 году.

Как работает двигатель DTSi – объяснение?

Что такое четырехтактный двигатель?

В зависимости от количества используемых цилиндров двигатели Стирлинга бывают двух типов:

1. Альфа-двигатель Стирлинга

Тип двигателя Стирлинга, в котором используются 2 цилиндра, один из которых это расширительный цилиндр или горячий цилиндр, который оснащен источником тепла, а другой — цилиндр сжатия или холодный цилиндр, который имеет охлаждающее устройство на внешней стенке, эти 2 цилиндра соединены общим проходом, через который происходит обмен холодного газа от холодный цилиндр к горячему цилиндру и горячий газ от горячего цилиндра к холодному цилиндру имеет место.

• Двигатель Стирлинга Alpha представляет собой двигатель малой мощности и используется для легких нагрузок.

2. Бета-двигатель Стирлинга

Это тип двигателя Стирлинга, в котором используется один цилиндр, оснащенный источником тепла на одном конце и охлаждающим устройством на другом конце.

Обмен горячим и холодным газом от горячего конца к холодному и от холодного конца к горячему обеспечивается свободно установленным вытеснителем, этот вытеснитель соединен с коленчатым валом или маховиком, управляющим его движением внутри цилиндра.

Силовой поршень, соединенный с маховиком, перемещается между горячим и холодным концами внутри цилиндра, отвечающего за выходную мощность двигателя.

• Двигатель Стирлинга Beta представляет собой двигатель большой мощности, используемый для работы с высокими нагрузками.

В двигателе Стирлинга используются 1 или 2 цилиндра в зависимости от его типа, т.е. двигатель Стирлинга альфа или бета.

В двигателе Стирлинга alpha используются 2 цилиндра:

1. Цилиндр с холодной стенкой — Это цилиндр, который обеспечивает охлаждение газа с помощью некоторых внешних средств, таких как система охлаждения, для повторного использования газа для другого цикла. .
2. Цилиндр с горячей стенкой —  Это цилиндр, через который подключается внешний источник тепла, который нагревает газ внутри этого цилиндра для расширения газа.

В двигателе beta SE используется одноцилиндровый двигатель, который нагревается с помощью источника нагрева на одном конце и охлаждается с помощью охлаждающего устройства на другом конце.

Оба баллона соединены проходом, по которому газ перетекает из горячего цилиндра в холодный для повторного использования.

Это жесткий цилиндрический поршень, который используется внутри цилиндра и отвечает за выходную мощность двигателя .

В зависимости от типа двигателя Стирлинга, например, альфа или бета, используются 1 или 2 поршня (для двигателя альфа Стирлинга используется 2 поршня, а для двигателя Стирлинга бета используется один поршень).

Газ, который является рабочим телом для двигателя Стирлинга, используется внутри цилиндра таким образом, что сжатие и расширение этого газа внутри цилиндра вызывает возвратно-поступательное движение поршней.

• В двигателе Стирлинга альфа этот газ перемещается из холодного цилиндра в горячий цилиндр и из горячего цилиндра в холодный цилиндр через канал, соединяющий оба цилиндра.
• В бета-двигателе Стирлинга газ перемещается между холодным и горячим концами цилиндра с помощью неплотно закрепленного вытеснителя, приводимого в движение маховиком двигателя.

Внешний источник тепла (возобновляемый или невозобновляемый) используется для нагрева стенки горячего цилиндра (Alpha SE) или горячего конца цилиндра (Beta SE). ), что, в свою очередь, расширяет газ, т. е. увеличивает потенциальную энергию молекул газа, чтобы вызвать движение поршня.

Эффективная система охлаждения с водяным или воздушным охлаждением используется для охлаждения стенки холодного цилиндра (Alpha SE) или холодного конца (бета-цилиндр), который, в свою очередь, охлаждает газ. внутри цилиндра для повторного использования.

Это вал, через который механическая работа передается от поршня к маховику.

• Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение, которое является конечным результатом работы маховика.
• В двигателе Стирлинга альфа поршни как от холодного цилиндра, так и от горячего цилиндра связаны с коленчатым валом через шатунные шейки.

