Двигатель Стирлинга. Как работает двигатель стирлинга
Двигатели стирлинга
Краткая история этого устройства.
Сам двигатель был изобретен пастором Стирлингом в 1816 году, а в 1817 году им был получен патент на изобретение. Это была тяжелая машина весом больше тонны имеющей мощность чуть более одной лошадиной силы (менее одного Квт), а её механический КПД (коэффициент полезного действия) был по разным оценкам не выше 3%. Она была открытого типа (т.е. не герметичная) и не имела регенератора. Основным достоинством было то, что её можно было изготовить в любой сельской кузнице, а так же то, что давление в ней было атмосферное.
Примечателен ещё один факт – цикл Карно, описывающий тепловые процессы газов, был открыт в 1825 году, т.е. спустя 9 лет после изобретения Стирлинга.
Это говорит об гениальности изобретателя, который на своих наблюдениях над процессами расширения и сжимания газов (воздуха) чисто интуитивно сконструировал свою машину. Впоследствии Стирлинг ввел в машину закрытый цикл (машина стала герметичной), а так же регенератор – устройство, которое накапливало и отдавало тепловую энергию в разных циклах работы машины. До конца 20-го века были изготовлены порядка 1 тысячи машин, которые были поставлены в основном в колонии (США) и некоторые из которых работают и по сей день. Их вес стал меньше, а КПД поднялось до 10%. Но машина Стирлинга была вытеснена с рынка вначале паровой машиной, затем паровой турбиной, и двигателями внутреннего сгорания, двигателем Дизеля. Новые машины за счет повышенного давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах) имели лучше показатель «вес/габарит/мощность».
Как работает классическая машина Стирлинга?
В ИНТЕРНЕТе есть много информации по типам и принципу действия машины Стирлинга. Если коротко описать принцип действия, то можно сказать, что в течении 4-х циклов происходит расширение и сжатие газа в цилиндрах (их количество варьирует от одного до десятка), с нагреванием одних из них и отводом тепла от другогих. Регенератор при этом служит для аккумулирования тепловой энергии газообразного тела, вытекающего из горячей полости, и возвращения аккумулированной энергии газообразному телу при обратном движении – от холодной полости. От того, насколько хорошо работает регенератор, зависит общий КПД машины.
Преимущества машины Стирлинга:
- этот двигатель называют «двигатель внешнего сгорания» так как для его запуска необходима внешняя тепловая энергия, т.е. двигатель «всеяден»,
- в двигателе нет ни одного клапана,
- все процессы, протекающие в двигатели происходят без взрывов и резких изменениях давления, т.е. двигатель малошумящий,
- количество механических деталей, как правило, меньше в 1,5-2 раза по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и двигателями Дизеля,
- КПД сложных машин Стирлинга выше двигателя внутреннего сгорания (макс. 25%) и двигателя Дизеля (до 32%) и составляет у самых лучших образцов (32-34)%.
Недостатки машины Стирлинга:
- для получения приемлимых массогабаритных параметров необходимы давления до 200атм. и применение высоко текучего гелия или взрывоопасного водорода,
- использования уплотнений, работающих без смазки,
- сложная конструкция теплообменников в горячей и холодной полости,
- сложная конструкция регенератора,
- высокоэффективная система охлаждения,
- отсутствие чёткой математической модели, описывающей все процессы, протекающие в той или иной части машины.
Какие существуют типы машин?
Классификация машин Стирлинга по типу, применяемому рабочему телу, конструкции и прочее очень сложная. Подробная информация содержится в ИНТРНЕТе. Исходя из сложности, значения КПД, применяемого рабочего тела и стоимости, мы для себя классифицировали машины на три основных типа:
ПЕРВЫЙ – сложный, с применением в качестве рабочего тела гелия или водорода, с рабочим давлением больше 200 атм., имеющие в составе регенератор. Их механический КПД выше 30%, зато стоимость и сложность изготовления высокая.
ВТОРОЙ – средний. В качестве рабочего тела используется воздух и/или азот, рабочее давление до 10атм., имеющие в своем составе регенератор. Их КПД редко достигает 20%, зато стоимость и сложность средняя,
ТРЕТИЙ – простой. В их конструкции отсутствует регенератор, давление 1 атм., и соответственно КПД - менее 4%. Большой габарит при малой мощности, зато цена низкая. Используется как модели, но применения в промышленности не нашли.
Ход работ
Для изучения вопроса вначале нами были изготовлены 2 машина Стирлинга ПЕРВОГО типа, т.е. без регенератора, с рабочим давлением 1 атм. и воздухом в качестве рабочего тела. Были изготовлены 2 макета машин конструкции «ГАММА» и «БЕТА». На них отработаны методы замера механической мощности и КПД.
