Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Что такое двигатель стирлинга


Двигатель Стирлинга — Энциклопедия журнала "За рулем"

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

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5—7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».
Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с цилиндром диаметром 4,2 метра развивала меньше 100 л. е., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло.
Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами как только появились мощные, компактные и легкие бензомоторы и дизели. И вдруг, в 1960-е, спустя почти 80 лет о «стирлингах» и «эриксонах» (будем условно называть их так по аналогии с дизелем) заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Разговоры эти не утихают и поныне. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах?

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением.
Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28—30 и 32—35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон?
той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления.
Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми.
Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

Как работает Стирлинг

Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания:
1 — топливная форсунка;
2 — выпускной патрубок;
3 — элементы воздухоподогревателя;
4 — подогреватель воздуха;
5 — горячие газы;
6 — горячее пространство цилиндра;
7 — регенератор;
8 — цилиндр;
9 — ребра охладителя;
10 — холодное пространство;
11 — рабочий поршень;
12 — ромбический привод;
13 — шатун рабочего поршня;
14 — синхронизирующие шестерни;
15 — камера сгорания;
16 — трубки нагревателя;
17 — горячий воздух;
18 — поршень-вытеснитель;
19 — воздухоприемник;
20 — подвод охлаждающей воды;
21 — уплотнение;
22 — буферный объем;
23 — уплотнение;
24 — толкатель поршня-вытеснителя;
25 — толкатель рабочего поршня;
26 — ярмо рабочего поршня;
27 — палец ярма рабочего поршня;
28 — шатун поршня-вытеснителя;
29 — ярмо поршня-вытеснителя;
30 — коленчатые валы.
Красный фон - контур нагрева;
точечный фон — контур охлаждения

В современной конструкции «стирлинга», работающего на жидком топливе, — три контура, имеющих между собой лишь тепловой контакт. Это контур рабочего тела (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Главное назначение контура нагрева — поддерживать высокую температуру в верхней части рабочего контура. Контур охлаждения поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Сам контур рабочего тела замкнут.
Контур рабочего тела. В цилиндре 8 движутся два поршня — рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла ({на схеме показаны эти такты).
Такт I — охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II — сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III — нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV — расширение рабочего тела — рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева. Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения. Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

"Стирлинги" вместо ДВС

Первые же испытания, проведенные пол-века назад, показали, что «стирлинг» почти идеально бесшумен. У него нет карбюратора, форсунок с высоким давлением, системы зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре, хотя и повышается почти до 200 атм, но не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигателе не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания.
Говорят, что, даже приложив руку к двигателю, не всегда удается определить, работает он или нет. Эти качества автомобильного двигателя особенно важны, ибо в крупных городах остро стоит проблема снижения шума.
А вот другое качество — «всеядность». По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода «стирлинга». Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Он может работать на теплоте, запасенной в расплаве какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 литров окиси алюминия заменяет 1 литр бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить водителя, попавшего в беду. Она разрешит остро стоящую проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве.
А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур.
Вот только по стоимости и по весу «стирлинги» пока уступают двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходится 5 кг, что намного больше, чем у бензинового и дизельного моторов. Но не следует забывать, что это еще первые, не доведенные до высокой степени совершенства модели.
Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях "стирлинги" требуют меньших давлений. Это — важное достоинство. И если у них найдутся еще и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении. А вовсе не турбины.

"Стирлинг" от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой — расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см2, а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кГ/см2 и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час.
Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой — компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель — в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга»:
1 — рабочий цилиндр;
2 — рабочий поршень;
3 — подогреватель;
4 — регенератор;
5 — теплоизолирующая муфта;
6 — охладитель;
7 — компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом.
В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 — охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается — такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 — такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре 1, совершая работу, — такт расширения. При движении поршня 2 в цилиндре 1 вверх газ перекачивается через регенератор 4 и охладитель 6 в цилиндр 7 — такт охлаждения.
Такая схема «стирлинга» наиболее удобна для реверсирования. В объединенном корпусе подогревателя, регенератора и охладителя (об их устройстве речь пойдет позже) для этого сделаны заслонки. Если перевести их из одного крайнего положения в другое, то холодный цилиндр станет горячим, а горячий — холодным, и двигатель будет вращаться в обратную сторону.
Подогреватель представляет собой набор трубок из жаростойкой нержавеющей стали, по которым проходит рабочий газ. Трубки нагреваются пламенем горелки, приспособленной для сжигания различных жидких топлив. Тепло от нагретого газа запасается в регенераторе. Этот узел имеет большое значение для получения высокого КПД. Он выполнит свое назначение, если будет передавать примерно в три раза больше тепла, чем в подогревателе, и процесс займет меньше 0,001 секунды. Словом, это быстродействующий аккумулятор тепла, причем скорость теплопередачи между регенератором и газом составляет 30 000 градусов в секунду. Регенератор, КПД которого равен 0,98 единицы, состоит из цилиндрического корпуса, в котором последовательно расположены несколько шайб, изготовленных из проволочной путанки (диаметр проволоки 0,2 мм). Чтобы тепло от него не передавалось холодильнику, между этими агрегатами установлена теплоизолирующая муфта. И наконец, охладитель. Он выполнен в виде водяной рубашки на трубопроводе.
Мощность «стирлинга» регулируется изменением давления рабочего газа. Для этой цели двигатель оборудуется газовым баллоном и специальным компрессором.