Как и в двигателе внутреннего сгорания, маховик используется на внешней части коленчатого вала для накопления выходной мощности двигателя для дальнейшей передачи.

Примечание – Свободно установленный вытеснитель, приводимый в движение коленчатым валом, используется в бета-двигателе Стирлинга для передачи горячего и холодного газа из горячей части в холодную и из холодной части в горячую.

Читайте также:

Как работает система охлаждения двигателя?

Как работает двигатель с искровым зажиганием?

Двигатель с воспламенением от сжатия – определение, основные компоненты, работа с приложением

Работа обоих двигателей i.е. альфа S E и бета S E основаны на том же принципе, что расширение горячего газа вызывает механическое движение поршня.

Источник

• При включении оператором стартера двигателя запускается внешний источник тепловой энергии. (Интенсивность которого может контролироваться оператором с помощью предусмотренного механизма.)
• После запуска источника тепла тепло передается от источника тепла к стенкам горячего цилиндра, что, в свою очередь, повышает температуру газа внутри горячего цилиндра из-за к которому возмущение в молекулах газа происходит из-за кинетической энергии, обеспечиваемой повышенной температурой.
• Это возмущение увеличивает молекулярное давление на поверхность поршня внутри горячего цилиндра, чтобы расширить газ, который, в свою очередь, отталкивает поршень для расширения.
• При перемещении поршня, т. е. от ВМТ к НМТ, за счет расширения, создаваемого горячим газом, коленчатый вал вращается, что считается выходной мощностью.
• Когда этот поршень горячего цилиндра перемещается из НМТ в ВМТ, за счет чего поршень холодного цилиндра перемещается из ВМТ в НМТ, горячий поршень начинает проталкивать горячий газ в холодный цилиндр для охлаждения.
•  Система охлаждения, связанная с холодным цилиндром, мгновенно охлаждает поступающие горячие газы из горячего цилиндра.
• Когда поршень холодного цилиндра движется от НМТ к ВМТ, а поршень горячего цилиндра движется от ВМТ к НМТ. Который, в свою очередь, сжимает холодный газ внутри холодного цилиндра, благодаря чему холодный газ перемещается из холодного цилиндра в горячий цилиндр для дальнейших циклов.

Бета-двигатель Стирлинга с одним цилиндром работает следующим образом:

• При включении двигателя включается горячий источник, оснащенный горячим концом цилиндра, который, в свою очередь, начинает нагревать цилиндр. стенки, из-за чего газ внутри горячего конца цилиндра также начинает нагреваться.
• Поршень, находящийся на горячем конце цилиндра, перемещается к холодному концу из-за нагревания газа, вызывающего молекулярное возмущение в газе, которое, в свою очередь, расширяет газ.
• Это расширение газа вызывает повышение давления над поверхностью поршня, что, в свою очередь, отталкивает поршень и достигается выходная мощность.
• Свободно установленный вытеснитель, прикрепленный к маховику или коленчатому валу, перемещается между горячим и холодным концами цилиндра из-за движения коленчатого вала или маховика.
• За счет движения этого вытеснителя происходит обмен газа из горячего конца цилиндра в холодный конец и из холодного конца в горячий конец цилиндра.
• Горячий газ из горячего конца цилиндра после обеспечения рабочего хода поршню за счет расширения поступает в холодный конец цилиндра, как указано выше, охлаждается за счет охлаждения, обеспечиваемого охлаждающим устройством, установленным на цилиндре.
• Этот охлажденный газ снова направляется буйком к горячему концу цилиндра для следующего цикла.

Вот как работает двигатель Стирлинга, и мы обнаружили, что в отличие от двигателя I C здесь нет выхлопа, а также нет потери рабочей жидкости, что делает двигатель Стирлинга более эффективным.

Двигатель Стирлинга использовался во многих важных проектах, так как это был бум в истории автомобилестроения. I и МОД-II.