На сегодня проводится отработка узлов «регенератор», «теплообменник», «уплотнения». Эти работы проводятся над отдельными узлами. Целью этих исследовательских работ является получения рабочих узлов с их последующим применением в машинах ВТОРОГО типа.
Наш выбор.
Исходя из наших возможностей, возможностей технологического парка станков, квалификации и опыта специалистов в Республике Молдова, нами был выбран ВТОРОЙ тип машины, т.е. работающие при рабочем давлении не больше 10-ти атм., с регенератором и воздухом или азотом в качестве рабочего тела. В основном выбор основывается на создании безопасной и простой машины, с высоким ресурсом работы и малой стоимостью. Пользователь не должен обладать квалификацией или специальными знаниями при её эксплуатации, а неполадки не должны приводить к взрывам или иным опасным ситуациям.
ПОЧЕМУ МАШИНЫ ВТОРОГО ТИПА?
Простой расчёт показывает, что для использования машины Стирлинга в сельской местности высокий КПД не нужен. И вот почему… Допустим, КПД машины равен 15%. О чём это говорит? Это означает, что 15% будут преобразованы в механическую (т.е. электрическую) энергию, а остальные 85% будут выведены их машины Стирлинга в качестве тепла, ведь для охлаждения машины нужен эффективный охладитель. Допустим, что машина вырабатывает 1.5 кВт* механической / электрической энергии, тогда система охлаждения машины выведет во внешний контур 8.5 кВт тепловой энергии с температурой (70-90)°С. Это соотношение так же хорошо при КПД машины 10% - на 1кВт* электричества будет вырабатываться 9кВт тепла.
Примеры применения машины Стирлинга
В Республике Молдова выращиваются от 0.5 до 1.0 млн. тонн пшеницы. Примерно столько же остаётся соломы.
Энергетическая ценность соломы составляет примерно (0,6-0,7) от угля среднего качества (не путать вес и объем), что по энергетической ценности эквивалентно как минимум 300 тысяч тонн угля в самый плохой год. Для отопления среднее хозяйство в сельской местности потребляет порядка (1,0-1,2) тонн угла среднего качества, а количество хозяйств в сельской местности примерно равно 300 тысяч, т.е. для их полного обеспечения необходимо от 300 до 360 тысяч тонн угля среднего качества.
Вывод
Если всю солому,которая остается на полях, использовать для отопления и выработки электроэнергии, то даже её практически хватит для этих целей. Так же можно применять отходы кукурузы, подсолнечника, а так же энергию Солнца. А для этого нужен «двигатель внешнего сгорания», коим и является машина Стирлинга.
* без учёта КПД преобразования механическая энергия / электрическая энергия.
sincos-plus.com
Как работает стирлинг
Итак, что это такое и как это работает.
Скажу сразу, что бы въехать в эту тему понадобится не мало времени, я сам не всё сразу понял, хотя казалось, что сложного ничего и нет. Снаружи всё просто и понятно пока не копнёшь глубже, где и спрятано все интересное. Выход здесь только один, если что то не понятно сразу - читай и смотри дальше, со временем всё прояснится, по крайней мере так было со мной.
Нус приступим, признаться я не могу и не буду описывать всё это хитро-научно-рефератным языком, на мой взгляд это отпугивает людей, всё нужно излагать по простому не выдумывая всяких там формул и мало кому известных понятий. Наличия высшего образования тоже не потребуется всё легко укладывается в школьную программу, а множество схем и простых поясняющих картинок максимально облегчит понимание.
Стирлинг - это устройсво преобразующее тепловую энергию в механическую ну как двигатель, с тем лиш отличием, что эта тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно(как это происходит например в двигателе внутреннего сгорания). Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство отличающее его от всех остальных машин. Да, ну и само собой такое название Стирлинг пошло от фамилии человека который всё это первый придумал, кто заинтересуется историей этого вопроса может нарыть в интернете кучу инфы, меня лично это мало волнует.
Понять его устройство можно на примере ряда картинок ниже.
Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому). Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу. И наоборот охлаждая корпус мембрана вогнется, опять совершив работу. Вот и весь цикл, проще не придумаеш, осталось только "автоматизировать" этот процес.
Для этого внутри корпуса двигателя размещается так называемый поршень вытеснитель(на рисунке он зелёненький с нерусским словом), смысл этого девайса в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от горячей области внизу к охлаждаемой вверху. На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой почти половину объёма внутренней полости двигателя, в виде такого диска, не плотно прилегающего к стенкам. Через этот зазор воздух перетекает из горячей полости в холодную и обратно.Надо сказать что сам этот поршень в идеале должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, поскольку он фактически разделяет собой гарячую и холодную области внутри двигателя.