Достоинства и недостатки

Чтобы оценить перспективы применения «стирлинга» на автомобилях, проанализируем его достоинства и недостатки. Начнем с одного из важнейших для теплового двигателя параметров, так называемого теоретического КПД Для «стирлинга» он определяется следующей формулой:

η = 1 - Тх/Тг

где η - КПД, Тх — температура «холодного» объема и Тг — температура «горячего» объема. Количественно этот параметр у «стирлинга» — 0,50. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический КПД соответственно равен 0,28; 0,30; 0,40.
Как двигатель внешнего сгорания. стирлинг» может работать на различных топливах: бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже на твердом. Такие характеристики топлива, как цетановое и октановое числа, зольность, температура выкипания при горении вне цилиндра двигателя, для «стирлинга» не имеют значения. Чтобы он работал на разных топливах, не требуется больших переделок — достаточно лишь заменить горелку.
Двигатель внешнего сгорания, в котором горение протекает стабильно с постоянным коэффициентом избытка воздуха, равным 1.3. выделяет значительно меньше, чем двигатель внутреннего сгорания, окиси углерода, углеводородов и окислов азота.
Малая шумность «стирлинга» объясняется низкой степенью сжатия (от 1,3 до 1,5). Давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в бензиновом или дизельном двигателе. Отсутствие колебаний столба газов в выпускном тракте определяет бесшумность выхлопа, что подтверждено испытаниями двигателя, разработанного фирмой «Филлипс» совместно с фирмой Ford для автобуса.
«Стирлинг» отличается малым расходом масла и высокой износостойкостью благодаря отсутствию в цилиндре активных веществ и относительно низкой температуре рабочего газа, а надежность его выше, чем у известных нам двигателей внутреннего сгорания, так как в нем нет и сложного газораспределительного механизма.
Важное преимущество «стирлинга» как автомобильного двигателя — повышенная приспособляемость к изменениям нагрузки. Она, например, на 50 процентов выше, чем у карбюраторного мотора, за счет чего можно уменьшить число ступеней в коробке передач. Однако совсем отказаться от сцепления и коробки передач, как в паровом автомобиле, нельзя.
Но почему же двигатель с такими очевидными достоинствами до сих пор не нашел практического применения? Причина проста — у него немало еще неустраненных недостатков. Главнейшие среди них — большая сложность в управлении и регулировке. Существуют и другие «рифы», которые не так просто обойти и конструкторам и производственникам.— в частности, поршням нужны очень эффективные уплотнения, которые должны выдерживать высокое давление (до 200 кГ/см2) и препятствовать попаданию масла в рабочую полость. Во всяком случае, 25-летняя работа фирмы «Филлипс» по доводке своего двигателя пока не смогла сделать его пригодным для массового применения на автомобилях. Немаловажное значение имеет характерная особенность «стирлинга» — необходимость отводить с охлаждающей водой большое количество тепла. В двигателях внутреннего сгорания значительная часть тепла выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшими газами. В «стерлинге» же в выхлоп уходит только 9 процентов тепла, получаемого при сгорании топлива. Если в бензиновом двигателе внутреннего сгорания с охлаждающей водой отводится от 20 до 25 процентов тепла, то в «стирлинге» — до 50 процентов. Это значит, что автомобиль с таким двигателем должен иметь радиатор примерно в 2—2.5 раза больше, чем у аналогичного бензинового мотора. Недостатком «стирлинга» является и его высокий удельный вес по сравнению с распространенным ДВС. Еще довольно существенный минус — трудность повышения быстроходности: уже при 3600 об/мин значительно возрастают гидравлические потери и ухудшается теплообмен. И наконец. «стирлинг» уступает обычному двигателю внутреннего сгорания в приемистости.
Работы по созданию и доводке автомобильных «стирлингов», в том числе для легковых машин, продолжаются. Можно считать, что в настоящее время принципиальные вопросы решены. Однако еще много дел по доводке. Применением легких сплавов можно понизить удельный вес двигателя, но он все равно будет выше. чем у мотора внутреннего сгорания, из-за более высокого давления рабочего газа. Вероятно, двигатель внешнего сгорания найдет применение в первую очередь на грузовых автомобилях, особенно военных — благодаря своей нетребовательности к топливу.

Как работают двигатели Стирлинга?

Реклама

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 10 апреля 2020 г.

Двигатели приводят в действие наш мир с Промышленная революция: сначала грязные угольные паровые машины, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя - то, что использует разницу между высокой температурой и низкой один - не изменился за пару сотен лет, хотя иногда люди все еще придумывают небольшие улучшения, которые сделать процесс немного быстрее или эффективнее.Один двигатель у тебя возможно, много слышал о недавно появившемся двигателе Стирлинга, который немного похож на паровой двигатель, который не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и перерабатывает один и тот же воздух или газ и снова, чтобы произвести полезную силу, которая может вести машину. объединился Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга звучат как передовые технологии, но на самом деле они были рядом с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования Возобновляемая энергия.На этом фото вы можете увидеть массив зеркал концентрируя солнечное тепло на двигатель Стирлинга, который вырабатывает электричество. Двигатель Стирлинга установлен на рычаге справа. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии США.

Что такое двигатель?

