Двигатель Стирлинга

метки: Двигатель, Стирлинг, Сгорание, Низкотемпературный, Внешний, Насос, Тепло, Внутренний

В начале XXI века человечество смотрит в будущее с оптимизмом. На это есть самые веские доводы. Ученая мысль не стоит на месте. Сегодня нам предлагаются все новые и новые разработки. Идет внедрение в нашу жизнь все более экономичных, экологически безопасных и перспективных технологий

Это касается, прежде всего, альтернативного двигателестроения и использования так называемых «новых» альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии

Благодаря двигателям всевозможных типов человек получает энергию, свет, тепло и информацию. Двигатели являются сердцем, которое бьется в такт с развитием современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют целый ряд недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы, загрязняю тем самым нашу природу, и потребляют много топлива. Но на сегодняшний день альтернатива им уже существует. Класс двигателей, вред от которых минимален, — двигатели Стирлинга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных микро взрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, да и топлива им требуется гораздо меньше

Изобретенные задолго до двигателя внутреннего сгорания и дизеля, двигатель Стирлинга был незаслуженно забыт

Возрождение интереса к двигателям Стирлинга обычно ассоциируется с деятельностью фирмы Philips. Работы по конструированию двигателей Стирлинга небольшой мощности начались в фирме в середине 30-х годов ХХ века. Целью работ было создание небольшого электрического генератора с низким уровнем шума и тепловым приводом для питания радиоаппаратуры в районах мира с отсутствием регулярных источников электроснабжения. В 1958 году компания General Motors заключила лицензионное соглашение с фирмой Philips, и их сотрудничество продолжалось до 1970 года. Разработки были связаны с использованием двигателей Стирлинга для космических и подводных энергетических установок, автомобилей и судов, а также для систем стационарного энергоснабжения. Шведская фирма United Stirling, сконцентрировавшая свои усилия в основном на двигателях для транспортных средств большой грузоподъемности, распространили свои интересы на область двигателей для легковых машин. Настоящий же интерес к двигателю Стирлинга возродился только во времена так называемого “энергетического кризиса”. Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономического потребления обычного жидкого топлива, что представлялось весьма важным в связи с ростом цен на топливо

Двигатели стирлинга. Области применения

... и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в том, как протекает процесс поглощения тепла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). В ДВС распыленное топливо соединяется с ... другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания. Работа двигателя Стирлинга по замкнутому циклу определяет как его преимущества, так и недостатки. ...

История

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века , задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется « регенератор » (теплообменник).

Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма « Филипс » инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Описание

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина , в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания . Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива , но и от любого источника тепла.

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух , но также используются водород и гелий . В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления. Существует также стирлинг с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением.

Из термодинамики известно, что давление , температура и объём газа взаимосвязаны и следуют закону идеальных газов , где:

• P — давление газа;
• V — объём газа;
• n — количество молей газа;
• R — универсальная газовая константа;
• Т — температура газа в кельвинах.

Это означает, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга , который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно , и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга. Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа:

1

2

3

4

где: a — вытеснительный поршень; b — рабочий поршень; с — маховик; d — огонь (область нагревания); e — охлаждающие ребра (область охлаждения).

1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам).

2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру.
3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз.
4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.

В машине Стирлинга движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При сдвиге 0 машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение) и не вырабатывает её.

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

Альфа-Стирлинг

Бета-стирлинг с ромбическим механизмом и регенератором

Гамма-Стирлинг без регенератора

Альфа-Стирлинг, Бета-Стирлинг, Гамма-Стирлинг, Роторный двигатель Стирлинга, Недостатки, Материалоёмкость

высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела

Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно

Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

«Всеядность» двигателя

Простота конструкции, Увеличенный ресурс, Экономичность, Бесшумность двигателя, Экологичность, Применение

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Универсальные источники электроэнергии

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/dvigatel-stirlinga/

Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любой теплоты. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые фирмы выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи. NASA рассматривает варианты генераторов на основе стирлинга, работающие от ядерных и радиоизотопных источников тепла.

Насосы

Эффективность систем отопления или охлаждения возрастает, если в контуре установлен насос принудительной подачи теплоносителя. Установка электрического насоса снижает живучесть системы, а в быту неприятно тем, что электросчётчик «накручивает» ощутимую сумму. Насос, использующий принцип двигателя Стирлинга, решает эту проблему.

Стирлинг для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель-насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно служит для охлаждения рабочего тела.

Насос на основе двигателя стирлинга может служить для накачки воды в ирригационные каналы посредством солнечного тепла, для подачи горячей воды от солнечного коллектора в дом (в системах отопления теплоаккумулятор стараются установить как можно ниже, чтобы вода шла в радиаторы самотёком).