Ну а дальше уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(или рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (внимательно изучайте картинки включайте воображение)
Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя(у нас на рисунке как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки). Это идеальный вариант соединения для такой схемы. Попытайтесь проиграть каждую картинку по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха внутри двигателя и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.
Надо ещё признать, что на схеме, а именно на оси , отсутствует одна важная деталь - это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.
НЕ отчаивайтесь если сразу не всё понятно, я сам помню долго въезжал, в своё время, а некоторые моменты полностью понял только когда собрал свой первый стирлинг. Главное начать, и если не потеряете интерес, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо здесь на самом деле масса хитрых моментов.
Более подробно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому - я изложил в форме серии видеоуроков , которые можно посмотреть ЗДЕСЬ
Вот например таже схемка но уже в движении, теперь я думаю будет несколько понятнее. Причем это фактически разрез реальной рабочей модели, жаль правда что только в одном боковом виде.
А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя, также присутствует маховик.
Или вот ещё пример.
Всё это были примеры низкотемпературных двигателей, так сказать моделек, игрушек, поясняющих принцип работы. Промышленные стирлинги которые используются в разных целях, от генерации электроэнергии, до говорят, движения подводных лодок выглядят совершенно по другому (будем рассматривать их в других разделах сайта). Но принцип всегда остаётся темже - нагрев и охлаждение замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода или гелия (короче рабочего тела по другому).
Вообще Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, гамма.
Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая
Ещё пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.
и ещё бетта тип, кинематика
А вот полная деталировка - всё по полочкам, гамма версия.
А вот как на практике выглядит бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрая штука и самому такую извоять весьма проблематично, но для общего развития нужно иметь представление. Дальше в рубриках по конкретным типам двигателей я буду более подробно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов исполнения этого двигателя просто немеренно, этим он и интересен.
А такая занятная игрулина вызовет массу приятных эмоций у любого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашки с горячим чаем, его мы тоже рассмотрим подробнее здесь.
Ну вот и всё вступление, для начала. Дальше в рубриках, по каждому типу двигателей, будет более подробно о них расказано и показано, есть много интересного видео, без просмотра которого невозможно полноценно оценить всю прелесть этих устройств. Не переключайтесь... всё только начинается.
www.physicstoys.narod.ru
Двигатель Стирлинга Википедия
Анимация классического двигателя Стирлинга с конфигурацией β-типа, при которой рабочий и вытеснительный поршни собраны в одном цилиндре.
Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
История[ | код]
Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление узла, который он назвал «эконом».
В современной научной литературе этот узел называется «регенератор». Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше. Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.
В 1843 году его брат, 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 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.
Описание[ | код]
ru-wiki.ru
Тепловая машина Двигатель Стирлинга | Синтезгаз
Тепловая машина двигатель Стирлинга
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела.
Данный тип двигателей изобретен в девятнадцатом веке. Они прошли стадию подъема, затем были забыты, однако пережили паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и снова возродились в двадцатом веке. Сегодня над их созданием трудятся многие инженеры и любители.
Стоит отметить, что универсальной методики расчета Стирлинг-машин не существует до сих пор. Львиная доля технических решений и методик расчета при создании опытных образцов двигателей Стирлинга автоматически становится «ноу-хау» компаний-разработчиков и тщательно скрывается. Двигатели Стирлинга не встретишь в свободной продаже, как газонокосилки или автономные генераторы. При этом «Стирлинги» используются в качестве энергоустановок на космических спутниках, применяются как маршевые двигатели на современных подводных лодках.
Мембранный Двигатель Стирлинга для солнечных установок
Стирлинг-машины с одинаковым успехом можно «вмонтировать» и в триммер для стрижки газонов, и в марсоход. В конструкции двигателя нет клапанов, распределительных валов, отсутствует система зажигания в ее привычной форме, нет стартера! Некоторые конструкции обладают эффектом самозапуска. Для работы годится любой источник тепла: энергия солнца, навоз, сено, дрова, уголь, нефть, газ, ядерный реактор — подойдет все! И при данной «всеядности» коэффициент полезного действия «Стирлингов» не уступает показателям двигателей внутреннего сгорания. Но и это не все. Стирлинг-машины обратимы. Т.е. подводя тепловую энергию, получаем механическую, раскручивая маховик двигателя вырабатываем холод.