Двигатели, которые приводят в движение транспортные средства или заводские машины примеры того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще), чтобы выпустить тепловая энергия, которая используется для газ расширяется и охлаждается, нажимаем поршень, поверните колесо и ведите машину.Двигатели бывают двух основных типов: двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят топливо в одном месте и производить энергию в другой части та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сожгите топливо и включите питание в одном и том же месте (в автомобиле все это происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Обе типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляя газ расширяться, а затем остывать. Чем больше разница температур (между газом при чем горячее и холоднее), тем лучше работает двигатель.Теория о том, как двигатель работает на основе науки о термодинамике (буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются газ в серии шагов, называемых циклом.

Хорошие и плохие двигатели

Прежде чем мы сможем узнать, что хорошего в Двигатели Стирлинга помогают, если мы знаем, что в этом плохого Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает вода до кипения и приготовления пара. Пар идет по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где он толкает поршень и водит колесо.Входной клапан затем закрывается и выходной клапан открывается. Импульс колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный, нежелательный пар через выход и прочь вверх по дымовой трубе (дымоход).

Фото: паровые двигатели, такие как в этом локомотиве, являются примерами двигателей внешнего сгорания. Огонь, который обеспечивает энергию сгоранием (1), находится снаружи (вне) цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3).Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выталкивается из дымовой трубы (7), что делает его особенно неэффективным и неудобным способом питания движущейся машины. Но было хорошо в те дни, когда угля было много, и никто не заботился о том, чтобы повредить планету.

Есть много проблем с паром двигатели, но вот четыре из более очевидных.Во-первых, котел что делает пар работает при высоком давлении и есть риск чтобы он мог взорваться (взрывы котла были основные проблемы с очень ранним паром двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то расстояние от цилиндра, поэтому энергия теряется при получении тепла от один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще довольно горячий, поэтому он содержит потерянную энергию. В-четвертых, потому что пар выбрасывается из цилиндр каждый раз, когда поршень нажимает, двигатель должен потреблять огромные количество воды, а также топлива.(Вот почему паровозы имеют продолжать останавливаться у резервуаров для воды на стороне пути.)

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы разработать двигатель, который преодолевает эти проблемы? Предположим, мы избавились от котла (который решит риск взрыва) и использовать тепло от огня для питания двигатель напрямую. Затем вместо использования пара для перемещения тепловой энергии от огня до цилиндра, почему бы не поставить цилиндр ближе к огонь и использовать обычный воздух (или другой простой газ) для перемещения тепла энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда называются воздушными двигателями .) Если мы закроем этот воздух в закрытой трубе, то один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию от огня и выпуская его в цилиндр, мы решаем проблему двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет добавить какой-то теплообменник так, чтобы горячий воздух проходил обратно и далее, это энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в улучшить общую эффективность. Это основные способы, которыми двигатель Стирлинга улучшает паровой двигатель.Вы иногда увидите Двигатели Стирлинга, описанные как «замкнутый цикл, регенеративное тепло» двигатели ", который является очень кратким способом сказать то, что мы только что сказали: замкнутый цикл означает, что они используют запечатанный объем газа для возврата тепла и далее, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они использовать теплообменники, чтобы сохранить часть тепла, которое в противном случае быть потерянным на каждом цикле (бесполезно взорвать дымовую трубу, как в паровом двигателе).

просто или сложно?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты.Если это правда, то это так же, как великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности, но более богатый, более сложный и потенциально очень запутанный, пока вы действительно не поймете их. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube покажите, как легко «объяснить» их очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто создав его или наблюдая за работой извне: вам нужно серьезно подумать о цикле шагов, через которые он проходит, что происходит с газом внутри, и как это отличается из того, что происходит в обычном паровом двигателе.

В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала посмотрев на содержащиеся в нем части, затем подумав о том, что они делают, и, наконец, рассмотрев немного более сложную (термодинамическую) теорию.

Фото: маленькие компактные двигатели Стирлинга, подобные этому, могут работать от крошечных перепады тепла - даже если вы отдыхаете на чьих-то руках и убегаете от тепла, которое они содержат. Фото любезно предоставлено NASA Glenn Research Center.

Каковы основные части двигателя Стирлинга?

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как вытеснитель (или вытеснение) двигателя Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга).Это ключевые части:

Источник тепла

Источник тепла - это то, откуда двигатель получает всю свою энергию, а это может быть что угодно из угля. огонь в солнечное зеркало, концентрирующее тепло Солнца (как на нашей главной фотографии). Хотя двигатели Стирлинга описываются как двигатели внешнего сгорания, использовать сжигание (фактическое сжигание топлива) вообще: они просто нужна разница в температуре между источником тепла (откуда берется энергия) и радиатор (там, где он заканчивается).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга с теплом от чашки кофе, теплая ладонь чьей-то руки или даже (к удивлению многих людей) кубик льда: энергия, выделяемая двигателем, происходит от любой разницы в температуре между источником тепла и теплом тонуть. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на что-то вроде чашки кофе, просто потому, что в ней содержится сравнительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Работа: Основные детали двигателя вытеснителя Стирлинга.

Газ

Внутри машины в закрытом баллоне постоянно находится объем газа. Это может быть обычный воздух, водород, гелий или другое легкодоступное вещество, которое остается газом, так как он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющиеся серии операции это проходит). Его единственная цель - перемещать тепловую энергию. от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, который приводит в движение машину, и затем снова возвращаться к подбери еще.Газ, который перемещает тепло, иногда называют рабочей жидкостью.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом к источнику тепла. Это обычно какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который отводит отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что у всех них есть два поршня - это один из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей.В общем дизайне под названием двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, есть два одинаковых поршня и цилиндры и газовые шаттлы назад и далее между ними, нагрев и расширение, затем охлаждение и сжатие, прежде чем цикл повторяется.