Двигатель Стирлинга — Energy Education

Двигатели Стирлинга представляют собой тип возвратно-поступательного внешнего теплового двигателя, в котором используется один или несколько поршней для выполнения полезной работы за счет некоторого подвода тепла от внешнего источника.Они сильно отличаются от двигателей внутреннего сгорания, которые используются в большинстве автомобилей. Двигатели Стирлинга используют один и тот же газ снова и снова, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, которые постоянно впускают и выбрасывают газ. Кроме того, двигатели Стирлинга не используют взрывы, как обычные бензиновые двигатели, поэтому они очень тихие. ^[2]

Хотя они кажутся большими преимуществами для обычного двигателя, они менее практичны в большинстве автомобилей, поскольку требуют внешнего тепла, а не внутреннего тепла.Внешнему источнику попадания требуется дополнительное время, чтобы тепло проникло внутрь двигателей. Этот теплообмен делает двигатель гораздо менее отзывчивым, чем двигатели внутреннего сгорания. ^[2] Двигатели Стирлинга также оказались непрактичными для электростанций; 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 находится фиксированное количество газа . ^[2] Давлением газа можно управлять, добавляя или удаляя тепло. Добавление тепла повысит давление (и температуру), а удаление тепла, наоборот, уменьшит давление (и температуру). Изменив способ выполнения этих двух процессов, можно заставить двигатель выполнять полезную работу. Двигатель следует «циклу Стирлинга», описанному ниже в общем виде, который можно увидеть на рисунке 2. Цикл выглядит следующим образом: ^[2]

1. Нагрев и расширение — Тепло поступает из внешнего источника, повышая температуру и, следовательно, давление газа.Это заставляет поршень расширяться и совершать полезную работу.
2. Поток и охлаждение — Поршень движется вверх, нагнетая газ в другой цилиндр, где он охлаждается. Охлаждение газа облегчает его сжатие, а это означает, что требуется меньше работы, чем на шаге 1.
3. Сжатие — Теперь газ сжимается, и избыточное тепло, создаваемое в результате этого сжатия, отводится источником охлаждения.
4. Обратный поток и нагрев — Сжатый газ возвращается в исходную камеру, где цикл повторяется.

Цикл Стирлинга может дать больше энергии за счет более горячего источника тепла на этапе 1 или более холодного поглотителя на этапе 2.

Щелкните здесь, чтобы узнать о различных типах двигателей Стирлинга.

Заявка

Двигатели Стирлинга имеют множество применений: ^[5]

• Подводные лодки — Подводные лодки с двигателем Стирлинга могут оставаться под водой намного дольше, чем обычные подводные лодки. Шведская судостроительная компания Kockums впервые установила двигатели Стирлинга на подводные лодки, и с ними подводной лодке не нужно всплывать для перезарядки батарей, что продлевает время погружения с нескольких дней до недель. ^[8]

• Атомные электростанции — Двигатели Стирлинга потенциально могут заменить паровые турбины в ядерных реакторах и могут повысить эффективность станции и сократить количество радиоактивных побочных продуктов.Они будут использовать жидкий натрий в качестве охлаждающей жидкости и устранят необходимость в воде в любом месте цикла. ^[5]

• Образовательная демонстрация — Низкая разница температур Двигатель Стирлинга будет работать при любой низкой разнице температур, например, разница между ладонями, как показано на рисунке 4.

В США также разработал двигатель Стирлинга для выработки электроэнергии для использования в космических исследованиях.

Для дальнейшего чтения

Ссылки

— обновлено 30 марта 2013 г. Конфигурации двигателя Стирлинга

Глава 2a – Двигатели Альфа Стирлинга

Механические конфигурации двигателей Стирлинга обычно делятся на три группы, известные как Alpha , Бета , и Гамма распоряжения.Двигатели Alpha имеют два поршня в отдельных цилиндры, соединенные последовательно нагревателем, регенератором и кулер. В двигателях Beta и Gamma используется поршневой вытеснитель. устройства, двигатель Beta, имеющий как вытеснитель, так и поршень в рядной системе цилиндров, в то время как двигатель Gamma использует отдельные цилиндры.

