Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Двигатель стирлинга как работает


Двигатель Стирлинга – принцип работы. Низкотемпературный двигатель Стирлинга (фото)

Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована тепловая машина, названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Двигатель внешнего сгорания

Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.

Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.

Двигатели внешнего сгорания от Philips

Подобные моторы бывают следующих типов:

  • паровой;
  • паротурбинный;
  • Стирлинга.

Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.

Принцип работы

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления – в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой – расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой – высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз – возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор – полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

  • КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов.
  • В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации.
  • В Стирлингах нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны.
  • В них не бывает того эффекта, когда говорят, что «двигатель заглох».
  • Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени.
  • Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива.
  • Сгорание происходит вне мотора.

Недостатки

  • Главным минусом конструкции является ее материалоемкость.
  • Рабочее тело нужно охлаждать, из-за чего габариты существенно увеличиваются.
  • Для получения равных с ДВС характеристик необходимо использовать высокое давление.
  • К рабочему телу тепло подводят через стенки теплообменников, у которых ограниченная теплопроводность.
  • Чтобы изменить мощность двигателя, изменяют объем буферной емкости, среднее давление рабочего тела, фазного угла между вытеснителем и поршнем.

Применение

В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на легковых автомобилях.

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Будущее

Явные преимущества, которые имеет поршневой и роторный двигатель Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания. Однако с учетом того, что ДВС на протяжении всего времени совершенствовали, он не может быть легко смещен. Так или иначе, именно такой двигатель сегодня занимает лидирующие позиции, и сдавать их в ближайшее время не намерен.

Как создать свой собственный двигатель Стирлинга, планы и комплекты • Diy Stirling Engine

☰ Меню

Основы двигателя Стирлинга

Как сделать DIY планы двигателей Стирлинга, основы цикла тепловых двигателей и много примеров домашнего изготовления.

Эта информация поможет вам принять правильное решение при выборе проекта двигателя Стирлинга своими руками. Кроме того, чтобы помочь вам понять различные типы двигателей Стирлинга и как они работают.

Image By Arsdell (собственная работа) [GFDL или CC-BY-SA-3.0-2.5-2.0-1.0], через Wikimedia Commons

Что такое двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга - это тепловой двигатель с замкнутым циклом. Как правило, он полностью изолирован от внешней среды и работает на расширение и сжатие газа (обычно воздуха), заключенного в герметичный двигатель. Топливо не движется через двигатель, как в обычном двигателе внутреннего сгорания. Это означает, что нет впуска или выпуска.

Одна сторона двигателя нагревается, а другая - охлаждается. Это заставляет газ проходить циклы расширения и сжатия. Это означает, что он может производить движение путем преобразования тепловой энергии непосредственно в кинетическую энергию или механическую работу.

Внешний вид двигателя показывает только его движущиеся части, источник тепла и источник охлаждения. Помните, что топливо не проходит через двигатель, потому что оно полностью герметично снаружи.

Существует много типов двигателей Стирлинга.Есть двигатели высокого давления, которые используются в промышленности. Есть восстановленные двигатели низкого давления, которые используются для показа. Существуют настольные модели двигателей, созданные любителями и студентами.

Вы можете найти модели или комплекты для почти всех конфигураций двигателей Стирлинга, включая двигатели LTD (низкотемпературный дифференциал). LTD может работать на высокой температуре ладони.

Топливо, которое используется

Stirling традиционно классифицируется как двигатель внешнего сгорания.Хотя при правильном применении любой источник тепла будет работать на двигатель Стирлинга. Это означает, что источник тепла не ограничен только сгоранием.

Вот список некоторых возможных используемых источников тепла:

  • Солнечная энергия
  • Геотермальная энергия
  • Атомная энергия
  • Уголь
  • Бензин
  • Алкоголь
  • Природный газ
  • пропан
  • Древесина
  • Все, что сгорит

Различные типы тепловых двигателей

Английский Википедия пользователя Andrew.Эйнсворт [GFDL или CC-BY-SA-3.0], через Wikimedia Commons

Тепловые двигатели обычно принимаются в качестве двигателей Стирлинга. Они названы в честь Роберта Стирлинга, который был изобретателем, который создал первый практический и пригодный к использованию тепловой двигатель в 1816 году. Однако существует много типов тепловых двигателей или двигателей внешнего сгорания, разработанных многими другими изобретателями. Некоторые из них используют пар в качестве газообразного рабочего тела. Другие используют воду под высоким давлением, ограниченную таким образом, чтобы она не переходила в пар.