В другой конструкции, показанной здесь, называемой вытесняющим (или бета) двигателем Стирлинга, есть один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен в зеленый цвет), задача которого - перемещать газ между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня в паровом двигателе, вытеснитель устанавливается очень свободно (с небольшим пространством между край поршня и стенка цилиндра), и газ течет вокруг него снаружи, когда он движется вперед и назад.Также есть рабочий поршень (темно-синего цвета), который плотно прилегает к цилиндру и превращает расширение газа в полезную работу, которая приводит в движение какой бы двигатель ни работал. В больших двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелый маховик прикреплен для наращивания импульс и поддерживать машину в рабочем состоянии. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся, но они не совпадают (одна четверть цикла или 90 ° против фазы) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда на четверть цикла (90 °) впереди рабочего поршня.

Теплообменник

Также известный как регенератор, теплообменник находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла, который регенератор держит на. Когда газ возвращается назад, он снова улавливает это тепло. Без регенератора это тепло будет потеряно в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга есть несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга?

Итого

Как паровой двигатель или двигатель автомобиля внутреннего сгорания, Стирлинг двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работа), повторяя серия основных операций, известных как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга типа вытеснителя. Это на самом деле довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит то, что газ внутри поочередно расширяется и сжимается, а между ними перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию от расширения газа, чтобы привести машину в действие двигателем, затем сжать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа поршня зеленого вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны баллона (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая в команде, два поршня гарантируют, что тепловая энергия многократно перемещается от источника к раковине и превращается в полезную механическую работу.

Подробнее

  1. Охлаждение и сжатие: большая часть газа (показана синим квадратом) находится справа на более холодном конце цилиндра.Когда он охлаждается и сжимается, отдавая часть тепла, которое отводится радиатором, оба поршня движутся внутрь (к центру).
  2. Перекачка и регенерация: поршень вытеснителя перемещается вправо, а охлажденный газ перемещается вокруг него в более горячую часть цилиндра слева. Объем газа остается постоянным, когда он проходит через регенератор (теплообменник), чтобы собрать часть тепла, которое он ранее откладывал.
  3. Нагрев и расширение: большая часть газа (показана красными квадратами) теперь находится слева в горячем конце цилиндра.Он нагревается огнем (или другим источником тепла), поэтому его давление повышается и расширяется, поглощая энергию. Когда газ расширяется, он толкает рабочий поршень вправо, который приводит в движение маховик и любой двигатель, который работает. В этой части цикла двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (и работает).
  4. Передача и охлаждение: поршень вытеснителя перемещается влево, а горячий газ перемещается вокруг него в более прохладную часть цилиндра справа. Объем газа остается постоянным, когда он проходит через регенератор (теплообменник), отдавая часть своей энергии на пути.Цикл завершен и готов к повторению.

Несмотря на то, что двигатель проходит цикл, заканчивая тем же, где и начал, это не симметричный процесс: энергия постоянно отводится от источника и откладывается в раковине. Это происходит потому, что горячий газ делает определенный Объем работы над рабочим поршнем при его расширении, но поршень выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая его на старт.

В теории

Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Почему все эти отдельные этапы? Почему бы не сделать все проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа). относятся к).Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:

  1. Изотермическое (постоянная температура) сжатие: наша ступень (1) выше, где объем газа уменьшается, а давление увеличивается, поскольку он отдает тепло в раковину.
  2. Изоволюметрический (постоянный объем) нагрев: наша ступень (2) выше, в которой объем газа остается постоянным, когда он проходит через регенератор и восстанавливает часть своего предыдущего тепла.
  3. Изотермическое (постоянная температура) расширение: наша ступень (3) выше, в которой газ поглощает энергию от источника, его объем увеличивается, а его давление уменьшается, а температура остается постоянной.
  4. Изоволюметрическое (постоянный объем) охлаждение: наша ступень (4) выше, в которой объем газа остается постоянным, поскольку он проходит через регенератор и охлаждается.

Настоящий двигатель Стирлинга работает через более сложную, менее идеальную версию этого цикла, которая выходит за рамки данной статьи. Достаточно просто отметить, что четыре стадии не жестко разделены, а смешиваются друг с другом. Если вам интересно, в статье из Википедии о цикле Стирлинга есть гораздо больше об этом.

Некоторые альтернативные анимации

  • В Википедии есть еще одна анимация двигателя Стирлинга бета-типа (хотя красиво нарисовано, трудно следовать, потому что человек этапы не объясняются рядом).
  • MIT также имеет хорошую небольшую анимацию, но сопутствующее объяснение довольно минимально.
  • Лучший из множества: отличная анимация и объяснение на Анимированные двигатели, превосходный веб-сайт с множеством понятных и понятных страниц обо всех видах других движков, которые стоит изучить. Мне нравится, что все двигатели нарисованы в одинаковом, простом стиле, так что вы можете легко сравнить их.

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

Фото: хотя инженеры пробовали приводить в движение автомобили с двигателями Стирлинга, эксперименты не были такими успешными.Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость, и это не справляется с остановкой и пуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс в этом направлении: будущие автомобили с большей вероятностью будут приводиться в действие электродвигателями или топливными элементами. Фото любезно предоставлено NASA Glenn Research Center.