Двигатель Alpha концептуально самый простой Однако конфигурация двигателя Стирлинга имеет недостаток что как горячий, так и холодный поршень должны иметь уплотнения, чтобы сдерживать рабочий газ.Существует ряд механических механизмов, которые позволяют этот тип двигателя для правильной работы с правильной фазировкой два поршня. Отличная анимация двигателя V-type Alpha. разработан Ричардом Уилером ( Zephyris ) из Википедия показано ниже:

Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, занимается проектированием и создание малых авиационных двигателей с 1970-х годов, в том числе крайне инновационные разработки Alpha. Он изобретатель классического Росса. Двигатель привода бугеля, а также сбалансированный механизм «Rocker-V», оба показаны ниже.

См. восхитительную книгу Энди Росса: Создание Двигатели Стирлинга (Экспериментальный Росс, 1993). Yoke D-90 приводит в движение двигатель Alpha Stirling, описанный в его Книга будет использоваться в качестве основного кейса данного веб-ресурса. В Университет Огайо у нас есть лаборатория модель двигателя привода Д-90 Бугеля, который нагревается электрически для точного определения тепла входная мощность. Мэтт Keveney сделал анимационный показ понятно принципы работы Росс механизм вилки .Этот оригинальный механизм для передачи движения двойного поршня в вращательное движение обычно минимизирует боковые силы поршня встречается на штатном коленчатом механизме.

Совсем недавно Энди Росс придумал сбалансированный Конструкция механизма Rocker-V. Он опубликовал статью о модели Локомотив Climax, который он построил с использованием небольшого (20 куб. См) Rocker-V. двигатель, и разрешил мне сохранить копию этой статьи « A Кульминационный локомотив класса А ». Номер из них Rocker-V двигатель S был построен студентами для Старший Дизайн класса в Университете Огайо в 2001 г., а также будет использоваться в качестве кейса данного веб-ресурса.Один из Многочисленные видеоролики Энди Росса на YouTube демонстрируют уникальный сбалансированный двойной V Двигатель Alpha , в котором не используется секция теплообменника, проходящая поперек В.

Круто Energy, Inc , Боулдер, Колорадо, разрабатывал низкотемпературный (150°C – 400°C) Alpha Stirling системы двигателя/генератора с 2006 г. (см. История развития) . Это включало полная система когенерации солнечного тепла и электроэнергии для домашнего использования в том числе эвакуированных трубчатые солнечные тепловые коллекторы , тепловые системы хранения, водонагреватели и обогреватели, а также SolarHeart Двигатель/генератор Стирлинга.В настоящее время они сосредоточение внимания на системах рекуперации отработанного тепла (см.: Cool Обзор двигателя Energy ThermoHeart 25 кВт ) с использованием четырехцилиндрового двигателя Alpha, как описано в документе представлен на выставке 2016 Международная конференция по двигателю Стирлинга команда Cool Energy: 25кВт Низкотемпературный двигатель Стирлинга для рекуперации тепла, солнечной энергии и биомассы Заявки ).

Многоцилиндровые двигатели Alpha Stirling

Двигатель Alpha также может быть собран в компактная конфигурация с несколькими цилиндрами, обеспечивающая чрезвычайно высокую удельная выходная мощность.Схематическая диаграмма этой конфигурации показано ниже. Обратите внимание, что четыре цилиндра взаимосвязаны, поэтому что расширительное пространство одного цилиндра соединено с компрессионное пространство соседнего цилиндра через последовательно соединенные нагреватель, регенератор и охладитель. Поршни обычно приводятся в движение автомат перекоса, приводящий к чистому синусоидальному возвратно-поступательному движению с разницей фаз 90 градусов между соседними поршнями.

Один из примеров 4-цилиндрового двигателя Alpha с автоматом перекоса. показано ниже.Этот двигатель изначально был разработан компанией Stirling. Тепловые двигатели (позже STM Корпорация , однако больше не является оперативный).

