Двигун стірлінга - принцип роботи. Низькотемпературний двигун стірлінга (фото)
Двигун Стірлінга, принцип роботи якого якісно відрізняється від звичного для всіх ДВС, колись складав останньому гідну конкуренцію. Однак на якийсь час про нього забули. Як цей мотор використовується сьогодні, в чому полягає принцип його дії (в статті можна знайти також креслення двигуна Стірлінга, які наочно демонструють його роботу), і які перспективи застосування в майбутньому, читайте нижче.
Історія
У 1816 році в Шотландії Робертом Стірлінгом була запатентована теплова машина, названа сьогодні в честь свого винахідника. Перші двигуни гарячого повітря були винайдені ще до нього. Але Стірлінг додав в пристрій очищувач, який в технічній літературі називається регенератором, або теплообмінником. Завдяки йому продуктивність мотора зростала при утриманні агрегату в теплі.
Двигун визнали найбільш міцної паровою машиною з наявних на той момент, так як він ніколи не вибухав. До нього на інших моторах така проблема виникала часто. Незважаючи на швидкий успіх, на початку двадцятого століття від його розвитку відмовилися, так як він став менш економічним, порівняно з появою тоді іншими двигунами внутрішнього згоряння і електродвигунами. Однак Стірлінг ще продовжував застосовуватися в деяких виробництвах.
Відео: Двигун Стірлінга
Двигун зовнішнього згорання
Принцип роботи всіх теплових двигунів полягає в тому, що для отримання газу в розширеному стані необхідні великі механічні зусилля, ніж при стисканні холодного. Для наочної демонстрації цього можна провести досвід з двома каструлями, наповненими холодною і гарячою водою, а також пляшкою. Останню опускають в холодну воду, затикають пробкою, потім переносять в гарячу. При цьому газ в пляшці почне виконувати механічну роботу і виштовхне пробку. Перший двигун зовнішнього згоряння грунтувався на цьому процесі повністю. Правда, пізніше винахідник зрозумів, що частина тепла можна застосовувати для підігріву. Таким чином, продуктивність значно зросла. Але навіть це не допомогло двигуну стати поширеним.
Пізніше Еріксон, інженер зі Швеції, удосконалив конструкцію, запропонувавши охолоджувати і нагрівати газ при постійному тиску замість обсягу. В результаті чимало примірників стало використовуватися для роботи в шахтах, на судах і в друкарнях. Але для екіпажів вони виявилися занадто важкими.
Двигуни зовнішнього згорання від Philips
Подібні мотори бувають наступних типів:
- парової;
- паротурбінний;
- Стірлінга.
Останній вид не стали розвивати через невелику надійності і інших не найвищих показників у порівнянні з появою іншими типами агрегатів. Однак в 1938 році компанія Philips відновила роботу. Двигуни стали служити для приводів генераторів в неелектрофіцірованних районах. У 1945 році інженери компанії знайшли їм зворотне застосування: якщо вал розкручувати електромотором, то охолодження головки циліндрів доходить до мінус ста дев`яносто градусів за Цельсієм. Тоді вирішено було застосовувати в холодильних установках вдосконалений двигун Стірлінга.
Принцип роботи
Дія мотора полягає в роботі по термодинамічних циклів, в яких при різній температурі відбувається стиснення і розширення. При цьому регулювання потоком робочого тіла реалізується за рахунок змінюється обсягу (або тиску - в залежності від моделі). Такий принцип роботи більшості подібних машин, які можуть мати різні функції і конструктивні схеми. Двигуни можуть бути поршневими або роторними. Машини з їх установками працюють в якості теплових насосів, холодильників, генераторів тиску і так далі.
Крім цього, є мотори з відкритим циклом, де регулювання потоком реалізується за допомогою клапанів. Саме їх називають двигунами Еріксона, крім загальної назви імені Стірлінга. У ДВС корисна робота здійснюється після попереднього стиснення повітря, упорскування палива, нагрівання отриманої суміші упереміш зі згорянням і розширення.
Двигун Стірлінга принцип роботи має такий же: при низькій температурі відбувається стиснення, а при високій - розширення. Але по-різному здійснюється нагрів: тепло підводиться через стінку циліндра ззовні. Тому він і отримав назву двигуна зовнішнього згоряння. Стірлінг застосовував періодична зміна температури з витіснювальний поршнем. Останній переміщує газ з однієї порожнини циліндра в іншу. З одного боку, температура постійно низька, а з іншого - висока. При пересуванні поршня вгору газ переміщається з гарячої в холодну порожнину, а вниз - повертається в гарячу. Спочатку газ віддає багато тепла холодильника, а потім від нагрівача отримує стільки ж, скільки віддав. Між нагрівачем і холодильником розміщується регенератор - порожнина, наповнена матеріалом, якому газ віддає тепло. При зворотному перебігу регенератор повертає його.