Двигатели Стирлинга работают лучше всего на машинах, которые нуждаются производить энергию постоянно, используя разницу между чем-то жарко и холодноОни идеально подходят для солнечных электростанций, где солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и высокоэффективные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которые должны обеспечивать стабильные поставки электроэнергии. Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга используя их в качестве основы для компактного, домашнего электричества генератор под названием Beacon 10, примерно размер домашней стиральной машины.

В обычном двигателе Стирлинга вы помещаете тепло в горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора).Как только Электродвигатели могут быть использованы в качестве генераторов в обратном направлении, так что вы можете поставить энергии в двигатель Стирлинга и эффективно запустить его назад отводят тепло от радиатора и отводят его на источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криокулер» - очень эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в сверхпроводимость и электронное исследование.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за замкнутый цикл и регенеративный теплообменник).У них нет котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в запасах воды и не иметь сложную систему открытия и закрытия клапанов, которые пар Двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише, чем паровые машины, и, потому что они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей, которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов разные виды топлива.

С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это требуется время для прогрева важного теплообменника и маховика разогнаться до скорости), и они не так хорошо работают в режиме остановки и запуска (в отличие от внутреннего сгорания двигатели).Им также нужны большие радиаторы, которые могут отводить отработанное тепло, что делает их непригодными для некоторых приложений.

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

Artwork: Эта иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года) напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших чугунные «воздушные сосуды» слева горячие внизу и холодные вверху (источник тепла и радиатор) и поршни вытеснителя перемещаются вперед и назад внутри них.Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик. Произведение из истории и развития парового двигателя Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832, с667.

Неудивительно, что Стерлинг двигатели были изобретены шотландским священнослужителем по имени Роберт Стерлинг, в 1816 году. Он надеялся сделать двигатель более безопасным и более эффективнее, чем паровые двигатели, которые были разработаны около века назад Томасом Ньюкоменом (а затем улучшил Джеймсом Уаттом и др.) Подъем внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные двигатели) увидел Двигатели Стирлинга на обочине, хотя они были заново открыты Компания Philips в середине 20 века.Совсем недавно они стать популярным на солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии энергия, где их высокая эффективность ценится. Технология получил еще один импульс в 1980-х годах, когда Иво Колин из университета Загреба и Джеймс Сенфт из университета Висконсина разработали новый, очень компактный дизайн двигателя Стирлинга, который может производить мощность только с небольшими различиями между источник тепла и раковина.

Узнать больше

На этом сайте

статей

Книги

Двигатели Стирлинга
Термодинамика двигателя
  • Двигатели: Введение Джона Лиска Ламли.Издательство Кембриджского университета, 1999. Хотя основное внимание уделяется двигателям внутреннего сгорания, оно будет интересно, если вы ищете термодинамический подход к анализу двигателей.
  • "Термодинамика для чайников" Майка Паукена. Джон Вили и сыновья. Простое введение в теорию термодинамики и ее практическое применение в таких вещах, как двигатели.

Видео

  • Пример двигателя Стирлинга: 2-минутная демонстрация настоящего двигателя Стирлинга бета-типа, подобного приведенному выше в моей анимации.
  • Двигатель Стирлинга: разбирает один: Дэн Рохас разбирает двигатель Стирлинга и показывает вам различные детали внутри. Это видео имеет еще больше смысла, когда вы понимаете теорию двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты.

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным наказаниям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Следуйте за нами

Поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать об этом друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (Введите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте...

,

Что такое двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга - это тип двигателя, похожий на паровой двигатель, который преобразует тепловую энергию в полезную мощность. Он считается двигателем внешнего сгорания , в отличие от внутреннего сгорания, поскольку фактический процесс преобразования энергии происходит через стенку двигателя, а не внутри него. Он назван в честь шотландского изобретателя Роджера Стирлинга, который впервые разработал эту идею в 1816 году.

Женщина позирует

Стирлинг преследовал свою идею, намереваясь конкурировать с растущей паровой индустрией.Хотя двигатель Стирлинга похож на основные способы преобразования тепловой энергии в энергию, он использует и повторно использует определенное количество жидкости в постоянном газообразном состоянии. Это отличается от парового двигателя, который использует жидкость как в газообразном, так и в жидком виде.

Для работы двигателя Стирлинга требуется несколько основных компонентов.К ним относятся источник тепла, теплообменники и, в конечном итоге, теплоотвод. Источник тепла обычно является формой сгорания, и, поскольку - в конструкции Стирлинга - этот процесс отделен от преобразования в мощность, может использоваться широкий спектр топлива, что может привести к выходу из строя двигателя внутреннего сгорания. Альтернативные источники, включая ядерное, солнечное и биотопливо, могут быть использованы для выработки тепла, которое заставляет работать двигатели Стирлинга.

При наличии источника тепла двигатель Стирлинга может быть выполнен с возможностью преобразования энергии в энергию несколькими различными способами.Эти различия в основном сосредоточены на размещении поршней и цилиндров. Каждый отдельный дизайн Стирлинга отличается греческой буквой.

Хотите автоматически сэкономить время и деньги месяца? Пройдите 2-минутный тест, чтобы узнать, как начать экономить до 257 долларов в месяц.

Например, конструкция Alpha включает в себя два поршня в отдельных цилиндрах, которые движутся вперед и назад для выработки энергии.Альтернативно, в бета-версии размещены два поршня в одном цилиндре. Один поршень обеспечивает работу двигателя, в то время как другой ограничивается только подачей горячего газа к более холодному концу цилиндра. Гамма-конструкция похожа на бета-конструкцию, но проще с точки зрения механики, поскольку вырабатывающий энергию поршень размещен в отдельном цилиндре, чем циклический поршень.

