Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Как сделать двигатель стирлинга альфа


конструкция, принцип работы, делаем своими руками

В 1816 году преподобный Роберт Стирлинг, стремившийся создать более безопасную альтернативу паровым двигателям, котлы которых часто взрывались из-за высокого давления пара и доступных в то время примитивных материалов, изобрёл новое устройство. Как и другие похожие агрегаты, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую. Его существенная особенность заключаются в том, что это разновидность двигателя внешнего сгорания. Это значит, что в нём используется фиксированное количество рабочего тела, обычно воздуха, а тепло, потребляемое им, подводится извне. Это позволяет устройству работать практически на любом источнике тепла, включая ископаемое топливо, горячий воздух, солнечную, химическую и ядерную энергию. Он также может работать с очень низкими температурными перепадами.

Конструкция двигателя Стирлинга

Агрегаты бывают разных форм, большинство из которых — варианты четырёх базовых конфигураций, главные их части следующие:

  1. Источник тепла. Он может быть любой: от огня, производимого горящим углем или дровами, до солнечной света, концентрируемого гелиостатами, поскольку фактическое сгорание топлива не нужно, используется только разница температур между радиатором и источником тепла.
  2. Газ, или рабочее тело, постоянно находится в закрытом баллоне внутри машины. Это может быть гелий, обычных воздух, водород, а также любое другое доступное вещество, которое не меняет своей формы при нагреве и охлаждении. Его основная задача — передать тепловую энергию.
  3. Радиатор. Нужен для охлаждения горячего газа.
  4. Поршни и цилиндры, между которыми движутся газовые заслонки, которые при нагреве расширяются, а при охлаждении сжимаются перед тем, как весь цикл повторится.
  5. Теплообменник, или регенератор. Расположен между радиатором и тепловым источником. Нагретый газ, проходя мимо, отдаёт часть своего тепла, а возвращаясь забирает его. Без этого узла тепло будет уходить, то есть тратиться впустую.

Как работает двигатель Стирлинга

Если рассматривать рабочую схему двигателя Стирлинга на примере альфа-конфигурации, где фиксированное количество воздуха или другого рабочего тела заключено в два цилиндра, один из которых горячий, а другой — холодный, перемещается между ними вперёд и назад. Газ нагревается и расширяется в горячем цилиндре, охлаждается в холодном, там же он сжимается, по ходу отдавая энергию для выполнения механической работы.

Надо отметить, что два поршня соединены с коленчатым валом, но их движения не совпадают по фазе на 90 ° между верхней и нижней частями. Поэтапно это выглядит следующим образом:

  1. Рабочее тело, расширяясь от нагрева, толкает горячий поршень к нижней части цилиндра, поворачивая коленчатый вал. Расширение продолжается, заставляя газ двигаться к холодному цилиндру. Поршень внутри холодного цилиндра, который находится на четверть оборота позади горячего поршня, также толкается вниз.
  2. Газ в максимальном объёме. Импульс маховика на коленчатом валу толкает поршень в горячем цилиндре к вершине его хода, заставляя большую часть газа попадать в холодный цилиндр, толкая холодный поршень вниз. В холодном цилиндре газ охлаждается, давление падает.
  3. Когда горячий поршень достигает вершины своего хода, почти весь газ теперь переместился в холодный цилиндр, где охлаждение продолжается, и рабочее тело сжимается, снижая давление ещё больше, что позволяет холодному поршню подняться. Сила импульса маховика сжимает газ и направляет его обратно к горячему цилиндру.
  4. На этом этапе рабочая жидкость, достигая своего минимального объема, подаётся в горячий цилиндр, где начинает толкать горячий поршень вниз. Газ снова нагревается, его давление увеличивается, он расширяется, толкая горячий поршень вниз во время рабочего хода, и цикл начинается снова.

Регенератор, расположенный в воздушном канале между двумя поршнями, не строго необходим в конструкции двигателя Стирлинга, но служит для повышения эффективности двигателя. Обычно это металлическая или керамическая матрица с большой площадью поверхности, способная поглощать или отдавать тепло. С ее помощью можно снизить расход топлива и повысить общую эффективность рабочего цикла. Канал для переноса газа между двумя цилиндрами по существу мертвое пространство, часто он остается максимально коротким.

Двигатели Стирлинга использовались в различных формах с 1930-х годов в качестве движущей силы для целого ряда транспортных средств с двигателями мощностью 75 кВт и более. Несмотря на то, что ранние разработки были предназначены для автомобильной промышленности, из-за своей низкой удельной мощности двигатель Stirling больше подходит для стационарного применения, а в последние годы его стали больше использовать для производства электрической энергии:

  1. Идеально подходит для использования небольшими комбинированными теплоэнергетическими установками для сбора отработанного тепла. Генераторы двигателя Стирлинга с выходной электрической мощностью от 1 кВт до 10 кВт доступны для бытового применения, а отработанное тепло используется котлом центрального отопления. Общая тепловая эффективность этих установок может достигать 80%.
  2. В некоторых странах такие устройства используются для выработки электроэнергии из тепловой энергии.

Как сделать самостоятельно

Несмотря на кажущуюся простоту, сделать двигатель Стирлинга своими руками в домашних условиях непросто. На это нужно потратить немного времени, уделяя внимание деталям. Никакие станки не потребуются. Вот несколько советов для тех, кто решился на эксперимент.

  1. Создание цилиндра. Можно использовать ёмкость из нержавеющей стали, диаметр которой около 95 мм, а высота 235 мм. Этот материал выдерживает сильный нагрев. Не стоит заменять его на алюминиевую банку. Для изготовления диафрагмы подойдёт пластиковая крышка.
  2. Охладители. Подойдут нескольких жестяных банок диаметром 150 мм. Чтобы сделать водовыпускное отверстие, можно использовать сантехнические детали.
  3. Поршень. Его легко изготовить из проволоки. Понадобится вата, выполненная из нержавеющей стали, которую нужно намотать на сетку из того же материала.
  4. Коленчатый вал — самое сложное. Он должен быть прямым с жесткими изгибами. Нужны подшипники, латунные соединители и 4-миллиметровая стальная катанка.
  5. Маховик. Стальной круг 4 мм толщиной и 170 мм в диаметре, который нужно навинтить на коленчатый вал.
  6. Диафрагма. Понадобится отрезок тонкой резины, её нужно растянуть и нагреть, чтобы придать форму. Как шаблон подойдёт выпуклая пластиковая крышка.
  7. Статор. Содержит примерно одинаковые катушки из медной проволоки. Затем их нужно приклеить к фанерному диску, который будет привинчен к боковой части двигателя.

Когда катушки будут готовы, стоит проверить, что у всех одинаковое сопротивление, а провод без разрывов.

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

,

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...

,

Смотрите также


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