Система витіснювача з`єднана з робочим поршнем, стискає газ в холоді і дозволяє розширюватися в теплі. За рахунок стиснення в більш низькій температурі відбувається корисна робота. Вся система проходить чотири цикли при переривчастих рухах. Кривошипно-шатунний механізм при цьому забезпечує безперервність. Тому різких кордонів між стадіями циклу не спостерігається, а ККД двигуна Стірлінга не зменшується.
З огляду на все вищесказане, напрошується висновок, що цей двигун є поршневий машиною із зовнішнім підведенням тепла, де робоче тіло не покидає замкнутий простір і не замінюється. Креслення двигуна Стірлінга добре ілюструють пристрій і принцип його дії.
деталі роботи
Сонце, електрику, ядерна енергія або будь-який інший джерело тепла може підводити енергію в двигун Стірлінга. Принцип роботи його тіла полягає в застосуванні гелію, водню або повітря. Ідеальний цикл має термічним максимально можливим ККД, рівним від тридцяти до сорока відсотків. Але з ефективним регенератором він зможе працювати і з більш високим ККД. Регенерацію, нагрівання та охолодження забезпечують вбудовані теплообмінники, що працюють без масел. Слід зазначити, що мастила двигуна потрібно дуже мало. Середній тиск в циліндрі становить зазвичай від 10 до 20 МПа. Тому тут потрібно відмінна ущільнювальна система і можливість попадання масла в робочі порожнини.
Порівняльна характеристика
У більшості працюючих сьогодні двигунів подібного роду використовується рідке паливо. При цьому безперервний тиск легко контролювати, що сприяє зниженню рівня викидів. Відсутність клапанів забезпечує безшумну роботу. Потужність з масою порівнянні моторам з турбонаддувом, а питома потужність, що отримується на виході, дорівнює показнику дизельного агрегату. Швидкість і крутний момент не залежать одне від одного.
Витрати на виробництво двигуна набагато вище, ніж на ДВС. Але при експлуатації виходить зворотний показник.
переваги
Будь-яка модель двигуна Стірлінга має багато плюсів:
Відео: Двигуни Стірлінга
- ККД при сучасному проектуванні може доходити до сімдесяти відсотків.
- У двигуні немає системи високовольтного запалювання, розподільного валу і клапанів. Його не потрібно буде регулювати протягом всього терміну експлуатації.
- У Стірлінга немає того вибуху, як в ДВС, який сильно навантажує колінвал, підшипники і шатуни.
- У них не буває того ефекту, коли говорять, що "двигун заглох".
- Завдяки простоті приладу його можна експлуатувати протягом тривалого часу.
- Він може працювати як на дровах, так і з ядерним і будь-яким іншим видом палива.
- Згорання відбувається поза мотора.
недоліки
- Головним мінусом конструкції є її матеріаломісткість.
- Робоче тіло потрібно охолоджувати, через що габарити істотно збільшуються.
- Для отримання рівних з ДВС характеристик необхідно використовувати високий тиск.
- До робочого тіла тепло підводять через стінки теплообмінників, у яких обмежена теплопровідність.
- щоб змінити потужність двигуна, змінюють обсяг буферної ємності, середній тиск робочого тіла, фазного кута між витіснювачем і поршнем.
застосування
В даний час двигун Стірлінга з генератором використовують у багатьох областях. Це універсальне джерело електричної енергії в холодильниках, насосах, на підводних човнах і сонячних електростанціях. Саме завдяки застосуванню різного виду палива є можливість його широкого використання.
Відродження
Ці двигуни знову стали розвиватися завдяки компанії Philips. В середині двадцятого століття з нею уклала договір General Motors. Вона вела розробки для застосування Стірлінга в космічних і підводних пристроях, на судах і автомобілях. Слідом за ними інша компанія з Швеції, United Stirling, стала займатися їхнім розвитком, включаючи і можливе використання на легкових автомобілях.
Сьогодні лінійний двигун Стірлінга застосовується на установках підводних, космічних і сонячних апаратів. Великий інтерес до нього викликаний через актуальності питань погіршення екологічної обстановки, а також боротьби з шумом. У Канаді і США, Німеччини і Франції, а також Японії йдуть активні пошуки щодо розвитку та вдосконалення його використання.
майбутнє
Явні переваги, які має поршневий і роторний двигун Стірлінга, які полягають у великому ресурсі роботи, застосуванні різного палива, безшумність і малої токсичності, роблять його дуже перспективним на тлі двигуна внутрішнього згоряння. Однак з урахуванням того, що ДВС протягом усього часу вдосконалювали, він не може бути легко усунутий. Так чи інакше, саме такий двигун сьогодні займає лідируючі позиції, і здавати їх найближчим часом не має наміру.