Несмотря на преимущества двигателя Стирлинга, которые включают относительно высокую эффективность двигателя внутреннего сгорания, низкий уровень шума и широкое применение, в 1800-х годах изобретение в конечном итоге не смогло свергнуть паровые котлы в качестве промышленного источника энергии.Частые неудачи ранних проектов негативно повлияли на общественное мнение и дали дизайну Стирлинга репутацию ненадежного до конца 19-го века.

В течение середины и последних десятилетий 20-ого столетия возобновился интерес к дизайну двигателя Стирлинга. В конечном счете, прорыв был снова сорван, так как высокие производственные издержки не позволили массовой популярности упасть.На рубеже 21-го века и в результате роста цен на топливо использование конструкции Стирлинга в теплоэнергетических установках вновь вернуло двигатель внешнего сгорания из мертвых.

Комбинированные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) - это механические устройства, предназначенные для обеспечения как теплом, так и электроснабжением отдельного жилого дома или отдельного офиса.Основная идея заключается в том, что избыточное или отработанное тепло, вырабатываемое ТЭЦ для выработки электроэнергии для здания, также может быть использовано для его обогрева. Это представляет собой относительно эффективный и дешевый способ удовлетворения различных потребностей в энергии как в городских, так и в сельских районах, и снижает спрос на крупные энергоемкие электростанции. Учитывая свои уникальные преимущества, двигатель Стирлинга является популярным и все более распространенным выбором в качестве источника энергии для ТЭЦ.

,

современных применений двигателей Стирлинга

Современное Использование Двигателей Стирлинга

их практическое применение сегодня

Комбинированный теплоэлектростанционный двигатель производства Wudag в Германии. Двигатели Стирлинга зеленые, а топки синие.

Вы, вероятно, говорите что-то подобное себе: «Если двигатели Стирлинга такие крутые, что они используют сегодня?»

Сегодняшние виды применения двигателей Стирлинга варьируются от игрушек и дровяных вентиляторов до комбинированных теплоэлектростанций для предприятий и до самых тихих и смертоносных подводных лодок в море.

Итак, что используется в этой статье?

Эта страница содержит ТОЛЬКО доступные двигатели Стирлинга. Он не включает исследовательский проект или исторические двигатели Стирлинга.

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

Нажмите или нажмите на ссылку ниже, чтобы перейти к этому разделу:

  1. Игрушки
  2. Обучающие инструменты
  3. дровяных вентиляторов
  4. Комбинированные тепло и мощность
  5. Пример прохладной 3D-печати
  6. Подводная Лодка
  7. Кондиционирование и Охлаждение
  8. Криокулеры
  9. Благосостояние для ученых и инженеров
  10. инвестиционных мошенников
  11. Двигатели Стирлинга для легковых автомобилей - Никогда
  12. Генераторы солнечной энергии - эффективные и с завышенной ценой
  13. Атомные электростимуляторы Deep Space

игрушки

Игрушки двигателя Стирлинга могут быть очаровательными, и это было правдой с тех пор, как их изобрел Роберт Стерлинг.

До сих пор существуют старинные игрушки двигателей Стирлинга, которые были построены вскоре после того, как Роберт Стирлинг изобрел двигатель.

Старейший из существующих старинных двигателей Стирлинга

Античная игрушка модели двигателя Стирлинга, около 1910 года.

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

Мои личные фавориты с визуальной точки зрения - это те, которые просто содержат много движущихся частей.

Разностные игрушки низкой температуры

Я также большой поклонник низкотемпературных двигателей Стирлинга, которые могут работать как на чашке горячей воды, так и на руке.

Eco Power Двигатель Стирлинга

Цены начинаются с $ 30 и доходят до того, сколько вы хотите заплатить.

Обучающие инструменты

двигателей Стирлинга помогают безопасным образом вовлечь студентов

MM-7 Двигатель Стирлинга

Двигатели Стирлинга занимают особое место в университетских и школьных классах.

Это особенно верно для низкотемпературных двигателей Стирлинга, которые могут работать, не заполняя ваш класс парами угарного газа.

Есть что-то от вдохновляющего взгляда на двигатель, работающий на стакане горячей воды или на вашей руке. Эти двигатели заставляют студентов, изучающих науку и технику, глубже интересоваться и понимать все типы двигателей.

Физические и инженерные лаборатории особенно могут извлечь выгоду из оснащенного оборудованием лабораторного двигателя Стерлинга, который может работать без вытяжного шкафа и без риска утечки угарного газа.

фанатов дровяной печи

Одна из больших проблем, связанных с использованием дровяной печи для отопления дома, заключается в том, что возле печи обычно слишком жарко, а в других частях комнаты - слишком холодно.

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

Вот где горят дровяные вентиляторы двигателя Стирлинга. У нас есть подробная страница об античных и современных фанатах Стирлинга, которые вам могут понравиться.

Воздух без электричества

Вы можете купить дровяные вентиляторы, чтобы аккуратно перемещать воздух по комнате без электричества.

Просто установите вентилятор на дровяной печи, подождите, пока он нагреется, переверните лопасти вентилятора, и у вас будет вентилятор, который мягко и бесшумно перемещает воздух по комнате.

