Автомобиль на основе двигателя Стирлинга. Машина стирлинга

Машина 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

Есть такой автомобиль на основе двигателя Стирлинга

В самый разгар лета на нас выливается буквально море тепловой энергии, причем совершенно бесплатно. Много ли мы знаем способов ее полезной утилизации, кроме фото-элементов и нагревателей воды? Сегодня на примере этой простой модели автомобиля мы хотим еще раз привлечь ваше внимание к механическому преобразователю с двухсотлетней историей на базе двигателя Стирлинга.

Эта машинка движется на основе солнечного тепла, а точнее, разности температур между нагретым верхом и более холодной нижней поверхностью. Наличие нагревателя и холодильника — это основа тепловых двигателей.

Чем жарче будет солнце, тем лучше! Однако нельзя забывать и об отводе излишков тепла, иначе со временем двигатель может перегреться, его эффективность снизится. Водяное охлаждение — самый простой и действенный способ при любом перегреве.

машина на основе Стирлинга

Как устроена эта модель автомобиля?

Многие уже догадались что это солнечный Стирлинг. Верхняя черная крышка нагревается, передает тепло воздуху внутри двигателя, и так далее. Об этом механизме и принципах работы этого двигателя читайте в других статьях на нашем сайте.

Самое интересное в этой схеме — бесконтактный привод вытеснителя непосредственно рабочим поршнем, что сильно упрощает конструкцию. Естественно, это происходит при помощи магнитной связи. Один небольшой магнитик приклеен по центру вытеснителя, а второй установлен в самом рабочим поршне. Они сориентированы на притяжение друг к другу. Еще один важный момент- вытеснитель обязательно должен быть подпружинен. Тогда при подходе к нему рабочего поршня он будет опускаться, а при удалении подниматься, что и обеспечит перемещение воздуха из горячей зоны в холодную и обратно в нужные моменты времени. Дальше дело за механикой мотора Стирлинга.

Рабочий поршень двигателя автомобиля

Стеклянный шприц в качестве цилиндра и графитовый поршень — идеальное сочетание, чтобы получить хорошую герметичность и минимальное трение. А качественно сделанный кривошипно-шатунный механизм поможет превратить максимум тепловой энергии в полезную работу. Чистая термомеханика и никакой электроники. Такая игрушка — отличная реклама альтернативной энергетике. Жаль только эти технологии у нас никто не развивает. Столько энергии пропадает зря.

izobreteniya.net

Тепловая машина Двигатель Стирлинга | АльтерСинтез

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.

Воздушная машина преподобного Стирлинга: К седьмому небу

19 сентября 1816 года, выдержав все положенные экзамены и испытательный срок, Роберт Стирлинг был назначен священником церкви Лэй-Кирк в Килмарноке (Шотландия). Но славу он заслужил вовсе не чтением проповедей.

Двигатель Стирлинга может стать прекрасным украшением письменного стола

Достаточно зажечь спиртовку, и он почти бесшумно, с легким шелестом, раскручивается до рабочих оборотов

Молодой пастор отличался незаурядным инженерным талантом. Во время учебы в университете Роберт работал над альтернативой паровой машине. Легенда гласит, что его целью было уменьшить риск для рабочих: паровые машины часто взрывались из-за низкого качества деталей. Через неделю после назначения в Килмарнок Роберт подал заявку на получение патента на «Устройство для экономии тепла». Именно оно послужило сердцем машины, прославившей имя Стирлинга.

Хотя сила пара была известна уже более ста лет, теория тепловых машин находилась в зачаточном состоянии. Лишь в 1824 году Сади Карно опубликовал свой знаменитый труд «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», где сделал два важных вывода: во‑первых, движущая сила машин возникает не из поглощенного тепла, а из перекачанного от горячего тела к холодному, а во-вторых, мощность машин растет с увеличением разницы температуры между горячим и холодным телами. Эти выводы в форме второго начала термодинамики оказали огромное влияние на конструкцию тепловых машин.