Двигатель Стирлинга зависит только от внешнего поступления тепла. Что это тепло поставляет принципиального значения не имеет. Поэтому двигатель Стирлинга являеться идеальным кандидатом для перевода солнечного излучения в механическую энергию:
1. В двигателе Стирлинга постоянное количество рабочего газа (гелий или водород) постоянно нагреваеться и охлаждаеться.
2. Через расширение при нагревании и сжатии при охлаждении, рабочий газ приводит в движение два поршня, каждый из которых прикреплен к валу — таким образом передаеться энергия.
3. Эфективность двигателя Стирлинга растет при росте температуры, поэтому он являеться идеальной комбинацией для производства энергии через солнечный коллектор.
4. Здесь нет внутреннего сгорания, поэтому установка Стирлинга работает почти бесшумно.
5. Потенциальный жизненный цикл двигателя Стирлинга являеться очень длительным, так как здесь нет внутренного износа из-за горения топлива.
Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.
Плюсы стирлингов
- КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.
- В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
- В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.
- Двигатель не будет «капризничать» из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.
-Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
- Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом.
- Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).
Минусы стирлингов
- Поскольку сгорание топлива происходит вне двигателя, а отвод тепла осуществляется через стенки радиатора (Стирлинги имеют замкнутый объем) габариты двигателя увеличиваются.
- Еще один минус — материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится — коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.
- Для получения высокой удельной мощности в качестве рабочего тела в Стирлингах используют водород или гелий . Водород взрывоопасен, при высоких температурах растворяется в металлах, образуя металлогидриды — т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.
Комментарии:
Как рассчитать электрическую мощность оборудованияЧистая окружающая среда или сланцевый газ
sintezgaz.org.ua
Как работает стирлинг | Двигатели Стирлинга
Для этого снутри корпуса мотора располагается так именуемый поршень вытеснитель(на рисунке он зелёненький с нерусским словом), смысл этого аксессуара в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от жаркой области понизу к охлаждаемой вверху. На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой практически половину объёма внутренней полости мотора, в виде такового диска, не плотно прилегающего к стенам. Через этот зазор воздух перетекает из жаркой полости в прохладную и назад.Нужно сказать что сам этот поршень в эталоне должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, так как он практически делит собой гарячую и прохладную области снутри мотора.
Ну а далее уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(либо рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (пристально изучайте рисунки включайте воображение)
Ещё одна принципиальная деталь на которую необходимо направить внимание состоит в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения мотора(у нас на рисунке как вы могли увидеть вращение происходит против часовой стрелки). Это лучший вариант соединения для таковой схемы. Попробуйте проиграть каждую картину по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха снутри мотора и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.
Нужно ещё признать, что на схеме, а конкретно на оси , отсутствует одна принципиальная деталь — это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.
НЕ отчаивайтесь если сходу не всё понятно, я сам помню длительно въезжал, в своё время, а некие моменты стопроцентно сообразил только когда собрал собственный 1-ый стирлинг. Главное начать, и если не потеряете энтузиазм, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо тут по сути масса хитрых моментов.
Более тщательно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому — я выложил в форме серии видеоуроков , которые можно поглядеть Тут
Вот к примеру таже схемка но уже в движении, сейчас я думаю будет несколько понятнее. При этом это практически разрез реальной рабочей модели, жалко правда что исключительно в одном боковом виде.
А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения мотора, также находится маховик.
Либо вот ещё пример.
Всё это были примеры низкотемпературных движков, так сказать моделек, игрушек, поясняющих механизм работы. Промышленные стирлинги которые употребляются в различных целях, от генерации электроэнергии, до молвят, движения подводных лодок смотрятся совсем по другому (будем рассматривать их в других разделах веб-сайта). Но принцип всегда остаётся темже — нагрев и остывание замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода либо гелия (короче рабочего тела по другому).
Вообщем Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, палитра.
Красноватым помечена нагреваемая область, голубым охлождаемая
Ещё пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.
и ещё бетта тип, кинематика
А вот полная деталировка — всё по полочкам, палитра версия.
а это анимация стирлинга бетта типа
—————————————————————————————————
А вот небольшой Стирлинг охлаждает собственной работой некий чип на материнской плате, увлекательное применение.
Вот видео его работы http://www.youtube.com/watch?v=LQQMkz6uPs0
А ах так на практике смотрится бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрецкая штука и самому такую извоять очень проблематично, но для общего развития необходимо иметь представление. Далее в рубриках по определенным типам движков я буду более тщательно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов выполнения этого мотора просто немеренно, этим он и увлекателен.