имен для поиска

  • Robinson двигатель горячего воздуха
  • Двигатель Heinrici с горячим воздухом
  • двигатель Ericsson
  • Malone двигатель
  • двигатель цикла Ренкина

Понимание основных операций

YK Times в en.wikipedia [GFDL, CC-BY-SA-3.0 или CC-BY-2.5], из Wikimedia Commons

Многие двигатели Стирлинга имеют внутри себя давление газа, которое почти равно атмосферному давлению снаружи.Существует фиксированная масса газа, обычно воздуха, гелия или водорода. Когда вы нагреваете двигатель снаружи, газ расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда вы охлаждаете его, газ сжимается, и поршень возвращается наружным атмосферным давлением. Это преобразует тепловую энергию в механическую энергию или работу.

Но нагревать весь двигатель и охлаждать его неэффективно. Потому что для этого потребуется, чтобы источник нагрева и охлаждения снова и снова входил и выходил из положения.Таким образом, должен быть способ нагревать и охлаждать двигатель одновременно. Это делается путем перемещения или циркуляции газа внутри двигателя от горячей стороны к холодной стороне.

Вытеснитель механически перемещает газ между нагретым местом и охлажденным местом. В качестве вытеснителя используется легкий поршень, который не соприкасается с внутренней частью двигателя Стирлинга. Газ может двигаться вдоль стороны вытеснителя. Он движется вперед и назад, занимая пространство внутри двигателя, вытесняя газ из стороны в сторону.

Когда вытеснитель находится на холодной стороне, газ выталкивается на горячую сторону и расширяется. Когда вытеснитель находится на горячей стороне, газ выталкивается на холодную сторону, и он сжимается. Это упрощенное объяснение цикла Стирлинга, который является типом термодинамического цикла. Это циклическое действие должно быть правильно рассчитано. Это может быть механически рассчитано по-разному. Вот почему существует так много типов и конфигураций тепловых двигателей.

типов двигателей Стирлинга

  • Альфа-двигатель Стирлинга
  • Beta двигатель Стирлинга
  • Гамма двигатель Стирлинга
  • Свободнопоршневой двигатель Стирлинга
  • Роторно-поршневой двигатель Стирлинга
  • Разница при низких температурах двигателя

Отличное видео, объясняющее некоторые принципы работы двигателя Гамма Стирлинга

Детали теплового двигателя

Вот краткое описание деталей двигателя Стирлинга.Чтобы помочь вам лучше понять, что входит в самодельный двигатель Стирлинга.

Горячий теплообменник

Это горячая сторона двигателя, с которой контактирует внешний источник тепла. Обычно это наружная стенка камеры расширения и сжатия. Это также точка контакта для охлажденного газа. Иногда, чтобы собрать как можно больше тепла, площадь поверхности увеличивается с помощью внутренних и / или внешних ребер. Это работает как радиатор.

Холодный теплообменник

Это часть двигателя, с которой контактирует нагретый газ.Он обменивается теплом газа с наружным воздухом или охлаждающей жидкостью. Он также может иметь плавники, чтобы повысить эффективность. В зависимости от конфигурации двигателя теплообменник холодной стороны может находиться на противоположном конце того же цилиндра, что и теплообменник горячей стороны, или в другой части двигателя.

Регенератор

Расположение регенератора зависит от конфигурации двигателя. Обычно регенератор представляет собой внутренний теплообменник, который временно накапливает тепло, которое в противном случае было бы потеряно между горячим и холодным теплообменниками.Иногда вытеснитель сделан из материалов, которые позволят ему также действовать как регенератор. Регенераторы внедрены в попытке повысить эффективность.

Displacer

Это часть двигателя, которая перемещает или вытесняет газ (рабочую жидкость) из горячего теплообменника в холодный теплообменник.

Радиатор

Обычно используется на стороне охлаждения, это может быть просто, если внешняя стенка двигателя соприкасается с температурой окружающего воздуха.Хотя добавление плавников более эффективно. Также можно добавить радиатор для воды или охлаждающей жидкости.

Маховик

По отношению к двигателю маховик представляет собой большое тяжелое колесо. Он механически связан с поршнем (поршнями) двигателя. Его задача - увеличить импульс машины и помочь пройти цикл Стирлинга до конца. Большинство тепловых двигателей используют маховик.

Поршень

Поршень обычно такой же, как и любой другой поршень, который скользит внутри цилиндра.Хотя есть некоторые конструкции двигателей Стирлинга, которые используют гибкую мембрану в качестве силового поршня. Поршень выталкивается, когда рабочая жидкость (газ) расширяется настолько, чтобы превышать атмосферное давление снаружи. Этому действию часто помогают вместе с использованием маховика.

Видео самодельного двигателя Стирлинга DIY

Конфигурации

Альфа Стерлинг

Альфа-Стирлинг имеет два силовых поршня, отдельные теплообменники горячего и холодного охлаждения, регенератор и маховик.Теплообменник с горячей стороны содержит поршень, а теплообменник с холодной стороны - поршень. Обычно никакой вытеснитель не используется. Обычно между двумя поршнями существует большая разница температур. Это означает более высокую эффективность и больше энергии, превращаемой в работу. Альфа-Стирлинг обычно предлагает более высокое отношение мощности к весу и более быстрое вращение в минуту.