Стирлинг-насос может использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку абсолютно герметичен.

Тепловые насосы

Тепловые насосы позволяют экономить на отоплении ^] . Принцип действия аналогичен кондиционеру , действующему наоборот. Обычно используются теплонасосы, приводимые в движение электричеством. Но электричество в ряде стран производится на теплоэлектростанциях, сжигающих газ, уголь, мазут, и в результате калория, полученная на таком теплонасосе оказывается не дешевле, чем полученная от сжигания газа. Агрегат, в котором совмещены двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга, делает ситуацию более благоприятной. Двигатель Стирлинга отдаёт в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. Гибридный теплонасос «стирлинг-стирлинг» оказывается проще, чем композиция из двух стирлинг-машин. В агрегате совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, непосредственно используются для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением.

Расчёты показывают, что в идеале тепловой насос «стирлинг-стирлинг» на каждую калорию сожжённого газа может добавить ещё от 3 до 10 калорий из окружающей среды. На практике эта величина оказывается меньше. Опыты по использованию таких устройств были прекращены.

Холодильная техника

Практически, все холодильники используют те же тепловые насосы. Применительно к системам охлаждения их судьба оказалась более счастливой. Ряд производителей бытовых холодильников собирается установить на свои модели стирлинги. Они будут обладать большей экономичностью, а в качестве рабочего тела будут использовать обычный воздух.

Сверхнизкие температуры

Стирлинги оказались эффективны для сжижения газов. Если не требуется больших объёмов, то стирлинги выгоднее, чем турбинные установки.

Стирлинги выгодно применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах.

Подводные лодки

Преимущества стирлинга привели к тому, что ещё в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа « Шёурмен » производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними « Наккены » и « Вестеръётланды » указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов. Другими словами, именно шведы открыли в подводном кораблестроении эру вспомогательных анаэробных двигательных установок. И если «Наккен» — первый опытный корабль этого подкласса, то субмарины типа « Готланд » стали первыми серийными лодками с двигателями Стирлинга, которые позволяют им находиться под водой непрерывно до 20 суток. В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга, а шведские кораблестроители уже хорошо отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок, путём врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка.

Аккумуляторы энергии

Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.

Солнечные электростанции

Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород , или гелий .

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга .

Заключение

В настоящее время исследования двигателей Стирлинга для солнечных, космических и подводных энергетических установок, а также разработка базовых лабораторных и опытных двигателей широко проводятся в Германии, США, Канаде, Франции и особенно в Японии. Этот повышенный интерес к двигателям Стирлинга стал результатом заинтересованности общественности вопросами борьбы с шумом и загрязнением воздуха вместе с такой важной проблемой, как сохранение природных источников энергии

Будущее двигателей Стирлинга видится достаточно перспективным. В дальнейшем будут продолжены разработки по усовершенствованию двигателя Стирлинга. Об этом говорят все различные обзоры по двигательным установкам для транспорта и стационарным энергетическим установкам

Можно с уверенностью гарантировать использование двигателей Стирлинга в стационарных энергетических системах широкого диапазона мощностей. Ни у кого нет сомнений, что эти двигатели найдут более широкое применение в тепловых насосах и холодильных системах

Низкий уровень шума, малая токсичность выхлопа, возможность работы на различном топливе, большой ресурс, сравнимые с ДВС размеры и масса, хорошие характеристики в режимах частичной нагрузки (что особенно важно для городского транспорта) и благоприятные характеристики крутящего момента – все эти параметры дают возможность бросить вызов двигателю внутреннего сгорания. Однако двигатели с искровым зажиганием и дизели разнообразных конструкций будут являться еще достаточно сильными конкурентами до тех пор, пока на рынке остается доступным высококачественное очищенное топливо при его относительном избытке

Уже через каких-то сто лет всеобщая экономия в энергетике станет неизбежной. В связи с этими обстоятельствами двигатель Стирлинга в сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой может оказаться главным в двигательных установках для обеспечения потребностей всего человечества

Список литературы

[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/dvigatel-stirlinga/

1. “Двигатель с внешним подводом теплоты” Заявка №99110725 от 31 мая 1999 г., РФ

2. “Двигатель с внешним подводом теплоты”. Патент №2105156 от 23 июня 1995 г., РФ

3. Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. Под ред. В.М.Бродянского. М.: Мир, 1975.

4. Двигатели Стирлинга/В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.; под ред. М.Г. Круглова. – М.: “Машиностроение”, 1977.

5. Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга: Пер. с англ. М.: Энергия, 1978.