а это его кинематическая модель
———————————————————————————
А такая занимательная игрулина вызовет массу приятных чувств у хоть какого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашечки с жарким чаем, его мы тоже разглядим подробнее тут.
Ну вот и всё вступление, для начала. Далее в рубриках, по каждому типу движков, будет более тщательно о их расказано и показано, есть много увлекательного видео, без просмотра которого нереально всеполноценно оценить всю красота этих устройств. Не переключайтесь… всё только начинается.
ctirling.ru
Двигатель Стирлинга « Попаданцев.нет
Сейчас начали вспоминать двигатель Стирлинга. Дескать у него и экономичность и экологичность, да и вообще — название красивое.Давайте, что ли, и мы вспомним, чтобы расставить хотя бы часть точек над «i»…
Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом.Главная цель изобретения — удалить несовершенные машины с угольных шахт, где они откачивали воду. Классические машины требуют парового котла, который по тем временам часто взрывался и Стирлинг поставил задачу — изобрести машину без высокого давления. Ему это удалось.
Рассмотрим классический стирлинг бета-типа, он самый простой.На схеме красным обозначена часть, которая нагревается от внешнего источника (приятно, что любого), синим цветом — часть, охлаждаемая воздухом, радиатор.
Любой стирлинг работает именно на этой разнице температур.В нижней части под нижним поршнем воздух нагревается и от этого расширяется — и толкает поршень вверх.В процессе подъема воздух просачивается между поршнем и стенками в верхнюю полость, где радиатор его охлаждает. При этом воздух сверху сжимается из-за охлаждения и опять идет вниз, чтобы начать новый такт.
Двигатель стирлинга работает именно на том, что воздух в одном месте конструкции разогревается и расширяется, а в другом охлаждается и сжимается. Естественно, вариаций такой схемы — вагон и маленькая тележка.Рабочее тело — воздух в цилиндрах и это рабочее тело не расходуется. Стирлинг не впускает ничего снаружи и ничего в атмосферу не выпускает. А так, как внутри цилиндров не происходит вспышки или детонации, а давление слабое — то работает он почти бесшумно (IMHO, это основное преимущество стирлинга). А бесшумность и низкие обороты дают фантастическую долговечность. Ну прямо одни плюсы в конструкции! Ну что ж, идем дальше.
Мы показали самый простой стирлинг, без регенератора и со щелями вокруг поршня, нам он вряд ли пригоден. У него совсем низкая мощность и не ахти какое КПД.Давайте посмотрим на стирлинг с регенератором. Регенератор — это на картинке такая штуковина слева, через которую идет газ.По теории регенератор — это полость, заполненная каким-либо «пористым материалом». На практике там внутри могут быть просто металлические ребра или даже проволока, свернутая в катушку. Регенератор не должен слишком хорошо проводить тепло. Он должен остужать горячий газ, когда он проходит через него и нагревать холодный газ, когда тот возвращается через регенератор.Без него не будет ни мощности, ни КПД. И его расчет — это первый квест, который достанется попаданцу. То есть расчета и не будет (потому что попаданец не сможет получить входные данные), будет многомесячный подбор количества витков или ребер.
Но это только цветочки. За ними идут ягодки.Дело в том, что машина Стирлинга подозрительно напоминает машину Ньюкомба с орошением холодной водой цилиндра. Отличия есть — во времена Стирлинга смогли сделать такие точные детали, как поршень с цилиндром, ну то есть чтобы в щель между ними палец не пролазил. Поэтому если вы решили построить двигатель стирлинга до классического паровика — будьте готовы решать проблемы, описанные в статье борьба за точность. Но помните — та точность подгонки деталей, которая годилась для паровика, не годится для стирлинга. Потому что кривой паровик все равно выпустит пар и пойдет за следующей порцией, а стирлинг ничего в атмосферу выпускать не должен.
Однако, именно на поле точности у попаданца есть шансы построить стирлинг.Дело в том, что поршни первых паровиков были очень большого диаметра, около метра. Со стирлингом такая штука не получится и цилиндр стирлинга будет куда меньшего диаметра и, соответственно, точность обеспечить много-много проще.
Почему же цилиндр поршня будет меньше?А потому, что теплопередача стирлинга идет через стенки цилиндра. И нагревают именно стенки, ожидая, что тепло передастся газу.Однако, так получилось, что наш мир трехмерен, и если мы возьмем емкость и линейно увеличим ее размеры, то ее объем вырастет в третьей степени, а ее поверхность — только во второй. То есть при увеличении размеров объем растет гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Именно поэтому ванна остывает куда медленнее, чем чайник. В случае со стирлингом это ведет к тому, что газ внутри цилиндра начинает прогреваться куда медленнее и количество оборотов падает катастрофически. При этом введение всяких ребер не даст нужного эффекта, потому что в системе образуется газ, собранный в «складках местности», который не участвует в работе.