Но в 1818 году, когда вместе со своим другом Томасом Мортоном и младшим братом Джеймсом Стирлинг построил для откачки воды из каменоломни первую машину, работающую без пара (с воздухом в качестве рабочего тела), работ Карно еще не существовало. Тем не менее Стирлинг совершенно интуитивно построил двигатель фактически с максимально возможной термодинамической эффективностью! В отличие от цикла Карно, рабочий цикл машины Стирлинга состоит из двух изотерм (линий постоянной температуры) и двух изохор (линий постоянного объема). В координатах T-S (температура-энтропия) он выглядит вовсе не прямоугольным. Тогда каким же образом удается достичь теоретического максимума эффективности? Все дело в том самом запатентованном «Устройстве для экономии тепла», или, как его принято называть в современной технике, регенераторе.

Машина Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, в нем нет клапанов, а рабочее тело остается газообразным и циркулирует в замкнутом объеме. Он может работать при очень малой разнице температур от любого источника тепла — от газовых горелок до солнечных концентраторов и даже тепла рук (последнее любят демонстрировать преподаватели физики во время лекций по термодинамике). Конструкция машин проста, газ находится внутри под невысоким давлением, поэтому они более безопасны, чем паровые машины. При низких температурах двигатель Стирлинга даже более эффективен (в отличие от ДВС, двигателя внутреннего сгорания). И он почти бесшумен, что может быть критично в некоторых случаях (например, при движении субмарин в подводном состоянии).

Есть у этих двигателей и недостатки. Во‑первых, даже при достаточно большом теоретическом и практическом КПД для реализации большой мощности двигатель должен рассеивать большое количество тепла, а это приводит к увеличению размеров и появлению громоздких радиаторов охлаждения. Для увеличения мощности приходится увеличивать разницу температур и давление рабочего тела, а это усложняет конструкцию. В отличие от ДВС, он не может «стартовать» сразу — для начала работы ему необходимо достичь достаточной разницы температур между горячей и холодной частями. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей внешнего сгорания, а «стирлинг» стартует все же гораздо быстрее, чем, скажем, паровая машина. Мощность работающего двигателя Стирлинга весьма непросто оперативно изменить, разве что добавлением рабочего тела (такие решения существуют, но приводят к усложнению конструкции). Кстати, воздух далеко не самое эффективное рабочее тело. Водород благодаря своей высокой теплопроводности, теплоемкости и низкой вязкости гораздо более эффективен, но он имеет тенденцию просачиваться сквозь уплотнители и к тому же огнеопасен (также довольно часто в качестве рабочего тела используют гелий).

Таким образом, если нам не нужно часто запускать и останавливать машину, а также менять ее мощность и при этом у нас есть источник тепла, хорошее охлаждение и неограниченный размер — вряд ли существует что-то более подходящее, чем двигатель Стирлинга.

При жизни изобретателя двигатель не слишком успешно пытался конкурировать с паровыми машинами. Один из двигателей мощностью в полсотни лошадиных сил с КПД около 10% (что превышало аналогичный показатель паровых машин), построенный Робертом и его младшим братом Джеймсом, несколько лет проработал в литейном цехе в Данди в середине 1840-х. Затем горячий цилиндр лопнул: тогда не существовало жаропрочных сталей, поэтому создать надежные и долговечные детали машин из мягкого железа было проблематично. Впрочем, то же самое относилось и к паровым машинам. Возможно, поэтому Роберт Стирлинг в одном из своих писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера — процесса, который позволял получать не мягкое железо, а твердую и прочную сталь, делающую паровые машины значительно более безопасными. Стирлинг выражал надежду, что сталь даст новую жизнь и его «машинам на воздухе». Но увидеть этого он уже не успел — 6 июня 1878 года изобретатель умер в шотландском городке Галстон в Восточном Айршире.

В начале XX века на сцену вышли двигатели внутреннего сгорания, и машины Стирлинга, казалось бы, навсегда остались в истории. Однако в 1950-х к ним вновь возник интерес благодаря голландской компании Philips, создавшей на базе конструкции Стирлинга эффективную криогенную машину (двигатель Стирлинга может работать как тепловой насос, преобразовывая механическую работу и перекачивая тепло от одного тела к другому). Сейчас и двигатели, и холодильные машины Стирлинга, реализованные на современном уровне, выпускаются многими крупными компаниями. Они позволяют использовать любое топливо (и вообще любые источники тепла) и при этом более эффективны (КПД может достигать почти 40−45%) и значительно более экологичны, тихи и надежны, чем ДВС.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№3, Март 2007).