Во время 1970-е годы NV Philips из Голландии и Ford Motor Company разработал экспериментальный автомобильный двигатель – четырехцилиндровый двигатель с автоматом перекоса, как показано на следующей фотографии:

Это Двигатель Ford-Philips 4-215 используется в качестве примера в книга И. Уриэли и Д. М. Берховица — Двигатель с циклом Стирлинга Анализ (Адам Хилгер, 1984), страницы 25–31.Это будет один из тематические исследования этого учебного ресурса, и поскольку книга вышла из print, эти страницы добавлены сюда для удобства: Ford-Philips.pdf .

Уильям Бил из Sunpower, Inc придумал интересный конфигурация, сочетающая в себе четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель Alpha с выходным каскадом газовой турбины, как показано на следующей схеме схема:

Четыре цилиндра физически расположены под углом 90°. разность фаз в градусах с каждым поршнем, соединенным с газом компрессор.Затем газовые компрессоры используются для привода газовой турбины. расширитель, как показано. Основным преимуществом этой системы является обещание высокой удельной мощности и, самое главное, высокой надежности и срок службы из-за отсутствия тяжело нагруженных движущихся частей, так как боковые нагрузки на подшипники скольжения отсутствуют.

На эскизе показаны газовые компрессоры одностороннего действия для простота, однако в реальной машине будет использоваться двойное действие компрессоров так, чтобы на турбине было восемь газовых импульсов за каждый цикл четырехцилиндровой машины.

________________________________________________________________________________________

Анализ машины с циклом Стирлинга по Израиль Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

Каков принцип работы двигателя Стирлинга? – Greedhead.net

Каков принцип работы двигателя Стирлинга?

Ключевой принцип двигателя Стирлинга заключается в том, что внутри двигателя находится фиксированное количество газа.Двигатели Стирлинга являются двигателями внешнего сгорания, поскольку тепло поступает в воздух внутри двигателя из источника вне цилиндра, а не за счет сжигания топлива внутри цилиндра.

Как охлаждается двигатель Стирлинга?

В обычном двигателе Стирлинга вы передаете тепло на горячий конец машины (источник тепла) и получаете механическую работу и меньше тепла на другом, более холодном конце (радиаторе). Это превращает двигатель Стирлинга в «криокулер» — очень эффективное охлаждающее устройство.

Для чего нужен двигатель Стирлинга?

Он предназначен для выработки электроэнергии для зондов дальнего космоса в миссиях, длящихся десятилетиями. В двигателе используется одиночный вытеснитель для уменьшения количества движущихся частей, а для передачи энергии используется высокоэнергетическая акустика. Источником тепла является сухая твердая ядерная топливная шашка, а теплоотводом — излучение в само свободное пространство.

Каковы основные компоненты двигателя Стирлинга?

Двигатель Стирлинга состоит из шести основных компонентов: контейнеров, поршня, вытеснителя, коленчатого вала, маховика и внешнего источника тепла, как показано на рис.2.5. Воздух внизу нагревается, создавая давление на маломощный поршень, который движется вверх и вращает колесо.

Для чего используется двигатель Стирлинга?

Двигатели Стирлинга представляют собой устройства преобразования энергии, которые могут использоваться в качестве первичных двигателей, охлаждающих двигателей или тепловых насосов. В настоящее время они коммерчески используются в качестве криогенных систем охлаждения и разрабатываются в качестве малошумных автомобильных двигателей с низким уровнем выбросов.

Как работает вентилятор Стирлинга?

Очень экологически чистый вентилятор.Электростанция с циклом Стирлинга получает энергию от быстрого нагрева и охлаждения одного и того же объема воздуха. Когда воздух нагревается, он расширяется, толкая поршень вверх; когда тот же объем воздуха быстро охлаждается, он сжимается, толкая тот же поршень вниз, обеспечивая мощность.

Что из перечисленного не является принципом использования двигателя Стирлинга?

Объяснение: Паровой двигатель, двигатель Стирлинга и дизельный двигатель работают на возвратно-поступательном механизме, а паровой двигатель работает на вращательном механизме.6. Что из следующего не является основным применением двигателя Стирлинга? Пояснение: Основные области применения двигателя Стирлинга — экспериментальные, космические и транспортные.