Ну хорошо, будем строить небольшой стирлинг. А почему, собственно, первые паровики строили такими большими? Зачем требовался цилиндр в 70 см диаметра? Тут вопрос с том, что давление в котле первых паровых машин было очень мало и чтобы обеспечить мощность, приходилось делать поршни большой площади. Понятно, что такой путь для стирлинга закрыт.
Конечно, есть второй путь — повышение давления. Именно по этому пути пошло развитие паровых машин.Как на эту тему в стирлинге? Да так же, как со всем остальным. Повышение давления требует повышения температуры. А резкое повышение температуры требует использование специальных жаропрочных сталей, с которыми сейчас экспериментируют. Ведь теплопередача идет через металл и наружную сторону приходится раскалять до белого каления. Но были ли доступны такие стали во времена до технологической революции? Ответ найдете сами.Я не говорю, что со стирлинга нельзя снять неплохую мощность, сейчас это удалось. При использовании водорода, электрического нагрева и давления 200 атмосфер. Проще сразу реактивный двигатель строить.
Итак, с мощностью у стирлинга не вышло. А как с другими параметрами?Давайте посмотрим на количество оборотов за минуту. Вы у какого-нибудь стирлинга видели регулятор оборотов? Нет?А потому, что он не нужен. Стирлинг нельзя раскочегарить до сотен оборотов в минуту (я не беру водородный высокого давления), более того — у стирлинга вообще очень узкий диапазон оборотов, заданных конструкцией. Быстрее крутится он не будет — теплопередача в металле тормозит, а меньше оборотов можно добиться только уменьшением нагрева — то есть уменьшением давления в цилиндре — то есть уменьшением мощности — вплоть до полной остановки. Это я к тому, что если вы решили поставить стирлинг на авто, то потребуется коробка передач и сцепление. Конечно, при той копеечной мощности можно замутить вариатор, как на скутерах.. В 18 веке, ага.Сейчас количество оборотов регулируется введением дополнительной буферной емкости для газа, но представьте «простоту» этой конструкции! Ведь вся проблема не сделать саму емкость и даже не вентиль к ней. Она должна подключаться и отключаться в определенном такта работы, то есть вентиль должен быть механически связан с маховиком.
И одна из главных проблем стирлинга — обороты будут низкими. И что мы будем делать с низкими оборотами?Можно поставить повышающий редуктор. Мы не будем вспоминать о сложность этой задачи до эпохи паровых машин.Вопрос в другом — такой редуктор заметно снижает крутящий момент, поэтому если вы хотите сделать что-то типа гоночного автомобиля, то он не разгонится, воздух помешает.
Итак, куда можно поставить стирлинг?
На паровоз? Не хватит крутящего момента сдвинуть с места состав. А если и построить легкую мотодрезину, то как регулировать ее скорость? Втыкать буферную газовую емкость? А место на дрезине будет? Стирлинг вообще отличается удивительно большой материалоемкостью даже среди двигателей внешнего сгорания, а тут еще и дополнительные устройства.
На автомобиль? А попаданец сможет построить вариатор до появления резьбового соединения и соответствующих токарных станков? Я очень хочу увидеть этот девайс!
На пароход? Кому нужен винт, что будет вращаться с мощностью в три лошадиные силы и скоростью меньше ста оборотов в минуту? Конечно, эти обороты — как раз обороты вращения гребного колеса, но гребное колесо — это рычаг, и чтобы его провернуть требуется немалый крутящий момент, даже поболее чем у винта. Конечно, можно построить гребное колесо сантиметров 60 в диаметре, но опять-таки очень хочу это увидеть!
На водяной насос? Да! Это его место! Там не надо ни высокой мощности, ни больших оборотов. Более того — необходимо очень долго держать постоянные обороты, а стирлинг в разнос не пойдет никогда. Самое оно!И напомню — насосы нужны не только на шахтах. Насос, к примеру, работает в классическом холодильнике..
На электростанцию? Можно попробовать. С одной стороны — постоянные обороты. Если правильно подойти, то можно построить линейный генератор, который будет выдавать переменный ток заданной частоты. Стирлинг умеет держать обороты! Но с другой стороны — малая мощность. То есть если вам нужно электричество питать электролампочку и рентгеновский аппарат, ну и плюс зарядить мобилку — годится. А если требуется получать карбид кальция или алюминий — забудьте.