www.popmech.ru

Машина Стирлинга — с русского

См. также в других словарях:

Машина Стирлинга — Роберт Стирлинг Двигатель Стирлинга тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например солнечных лучей. Относится к двигателям внешнего сгорания. Содержание 1 История 2 Описание … Википедия
Цикл Стирлинга — Термодинамические циклы … Википедия
Двигатель Стирлинга — Двигатель Стирлинга … Википедия
Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина любой двигатель внешнего сгорания … Википедия
Асинхронная машина — Статор и ротор асинхронной машины 0.75 кВт, 1420 об/мин, 50 Гц, 230 400 В, 3.4 2.0 A Асинхронная машина это электрическая машина переменного тока … Википедия
Синхронная машина — … Википедия
ДВИГАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ — машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых… … Энциклопедия Кольера
Двигатель Стрерлинга — Роберт Стирлинг Двигатель Стирлинга тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например солнечных лучей. Относится к двигателям внешнего сгорания. Содержание 1 История 2 Описание … Википедия
Коллектор — (Collector) Определение коллектора, виды коллекторов, примененеие Информация об определении коллектора, виды коллекторов, примененеие Содержание Содержание Определение В технике Финансовое Прочее канализационный Коллектор (электротехника)… … Энциклопедия инвестора
Двигатель — У этого термина существуют и другие значения, см. Двигатель (значения). Двигатель, мотор (от лат. motor приводящий в движение) устройство, преобразующее какой либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века… … Википедия
Стирлинг, Роберт — Роберт Стирлинг Robert Stirling Дата рождения: 25 октября 1790(1790 10 25 … Википедия

translate.academic.ru

StudyPort.Ru - Двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга

Содержание.

1. Введение 2

2. Принцип работы и устройство 5

3. Перспективы использования 8

4. Заключение 14

5. Список литературы 15

6. Приложения 18

Введение

Машина “Экономайзер” (economiser), созданная Робертом Стирлингом и названная им так была запатентован 21 сентября 1816 года в Эдинбурге, столице Шотландии. В обыденной жизни Роберт Стирлинг был священником шотландской церкви и продолжал вести службы, хотя ему к этому времени исполнилось восемьдесят шесть лет. В свободное время в своей домашней мастерской он конструировал тепловые машины. Одну из его работавших моделей позднее использовал лорд Кельвин для своих университетских лекций.

Один из первых двигателей Стирлинга

Двигатель Стирлинга в то время считался надежной паровая машиной, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.

Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной. Его теоретическая эффективность практически равна максимальной эффективности тепловых машин (эффективность цикла Карно ). Он функционирует за счет теплового расширения газа. Затем следует охлаждения газа, после чего – сжатие. Двигатель Стирлинга включает в себя некоторый постоянный объем рабочего газа. Он перемещается между "холодной" частью (обычно комнатной температуры) и "горячей" частью. “Горячая” часть обычно разогревается за счет сжигания любого вида топлива, атомным реактором или за счет солнечного тепла. Двигатель Стирлинга считается двигателем внешнего сгорания, поскольку нагрев производится снаружи, а не изнутри.

С момента изобретения было разработано большое количество различных разновидностей двигателей Стирлинга с целью повышения мощности и эффективности. Тем не менее, они уступали по удельной мощности двигателям Отто и Дизеля. Двигатель Отто, изобретенный в 1877 году и двигатель Дизеля, изобретенный в 1893 имели более высокую удельную мощность, чем двигатели Стирлинга того времени. Это привело к постепенному вытеснению двигателя Стирлинга из промышленности. Они еще широко применялись в начале нашего века на фермах и шахтах - в основном для приведение в действие различных насосов и других применений, где не требуется высокая удельная мощность, а основными критериями являются надежность и экономичность. Но к 1940 году их выпуск был прекращен.

В 1850 простая и элегантная динамика двигателя Стирлинга была впервые теоретически описана профессором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизительно через сто лет термин "Двигатель Стирлинга" был использован Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для обозначения всех типов регенеративных паровых машин замкнутого цикла.