Не ожидайте, что это будет двигать воздух, как сильный электрический вентилятор. Но если у вас есть дровяная печь и вы читаете это, вам может понравиться использование вентилятора от двигателя Стирлинга, чтобы повысить температуру в вашей комнате.

комбинированных тепла и энергии

Комбинированный теплоэнергетический двигатель для дома, изготовленный Ökofen¹

Одна из проблем со всеми типами двигателей заключается в том, что они недостаточно эффективны.Каждый раз, когда у двигателя есть горячие газы, выходящие из выхлопной трубы, этот горячий поток выхлопных газов - это энергия, за которую вы заплатили, но не стали использовать.

Но что, если бы вы могли настроить двигатель так, чтобы вы делали две вещи, которые были ценны для вас одновременно? Например, вырабатывая электроэнергию, а также вырабатывая горячую воду для отопления вашего дома.

На сегодняшний день на рынке есть несколько компаний с продукцией, которая производит электричество, а также вырабатывает горячую воду для отопления домов и зданий или для бытовых или коммерческих нужд в горячей воде.

Вы можете прочитать о наших рекомендуемых двигателях комбинированного отопления и мощности.

Прохладный Пример 3D-печати

[фото 1]

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

Единственный вопрос заключался в том, сколько двигателя вы могли бы распечатать? Очевидно, что самым интересным и самым трудным делом будет напечатать весь движок без непечатных деталей.

Двигатели с частичной печатью

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

Они использовали шариковые подшипники для маховика и несколько металлических деталей вместе с очень гладким графитовым поршнем Airpot, работающим в стеклянном цилиндре.

В первых 3D-двигателях Стирлинга было много дорогих купленных компонентов.

Я знал, что было бы гораздо интереснее, если бы кто-нибудь смог найти способ напечатать весь двигатель.

Я также потратил много времени на разработку своих собственных 3D-печатных машин Стирлинга. Это было не легко.

Самый крутой пример 3D-печати Ever

Полностью 3D напечатанный двигатель Стирлинга, разработанный Доном Клукасом.

К счастью, Дон Клукас из Крайст-Черч, Новая Зеландия, понял, как напечатать весь двигатель Стирлинга без использования каких-либо купленных компонентов.

Дон ранее проектировал двигатель Стирлинга с комбинированным нагревом и мощностью Whispergen, поэтому он был опытным разработчиком двигателей Стирлинга, и выяснить, как напечатать весь двигатель Стирлинга без необходимости покупать дополнительные компоненты, было почти чудом.

Распечатать движок для каждого студента

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

Это гораздо интереснее, чем просто иметь несколько движков, на которые студенты могут смотреть.

Решение Доном проблемы печатающих поршней

Сложной частью печати всего двигателя 3D Стирлинга является поршень. Современные принтеры не позволяют печатать поршень малого диаметра достаточно точно, чтобы он работал.

Решением Дона было напечатать поршень, который работает как сильфон. На изображении выше поршень белый. Его веб-сайт называется Projects to Print, и здесь есть ссылка на нашу страницу со ссылками на движок Stirling.

Подводная Лодка

Подводная Лодка - Воздух Независимый Привод

ВМС США наняли шведские подводные лодки, созданные SAAB (ранее Kockums) для участия в военных играх. Их тихие подводные лодки, использующие двигатели Стирлинга, оказались «смертельными» в симуляции.

Двигатели Стирлинга превосходны в любых приложениях, где люди придают большое значение тишине.

Поскольку двигатели Стирлинга можно создавать практически бесшумно, они естественным образом подходят для питания подводных лодок.

Шведский строитель подводных лодок SAAB (ранее Kockums) добавил двигатель Стирлинга к своим подводным лодкам классов Готланд и Седерманланд.

Дизель + Аккумуляторы + Стирлинг

Двигатель Стирлинга SAAB использует для шведских подводных лодок класса Готланд.

На этих подводных лодках используется так называемая независимая от воздуха силовая установка, позволяющая им оставаться погруженными в полную боеспособность на срок до нескольких недель.

Это, по сути, дизель-электрические подводные лодки, которые могут просто продлить время своей работы (до двух недель) с помощью двигателя Стирлинга, заканчивающего батареи.

Двигатели Стирлинга также приводят в действие японскую подводную лодку класса Soryu и, по слухам, приводят в действие некоторые новые китайские подводные лодки2.

Кондиционер

Это не сразу очевидно, когда вы смотрите на двигатель Стирлинга, но каждый двигатель Стирлинга можно превратить в тепловой насос, подключив электродвигатель к выходному валу и запустив электродвигатель.

Конечно, разность низких температур Двигатели Стирлинга, которые были спроектированы для работы с небольшими перепадами температур, будут производить только небольшие перепады температур, когда они приводятся в движение двигателем.

Так что не пытайтесь делать это с двигателем Стирлинга с низкой разницей температур.

Попробуй двигать пламенный двигатель

Но если вы подключите электродвигатель к выходному валу любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на более высокие перепады температур, и запустите электродвигатель, одна сторона нагревается, а другая - охлаждается.

Вы можете сделать это даже с очень простыми моделями, так что попробуйте.

Двигатели Стирлинга могут быть использованы в качестве кондиционеров

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

Если вы хотите построить такой дом, который будет кондиционировать дом, вы будете конкурировать с устоявшейся технологией охлаждения в паровом цикле, которая была снижена в цене на протяжении многих поколений производителей.

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

Но двигатели Стирлинга кондиционеры и холодильники были построены.

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

Криокулеры

Криокулер производства Janis³, используемый в статическом обменном газе.