Крутить токарный станок? Да, годится. Только надо не забывать на каждый станок поставить свой стирлинг, ну и без редукторов тут не обойтись. Но если станок получился — на нем можно делать требуемые детали и повышать эффективность.
КПД стирлинга получается порядка 15-18%. Он не настолько высок, как следовало бы ожидать из-за того, что теплопередача идет черех стенку.Как для паровика, это много.Однако, использовать его можно только там, где нужно маломощный двигатель (маломощный, но не малоразмерный!). То есть там, где бы сейчас поставили электродвигатель.
В двигателе Стирлинга много подводных камней. Вот как выглядит реализация кинематической схемы, показанной выше.И это — самая эффективная схема. Я сомневаюсь, что попаданец будет возиться с двумя валами, скорее всего обойдется классическим кривошипом и маховиком. Соосность будет хуже и достаточно быстро стирлинг начнет выпускать воздух, но разве это кого-то остановит?
Остальные схемы я приводить не буду — они сложнее. Хотя если вся технологическая база уже работает (читай «паровые машины в расцвете»), то и другие модели можно построить, стирлинги реально проще паровиков. И много безопасней. И поэтому дешевле. Вот только паровик стирлингу не заменить…
www.popadancev.net
Двигатель Стирлинга, принцип работы
В этом двигателе основным нововведением является наличие промежуточного контура, выполняющего роль буферной емкости для отработанного газа и временного замедлителя, дающего возможность нагреть газ за время движении кулачка по промежуточному контуру. Размеры контуров можно менять, газовые магистрали также можно изменять, можно отказаться от клапанов, внутри ротора можно разместить электродвигатель, тем самым конструкция будет полностью герметичной, или заменить рекуператор регенератором, и т.п. Достоинство конструкции в относительной простоте, аналогичные схемы давно используются в гидронасосах высокого давления. Современные достижения трибологии позволяют обойтись без смазки и без "компрессионных" устройств. Роторный принцип имеет значительные положительные качества, которые недоступны поршневым двигателям, и первое из них - это миниатюрность, позволяющая сделать не только миниатюрным сам двигатель, но и разместить внутри него электрогенератор без существенного увеличения размеров. Другое важное преимущество - постоянство крутящего момента, т.к. плечо ротора постоянно. Еще одно преимущество - это строгая очередность протекания тактов - ротор переходит в следующий сегмент только после того, как полностью отработал в предыдущем, в поршневом же двигателе движение поршней подчинено синусоидальному закону, что снижает усилие газа на величину противодавления. К тому же, многие конструкции содержат газовый демпфер, т.е. картер под давлением, что также снижает мощность на величину противодавления в картере. Немаловажным качеством является и то, что отсутствуют возвратные движения, ротор движется только поступательно, нет необходимости демпфирования, что также увеличивает эффективный кпд. Еще одним положительным качеством является то, что в теплопереносе участвует весь объем рабочего тела, а не часть его, как в поршневых двигателях.
РОТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА
(принцип работы)
На фигуре 1 изображена секция роторного двигателя внешнего сгорания с кулачковым ротором.
На фигуре 2 изображены такты рабочего цикла роторного двигателя внешнего сгорания.
На фигуре 3 изображена секция роторного двигателя внешнего сгорания с роликовым ротором.
Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из преобразователей энергии механической и тепловой. Секция двигателя внешнего сгорания содержит один статор 16 (фиг.1), оборудованный тремя подвижными пластинами 6, 12, 17, прижимаемыми к поверхности ротора 13 посредством пружин 28, 11, 19. Статор 16 с торцов закрыт торцевыми крышками (не показаны). Внутри статора 16 на силовом вале 15 вращается по стрелке "а" ротор 13, оборудованный кулачками 14 и, возможно, 9. Внутренний объем статора посредством подвижных пластин 6, 12, 17 разделен на силовой ("с"), промежуточный ("п") и вытеснительный ("в") контуры, а сами пластины герметично прижимаются под действием пружин 28, 11, 19 к ротору 13 и к торцевым крышкам и тем самым противодействуют проникновению рабочей среды из одного контура в другой, минуя каналы, соединяющие эти контуры. При прохождении через подвижные пластины кулачка 14 ротора 13 подвижные пластины отжимаются в тело статора 16. Каналы разделяются на выходной 24, оборудованный обратным или выпускным клапаном 18, перепускной 29, оборудованный обратным клапаном 20, и, при наличии на роторе 13 кулачков 9, 14, входные – 3, 2, оборудованные впускными клапанами 7, 8 и обратными клапанами 1, 30. Каналы проходит, как правило, через преобразователь тепловой энергии, состоящий из нагревателя ("н") 5, регенератора ("р") 26 и холодильника ("х") 4 (или в обратной последовательности), но, для уменьшения динамического сопротивления и удобства компоновки, возможна схема проводки каналов как на фигурах 1, 2, которые проходят через регенератор и/или через какой-либо из конечных преобразователей тепловой энергии. Внутренний объем статора и каналов заполнен рабочей средой, которой может быть, например, газ - пар, водород, гелий или другой подходящий для этого наполнитель.