Практичны ли двигатели Стирлинга?

Кроме того, двигатели Стирлинга не используют взрывы, как обычные бензиновые двигатели, поэтому они очень тихие. Хотя они кажутся большими преимуществами для обычного двигателя, они менее практичны в большинстве транспортных средств, поскольку требуют внешнего тепла, а не внутреннего тепла.

Что такое вентилятор Стерлинга?

Этот вентилятор печи Stirling Engine распределяет тепло от вашей печи по комнате, обеспечивая более равномерный нагрев.В Великобритании очень распространено встраивание печи в отверстие камина, что может в конечном итоге уменьшить выход тепла в комнату. Вентилятор Стирлинга очень аккуратно решает эту проблему.

Есть ли анимация двигателя Стирлинга?

Да, в мире полно бесплатных низкотемпературных источников тепла, но двигатели, необходимые для извлечения энергии из этого тепла, имеют тенденцию быть большими для той мощности, которую они производят. Если ваш компьютер может отображать Flash, у нас есть хорошая Flash-анимация нашего двигателя MM-1 / MM-5 Coffee Cup Stirling.Это гамма-анимация двигателя Стирлинга.

Что такое бета-двигатель Стирлинга?

Это анимация бета-версии двигателя Стирлинга, где все помещается в один цилиндр. Нагрев и охлаждение происходят непрерывно, а не импульсно, как вы можете подумать из этой анимации. Бета-конфигурация двигателя Стирлинга обычно использовалась в старинных водяных насосах и двигателях для бытового использования.

Что вы думаете об альфа-версии двигателя Стирлинга?

Двигатель Стирлинга в альфа-конфигурации мне не нравится, потому что он механически сложен и подает рабочий газ по длинной трубе.Положительным моментом в этом типе конструкции является то, что можно легко отделить горячие части от холодных.

Что такое гамма-двигатель Стирлинга?

Это анимация двигателя Стирлинга вытеснительного типа, похожая на наш двигатель Стирлинга Coffee Cup. Низкотемпературные двигатели Стирлинга (двигатели Стирлинга LTD, если вам нравятся сокращения) технически являются гамма-конфигурациями, но они настолько отличаются от высокотемпературных двигателей Стирлинга, что заслуживают отдельной категории.

Цикл Стирлинга — Stirling Cryogenics

Принцип работы машин был почти предан забвению после изобретения двигателя внутреннего сгорания (газовые, бензиновые и дизельные двигатели) и компрессорных холодильников с внешним испарением.

В 1938 году исследовательские лаборатории Philips искали способ выработки электроэнергии для питания радиоприемников в отдаленных районах, где не было электричества. Привлек внимание практически забытый термофен.В 1946 году компания Philips начала изучать методы охлаждения, используемые в цикле Стирлинга. Результатом стала разработка холодного газового холодильника.

Эта машина, криогенератор, положила начало значительной криогенной деятельности Philips. Таким образом, хотя двигатель горячего воздуха Стирлинга так и не стал коммерчески успешным, криогенератор Стирлинга используется в оборудовании, используемом от Антарктиды до Северного полюса.

В 1990 году деятельность Philips, связанная с охлаждением, стала независимой и в конечном итоге продолжилась под названием Stirling Cryogenics BV.Благодаря постоянным инновациям и значительным инвестициям в исследования и разработки криогенератор Стирлинга в настоящее время используется в передовых технологических машинах для охлаждения газов и жидкостей до экстремально низких температур
(от 200 до 20 К).

Области применения криогенераторы Стирлинга используются в самых разных областях, включая производство сжиженных газов, охлаждение газов и жидкостей, а также охлаждение во время (промышленных) процессов.

Криогенератор Стирлинга

Загрузить брошюру о цикле Стирлинга

Центральным элементом всего оборудования Stirling Cryogenics является криогенератор Стирлинга, работающий по принципу цикла Стирлинга.Этот цикл примечателен тем, что позволяет криогенератору создавать чрезвычайно низкие температуры (менее 20 К) и позволяет охлаждать практически все газы и жидкости.