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

Подобные кулеры

были изначально разработаны в Phillips Electronics в 1950-х годах и продолжают продаваться и использоваться сегодня.

Если вам нужен один для вашего промышленного применения, они доступны.

Двухступенчатые охладители Стирлинга могут производить температуру примерно до 20 градусов Кельвина, которая является достаточно холодной, чтобы сжижать водород и неон.

Благосостояние для ученых и инженеров

В этом вопросе звучит так, будто я не серьезен, но на самом деле я такой.

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

В течение многих лет, когда я интересовался двигателями Стирлинга, я видел, как люди обращаются за государственными исследовательскими грантами и получают их для разработки двигателей Стирлинга.

Почему это проблема?

Проблема этого финансируемого правительством исследования заключается в том, что оно редко приводит к появлению новых продуктов для людей.Продукты часто проектируются с высокой эффективностью, сложностью и стоимостью, что делает их невозможными для производства и продажи на коммерческой основе.

Возьмем, к примеру, компанию Sunpower of Athens, штат Огайо.

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

Заказчик - следующий государственный исследовательский грант

Sunpower потратила столько лет на создание интересных продуктов, которые никогда не появлялись на рынке, поэтому я могу только предположить, что они действительно не собирались выпускать продукты на рынок.

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

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

Если вас интересует, почему исследовательские проекты часто не приводят к появлению новых продуктов, прочитайте мою страницу о том, почему двигатели Стирлинга не так популярны.

инвестиционных мошенников

Многие моторные компании Стирлинга пришли и ушли за эти годы.И технология, и рынки сложны, поэтому я полагаю, что чего-то из этого следует ожидать.

Но есть особый тип компаний, которые приходили и уходили, которые, кажется, никогда не имели намерения делать что-либо кроме сбора денег от инвесторов и выплаты высоких зарплат директорам.

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

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

Как они выглядят настоящими

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

Он продает мошенникам рассказ о том, что они собираются вывести его продукт на рынок с их превосходным маркетинговым опытом.

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

Цикл мошенничества и исчезновения, кажется, повторяется

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

Итак, мошенники, найдите другой технологический центр, где бы вы ни находились.

Очевидно, что нужны новые деньги инвестора, чтобы сделать правильный тип разработки двигателя Стирлинга, но компании с богатым маркетинговым персоналом и инженерным персоналом, вероятно, не являются теми, кто выводит на рынок новые продукты двигателя Стирлинга.

Почему двигатели Стирлинга в автомобилях маловероятны

Двигатели Стирлинга имеют смысл для многих применений, но питание автомобилей не является одним из них.

Почему?

  1. Они медленно начинают
  2. Сложно быстро изменить уровень мощности
  3. Они не ускоряются быстро
  4. Они тяжелее и дороже
Двигатели Стирлинга любят работать с постоянной скоростью

Двигатели Стирлинга не подходят тем, кто хочет быстро перейти от «0 до 60».

Они лучше на постоянной скорости, поэтому, если вам нужно ускориться, когда индикатор загорится зеленым, двигатели Стирлинга - не двигатель для вас.

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

гибридных транспортных средств

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

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

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

Генераторы солнечной энергии

Как насчет двигателей Стирлинга для солнечной энергетики?

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

Проблема с этим подходом состоит в том, что в инженерных программах для разработки этих двигателей обычно была высокая эффективность. Это означает, что будут использоваться дорогие жаропрочные сплавы, и к тому времени, когда двигатель заработает, как ожидается, станет слишком дорого конкурировать с солнечными элементами.

Concentrating Sunshine производит высокотемпературные двигатели, которые должны использовать дорогостоящие высокотемпературные металлы, и, хотя в этой области было проведено много исследований, на рынке сегодня нет коммерческих продуктов.

двигателей Стирлинга с ядерным двигателем глубокого космоса

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

Это было хорошо исследовано в так называемых генераторах радиоизотопов Стирлинга для использования в космических исследованиях.

Важно, когда спутники не близки к Солнцу

Легко представить, что солнечные элементы могут использоваться везде в космосе, но они не могут.

Поскольку спутник летит дальше от орбиты Земли вокруг Солнца, солнечной плотности просто недостаточно для питания электроники на спутнике, и вам нужен другой метод для получения энергии.

двигателей Стирлинга были разработаны для этого применения с использованием радиоактивного изотопа в качестве источника тепла, соединенного с двигателем Стирлинга.

больше энергии от того же плутония

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

Двигатели могут быть разработаны для работы четыре года без технического обслуживания.

Sunpower of Athens, Огайо, строит их для НАСА.

Прокомментируйте, пожалуйста, ниже

Спасибо за чтение этой страницы.

Пожалуйста, оставьте свои вопросы, комментарии или предложения ниже.

Обязательно ознакомьтесь с другими нашими страницами о двигателях «Сделай сам» Стирлинга.


CreditФото Кредит: Ökofen

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

³Фото Кредит: Янис

⁴Шрайбер, J.& Wong, W. (2007). Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга для космических исследований и полетов НАСА. Кливленд, Огайо: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Получено из: https://web.archive.org/web/20120929064709/http://www.grc.nasa.gov/WWW/TECB/RPS_ASRG_%20Handout.pdf

AdministrationНациональное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. (Апрель 2018 г.) NASA Центр исследований Гленна. Получено с https://tec.grc.nasa.gov/rps/stirling-research-lab/advanced-stirling-convertor/

.

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

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020