Демонстрационная модель двигателя Стирлинга

Двигатели Стирлинга довольно долгое время использовались лишь как игрушки и учебные пособия в школах и университетах при изучении термодинамики. Но в последние годы интерес к двигателю Стирлинга быстро возрастает. На двигателе Стирлинга стали осуществлять промышленный выпуск домашних электрогенераторов (см. приложение 1). Национальным Аэрокосмическим Агентством США (NASA) были проведены сравнительные оценки различных типов тепловых машин для использования в космической аппаратуре ( см. приложение 2 ). Благодаря своему высокому кпд и надежности двигатель Стирлинга был признан наиболее перспективным. Выпускаются холодильные установки, работающие на обратном цикле Стирлинга - как промышленные, позволяющие получать температуру до -2400 С ( см. приложение 3 ), так и предназначенные для использования в бытовых холодильниках. В последнем случае их преимущества перед традиционными системами обусловлены тем, что в качестве хладогента в них может быть использован обычный воздух.

Таким образом, можно сказать, что история двигателя Стирлинга далеко не закончена. Его развитие входит в новый многообещающий этап. Двигатель Стирлинга является тепловой машиной замкнутого цикла. Его работа основана на расширении газа, используемого как рабочее тело, при повышении температуры. На следующем рисунке приведены диаграммы для идеального цикла Стирлинга в координатах давление-обьем P-V и температура-энтропия T-S и иллюстрации соответствующих процессов.

Точки, разделяющие этапы работы двигателя обозначены цифрами на диаграммах. На первом этапе (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Далее, на следующем этапе (2-3) - охлаждение при постоянном объеме. Далее (этап 3-4) - изотермическое сжатие охлажденного газа. И наконец на этапе 4-1 разогрев при постоянном объеме. Полезная работа производится газом только на первом этапе. Все остальные происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).

Существуют два основных типа двигателей Стирлинга, отличающихся устройством цилиндров. В первом - так называемом двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) используются раздельные цилиндры для нагревания и охлаждения рабочего газа.

Двухцилиндровый двигатель Стирлинга

На этом рисунке верхняя часть горячего цилиндра с поршнем (hot piston) постоянно разогревается внешним источником тепла, в то время, как верхняя часть холодного цилиндра с поршнем (cold piston) постоянно охлаждается. Следует обратить внимание, что поршни закреплены на коленчатом валу (crank shaft) так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как горячий поршень достигает верхнего положения, холодный находится в среднем положении, двигаясь вверх. Этот момент сооответствует этапу 2-3 на предыдущем рисунке - охлаждению при постоянном объеме. Затем холодный поршень поднимается вверх, сжимая охлажденный газ при постоянной температуре - этап 3-4. Когда холодный поршень вытесняет охлаженный и сжатый газ в горячий цилиндр, тот разогревается при постоянном объеме - этап 4-1. И наконец, горячий газ расширяется, толкая поршень в горячем цилиндре вниз - этап 1-2. На последнем этапе выделяется мощность, часть которой запасается вращающимся колесом (flywheel).

В другой конструкции - двигателе Стирлинга поршневого типа (Displacer type Stirling engine) - используется один цилиндр, одна сторона которого (верхняя на приведенном ниже рисунке) постоянно охлаждается, а другая - постоянно нагревается. Поршень-дисплейсер (displacer), разделяющий холодную и горячую части цилиндра, неплотно прилегает к стенкам цилиндра, что позволяет газу перемещаться между ними. В этой конструкции поршни так же закреплены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов. Двигатель работаетпо тому же принципу, что и предыдущая конструкция.

Двигатель Стирлинга поршневого типа

И в той, и в другой конструкции тепловая энергия нагревателя преобразуется в механическую энергию вращения вала. Однако, возможно использование и обратного цикла Стирлинга - если за счет внешнего двигателя вращать вал в этих машинах, рабочий газ будет двигаться по тому же циклу. При этом "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. То есть двигатель Стирлинга в этом случае будет работать как тепловой насос, т.е. холодильная машина. Рабочим телом в нем может служить любой газ, в том числе и атмосферный воздух.

Перспективы применения

Двигатель Стирлинга с успехом может применяться в некоторых новых “экологических нишах”, благодаря развитию науки и техники. На приведенных ниже рисунках показаны. некоторые из них.

Перспективные применения двигателя Стирлинга.