Цикл Стирлинга является замкнутым циклом, что означает, что рабочий газ криогенератора (газообразный гелий) никогда не вступает в контакт с охлаждаемым веществом (газом или жидкостью). Это также исключает загрязнение рабочего газа, что повышает эксплуатационную безопасность. Замкнутый цикл Стирлинга также дает больше преимуществ:

Криогенератор Стирлинга чрезвычайно экологичен: он никоим образом не разрушает озоновый слой, не способствует возникновению парникового эффекта, не выделяет вредных и токсичных газов.

Криогенератор Стирлинга чрезвычайно эффективен, особенно по сравнению с другими криогенными процессами. Stirling — единственная компания в мире, которая успешно производит криогенераторы на основе цикла Стирлинга с мощностью охлаждения 1000-4000 Вт (при 77 К).

Цикл Стирлинга включает попеременное сжатие и расширение фиксированного количества почти идеального газа (также известного как идеальный газ) в замкнутом цикле. Для этого используется гелий. Сжатие происходит при комнатной температуре, чтобы облегчить отвод тепла, вызванного сжатием, тогда как расширение выполняется при требуемой низкой температуре.

Входы и выходы 

Цикл Стирлинга попеременно сжимает и расширяет фиксированное количество почти идеального газа (также известного как идеальный газ) в замкнутом цикле (гелий). Сжатие происходит при комнатной температуре, чтобы облегчить отвод тепла, вызванного сжатием, тогда как расширение выполняется при требуемой низкой температуре.

Кольцевой канал F соединяет помещения D и E и содержит три теплообменника: регенератор G, охладитель H и морозильник J.В положении 1 большая часть газа находится в пространстве D и имеет комнатную температуру.

Фаза 1: Газ сжимается поршнем B.

Фаза 2: Газ вытесняется с помощью вытеснителя из пространства D в пространство E, которое уже имеет низкую температуру. Во время этого вытеснения газ проходит через теплообменники. Охладитель рассеивает тепло, вызванное сжатием, через охлаждающую воду. Регенератор охлаждает газ почти до температуры, преобладающей в пространстве Е.

Фаза 3: На этой фазе происходит реальное производство холода, а именно расширение газа за счет совместного движения вытеснителя и поршня.

Фаза 4: Газ возвращается в пространство D. При прохождении через морозильную камеру его холод рассеивается в окружающую среду, а в регенераторе становится немного холоднее, и цикл можно начинать заново.

Понятно, что между пространством сжатия и пространством расширения будет большая разница температур.Как устанавливается эта разность температур и какое влияние на это оказывает регенератор, показано на рис. г. Рабочий газ как в пространстве сжатия, так и в пространстве расширения изначально имеет температуру окружающей среды. В течение первого рабочего цикла газ последовательно охлаждается охладителем и расширением до температуры Т1. Когда расширенный газ возвращается в пространство сжатия, в регенераторе устанавливается температурный градиент. Это означает, что после второго такта сжатия рабочий газ несколько предварительно охлаждается в регенераторе, прежде чем он расширится в расширительных пространствах до температуры Т2.После значительного числа ходов градиент температуры в регенераторе достигает равновесия, что означает, что рабочий газ после расширения достигает наинизшей температуры Т3. Очевидно, что регенератор является наиболее важным компонентом в этом процессе охлаждения.

Двухступенчатый цикл Стирлинга

Принципы двухэтапного цикла Стирлинга такие же, как и для одностадийного цикла. Отличие состоит в том, что рабочий газ после охлаждения в холодильнике Н проходит теперь два регенератора (Г1 и Г2) и два фризера (К1 и К2) и дважды расширяется (сначала в расширительном пространстве Е1, второй в Е2).По мере расширения газ охлаждается до 80 К на первой ступени и до 20 К на второй ступени, между пространством сжатия и двумя пространствами расширения имеется два градиента температуры. Ясно видно влияние двух регенераторов в этом двухступенчатом цикле Стирлинга расширения.