Бета Стирлинг

Бета Стирлинг имеет один силовой поршень и вытеснитель, которые имеют один и тот же цилиндр.Горячие и холодные теплообменники также имеют общий цилиндр. Нагревается на одном конце и охлаждается на другом конце. Силовой поршень и вытеснитель часто соединены маховиком.

Гамма Стирлинг

Гамма-стерлинг является разновидностью бета-стерлинга. Он имеет два цилиндра, один для силового поршня и один для вытеснителя. Цилиндр силового поршня расположен вдоль стороны цилиндра, в котором находится поршень вытеснителя.Газ движется через небольшое отверстие между двумя цилиндрами. Силовой поршень и вытеснитель часто соединены маховиком. Некоторые используют регенератор, а некоторые нет.

двигатель Ringbom

Двигатель Ringbom Stirling является разновидностью Beta Stirling. Он также имеет два цилиндра и один силовой поршень. Силовой поршень расположен в своем собственном цилиндре, который расположен вдоль стороны цилиндра, в котором находится поршень вытеснителя. Силовой поршень - единственный поршень, соединенный с маховиком.Смещение не связано с силовым поршнем или маховиком. Вместо этого можно свободно двигаться. Поршень вытеснителя плавно поднимается при расширении и опускается при сжатии.

Свободный поршень Стирлинга

Свободнопоршневой двигатель Стирлинга является относительно новой разработкой. Как правило, он соответствует схеме поршня Стирлинга бета-типа. Но нет такого маховика или механической связи такого типа. Они чаще используются для выработки электроэнергии или для охлаждения.Это потому, что они только отвечают взаимностью. Это означает, что они идеально подходят для линейных генераторов. Обычно это двигатели высокого давления.

Герметизация

Норберт Шницлер (собственная работа) [GFDL или CC-BY-SA-3.0], через Wikimedia Commons

Повышение рабочего давления помогает повысить мощность и эффективность. Это означает, что двигатель запускается с большей массой газа. Чем больше молекул газа, тем больше тепла и больше работы.Philips MP1002 CA имеет рабочее давление выше атмосферного. Устройство в этом видео имеет начальное давление около 200 p.s.i. и рабочее давление около 160 ps.i. Но это также означает, что двигатель должен быть сделан из более прочного материала и иметь более толстые стенки. Более толстые стенки затрудняют передачу тепла в газ внутри двигателя. Большинство имеющихся в продаже двигателей Стирлинга используют газ под давлением.

Тепловой двигатель от холода

Термодинамический цикл Стирлинга можно запустить в обратном направлении с помощью внешнего источника энергии.Это приведет к нагреву одной стороны и охлаждению другой. Проще говоря, двигатель Стирлинга может быть тепловым насосом. Вращая двигатель через его механические циклы, газ внутри него сжимается и расширяется, нагревается и охлаждается соответственно. Охлаждение с циклом Стирлинга в настоящее время используется в коммерческих целях для криогенной техники и охлаждения.

© Sparks Информация 2017

,

Двигатель Стирлинга дискового типа - как работают двигатели Стирлинга

Вместо двух поршней двигатель типа вытеснителя имеет один поршень и вытеснитель. Мотор служит для контроля, когда газовая камера нагревается и когда она охлаждается. Этот тип двигателя Стирлинга иногда используется на демонстрациях в классе. Вы даже можете купить комплект для сборки самостоятельно!

Этот контент не совместим с этим устройством.

Для работы вышеуказанного двигателя требуется разница температуры между верхом и низом большого цилиндра.В этом случае разницы между температурой вашей руки и воздухом вокруг нее достаточно для запуска двигателя.

На рисунке на этой странице вы видите два поршня:

  1. Силовой поршень - это меньший поршень в верхней части двигателя. Это плотно закрытый поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри двигателя.
  2. смещатель - это большой поршень на чертеже.Этот поршень очень свободно сидит в своем цилиндре, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретой и охлаждаемой частями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз.

Поплавок перемещается вверх и вниз, чтобы контролировать, нагревается или охлаждается газ в двигателе. Есть две позиции:

  • Когда вытеснитель находится вблизи вершины большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя нагревается источником тепла и расширяется. Внутри двигателя создается давление, заставляющее силовой поршень подниматься вверх.
  • Когда вытеснитель находится рядом с днищем большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя охлаждается и сжимается. Это приводит к падению давления, облегчая движение силового поршня и сжатие газа.

Двигатель многократно нагревает и охлаждает газ, извлекая энергию из расширения и сжатия газа.

Далее рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга.

,

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.