Пример солнечной энергетической установки (solar power system) показан на первом рисунке. Эффективность его использования в данных системах обусловлена простотой и надежностью конструкции двигателя Стирлинга, а также высоким к.п.д. В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире трудно переоценить.

Тепловой насос Вуллемейера схематически изображен на втором рисунке (Vuillemeier Heat Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Стирлинга, т.е. если, например, приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например, окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на "перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффективнее. Для идеального случая к.п.д.такой системы может быть посчитан как

здесь

Тс - абсолютная температура холодной части

Тh - абсолютная температура горячей части

Поскольку даже в сильные морозы Тс редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Тh на уровне 300 градусов Кельвина ( 270 ) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То есть, затратив 1 кВт.ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.

На следующем рисунке изображен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler), работающий по тому же принципу теплового насоса, но используется в качестве холодильной установки для получения очень низких температур.

Двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной лодке показан на последнем рисунке. Высокий к.п.д. и надежность делают его идеальным кандидатом для преобразования тепловой энергии, вырабатываемой атомным реактором, в механическую, так как в этом случае вес и габариты двигателя не играют большой роли. Двигатель Стирлинга может быть размещен в изолированной части корпуса что особенно существенно в случае затрудненного доступа. Кроме того, он практически не нуждается в уходе и настройке (как в случае подводных лодок или космических аппаратов).

Так, специалистами NASA ( Национального Аэрокосмического Агентства США) были проделаны предварительные проработки проекта создания обитаемой базы на Луне ( см. приложение 2 ). Проектом предусматривается постепенное, "эволюционное" строительство базы - начиная с маленького обитаемого модуля и до большой производственой базы с полной обработкой полезных ископаемых. В качестве основного источника энергии для работы в условиях лунной поверхности был выбран атомный реактор SP-100 с тепловой мощностью 2500 кВт и 8 электрических генераторов, работающих от двигателей Стирлинга. Два из них предполагалось держать в резерве для обеспечения требуемого уровня резервирования мощности, а остальные планировалось использовать на 91.7 процентов от их номинальной электрической мощности (150 кВт). Таким образом, полная проектная электрическая мощность составляет 825 кВт. В качестве дополнительного источника на первом этапе строительства предусмотрено использование наращиваемых солнечных батарей. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и теплового подсоединения двигателей Стирлинга, систем отвода тепла и распределения мощности.

Описанный лунный проект демонстрирует потенциальные применения двигателей Стирлинга в будущем.

В настоящее время начался выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга . В приведенном рекламном материале описан совмещенный нагреватель-электрогенератор WG800 мошностью 800 Вт на двигателе Стирлинга. Прибор универсальный, предназначен для использования как в домашних условиях, так и под открытым небом. Его преимущества - высокая надежность и автономность (5000 часов работы до первого технического обслуживания), низкий уровень шума - горючее сгорает непрерывно, в отличие от двигателей внутреннего сгорания, где оно поступает в цилиндр порциями и там взрывается. В качестве топлива может использоваться природный газ, все виды жидкого топлива, уголь и даже дроваВсе это делает его чрезвычайно удобным для использования в удаленных от электосетей. На рынке доступны так же более мощные, 3 кВт, модели прибора.

Другой пример современного использования приборов, основанных на цикле Стирлинга - криокулеры. В широких масштабах их начали производить около десяти лет назад - преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось устанавливать высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка -2000 С датчики и приемники. Для их охлаждения и были разработаны криокулеры на основе обратного цикла Стирлинга. Ниже приводится краткое описание одного из отечественных криокулеров, которые в связи с конверсией поступили на открытый рынок.

Современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к пределу, обусловленному физическими законами. Дальнейшее повышение характеристик требует применения охлаждающих устройств до температур порядка -1000 -2000С элементам. На последних конференциях по электронике (ISEC-97, EUCAS-97) активно обсуждаются различные способы охлаждения аппаратуры. На сегодняшний день наиболее перспективным признано использование криокулеров на цикле Стирлинга. Доступные в настоящее время, выпускаемые мелкими сериями модели маломощных криокулеров стоят порядка 10-15 тысяч долларов. При переходе к крупносерийному производству ожидается, что их цены упадут в несколько раз, что сделает коммерчески выгодным использование охлаждаемых элементов сначала в наиболее ответственных системах - таких, как файл-серверы, и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах. Таким образом, можно ожидать, что к середине следующего века, по мере распространения домашних компьютеров, двигатель Стирлинга придет практически в каждый дом.