Роторный двигатель внешнего сгорания работает следующим образом. Запуск двигателя производится после разогрева нагревателя ("н") 5 и охлаждения холодильника ("х") 4 и принудительного проворота силового вала 15 по стрелке "а" на один-два оборота. При этом замкнутый цикл Стирлинга осуществляется за три такта при постоянно протекающем выпуске (фиг.2): положение I – сжатие-впуск; положение II – перепуск-охлаждение,нагрев; положение III – рабочий ход. Стрелками показано движение газа: волнистой – горячего, пунктирной – теплого, ровной – холодного.
Такт I - сжатие-впуск – вытеснение в регенератор холодного газа и после его предварительного подогрева проталкивание его в нагреватель. Кулачек 14 ротора 13 движется по стрелке "а" в вытеснительном контуре "в" и, сжимая холодный газ (рабочую среду) в этой области статора 16, вытесняет его в канал 27, проходящий через регенератор 26 и, по каналу 3, в нагреватель 5. В увеличивающуюся нижнюю область контура "в" при продвижении в ней кулачка 14 втягивается из канала 29 холодный газ, выходящий из промежуточного контура "п" через холодильник 4. При этом после выхода кулачка 14 из контура "в" в контур "п" обратные клапаны 25,30,1 не позволят газу после увеличения объема вследствие нагрева переместиться в контур "в".
Такт II - перепуск-охлаждение,нагрев. При продвижении кулачка по контуру "п" происходит вытеснение теплого газа через холодильник 4 (где происходит его охлаждение) в контур "в". При этом в контур "п" газ поступает под давлением или засасывается из силового контура "с", пройдя предварительно через регенератор "р" и оставив там часть тепла. За время продвижения кулачка 14 по контуру "п" происходит достаточный нагрев газа в нагревателе 5, при этом газ концентрируется в нагревателе, где его удерживают обратный клапан 30 и впускной клапан 8.
Такт III – рабочий ход. При вхождении кулачка 14 в силовой контур "с" после прохождения им подвижной пластины 12 принудительно открывается впускной клапан 8, при этом горячий газ под большим давлением толкает кулачек 14 (т. к. пластину 12 сдвинуть невозможно) по стрелке "а", тем самым осуществляется вращение силового вала 15. . Одновременно кулачком 14 вытесняется горячий газ из силового контура "с", оставшийся там после предыдущего рабочего хода, в регенератор 26, ранее охлажденный проходом холодного газа, где отдает часть теплоты, и затем поступает в промежуточный контур "п". В момент перехода кулачка 14 через подвижные пластины (6, 12 или 17, фиг.1) – последние отжимаются кулачком за внутреннюю поверхность статора 16 и беспрепятственно пропускают кулачек 14 (подвижные пластины всегда прижаты пружинами 11, 19, 28 к поверхности кулачка 14 и ротора 13), при этом происходит отсекание газа и обеспечивается герметичность контуров. Далее процесс повторяется.
Выпуск горячего газа из контура "с" в канал 24 открыт постоянно.
Для осуществления двукратного действия (т.е. количества рабочих ходов за один оборот силового вала) требуется дооборудование ротора 13 дополнительным кулачком 9 (что улучшит балансировку ротора), и нагревателя 5 дополнительным входным каналом 2 с обратным клапаном 1 и впускным клапаном 7. При этом теплый газ из регенератора 26 под действием кулачков 14, 9 будет поочередно вталкиваться в каналы 2 или 3, т. к. если в одном из них будет происходить нагрев, то высокое давление не позволит втолкнуть в него порцию газа, поэтому газ войдет в канал, в котором уже упало давление. Каналы 2 и 3 соединены с впускным каналом 10, впуск горячего газа в который регулируется впускными клапанами 7, 8. Таким образом, увеличивая количество кулачков ротора и входных каналов кратность можно увеличить до разумной достаточности.
В описанном двигателе отсутствует осаждение продуктов сгорания или реакций на внутренней поверхности статора от рабочей среды, что позволит применить в нем роликовый ротор 13 (фиг.3), посаженный на кривошип 31 силового вала 15 и катящийся по внутренней поверхности статора 16.
Краткая история этого устройства. 