Заключение

Двигатель Стирлинга после своего изобретения в 1816 году пережил первый период своего широкого распространения - в конце прошлого - начале нашего века, после чего был практически забыт. Но в последние годы начался новый период его распространения, он вновь привлекает к себе повышенный интерес в самых разных областях использования. В настоящее время быстро расширяется использование криокулеров на основе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от двигателей Стирлинга. Его преимуществами являются надежность, высокий к.п.д., возможность использования экологически чистых источников энергии, неприхотливость. Все это в будущем позволяет рассчитывать на широкое распространение двигателя Стирлинга.

Литература.

1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press

2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press

3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon

4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.

5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press

6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.

7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.

8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant--Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.

9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.

10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.

11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.

12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.

13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.

14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J., vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.

15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.

16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.

17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989

studyport.ru

Двигатели Стирлинга

Машина, работающая по циклу Стирлинга, представляет собой устройство с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, в котором циклические процессы сжатия и расширения осуществляются при различных уровнях температуры, а управление потоком рабочего тела происходит путем изменения его объема; на этом принципе основано превращение теплоты в работу или наоборот.

Существуют машины, работающие по открытому регенеративному циклу, где управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Точнее, такие машины работают по циклу Эриксона, но на практике различие между ними не слишком существенно и ввиду этого определение «машина Стирлинга» часто относится ко всем без исключения типам регенеративных машин. Это — обобщенное название большого семейства машин с самыми разнообразными функциями, характеристиками и конструкциями. В это семейство входят как ротационные, так и поршневые машины, в конструкции которых используются механизмы различной сложности. Все эти машины способны работать как двигатели, тепловые насосы, генераторы давления и холодильные установки.

Разные названия двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга часто имеют и другие названия, как, например, тепловые воздушные или тепловые газовые двигатели; присваивают им и специфические названия: двигатели Хейнричи (Heinrici), Робинсона (Robinson) или Ренкина — Напира (Ren- kine — Napier). В результате это приводит к нечеткости терминологии. Можно убедительно показать, что выражение «цикл Стирлинга» применимо только для идеального термодинамического цикла а название «двигатель Стирлинга» — для определенной разновидности машины, которая, кстати сказать, не работает по циклу Стирлинга — положение, не проясняющее данный вопрос. С точки зрения принципа действия рассматриваемого двигателя наиболее

правильным было бы название «тепловая регенеративная машина», но вводить в настоящее время этот термин слишком поздно; поэтому в дальнейшем во всех случаях по-прежнему будет широко использоваться название «двигатель Стирлинга». Четкое различие всегда можно сделать лишь между теми машинами, в которых управление потоком рабочего тела осуществляют либо путем изменения его объема (двигатели Стирлинга), либо с помощью клапанов (двигатели Эриксона). Сделать это можно на том основании, что они имеют совершенно различные характеристики.

История двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга и Эриксона имеют длинную историю, которая была детально изучена Финкелынтейном (1959 г.)

Машины конца XVIII в. можно считать первенцами тепловых воздушных двигателей, но их основное развитие относится к началу XIX в. Первым работающим двигателем такого типа был, вероятно, тепловой воздушный двигатель открытого цикла, построенный Георгом Кайлеем (George Cayley) в 1807 г. Приблизительно в 1816 г. Робертом Стерлингом (Robert Stirling), священником из Шотландии, был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу. Позднее, шведский изобретатель Джон Эриксон (John Ericsson), работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с современными паровыми машинами. Мощность этих двигателей была небольшая — от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. е.), но строились также и более мощные. Возможно, что наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об/мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. е.). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в нью- йоркском порту.

Приблизительно в середине XIX в. был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретеннным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлинга, и к 1914 г. онй уже практически не применялись. Однако производство двигателей Стирлинга специального назначения, как, например, двигателей, работавших на керосине и служащих приводом для вентиляторов, которые использовались в тропических странах, продолжалось в Англии по крайней мере до 1946 г., а модели этих двигателей выпускаются до сих пор.

ctirling.ru