Welcher Stirlingmotor hat das beste Design mit maximaler Effizienz? Stirlingmotor-Kraftwerke - eine der Möglichkeiten, ein interessantes Aggregat zu nutzen

Ein Stirlingmotor ist eine Einheit, die Wärme in mechanische Energie umwandelt. Es kann an einen Generator angeschlossen werden und Strom erhalten. Oder an eine Pumpe, kurz kreisförmig, an jeden Verbraucher mechanischer Energie. Zukünftig eignet es sich sehr gut für die stationäre autarke Stromversorgung. Wieso den?

1. Kann mit jedem Kraftstoff arbeiten. Einschließlich auf Holz, Sägemehl usw. Stirling kann dies tun, indem es mit Sonnenwärme oder mit dem Unterschied zwischen Luft- und Wassertemperatur arbeitet (obwohl ich die letztere Option nicht ernsthaft in Betracht ziehe, wird es dazu einen separaten Punkt geben).

2. Leiser Betrieb und eine große motorische Ressource. Niedriger Ölverbrauch.

3. Wartungsfreundlichkeit (insbesondere im Vergleich zum nächsten Analogon - einer Dampfmaschine).

4. Relativ hohe Effizienz. Viel höher als bei einer Dampfmaschine, aber niedriger als bei einem Verbrennungsmotor. Um 1 kWh Strom aus einem gut verarbeiteten, leistungsstarken Hobby-Stirling zu gewinnen, werden ca. 3-4 kg Brennholz verbraucht. Sie können dies mit den Kosten für die gleiche Energie vergleichen, die von einem Gasgenerator erhalten wird.

5. Obwohl der Wirkungsgrad geringer ist als bei einem Verbrennungsmotor, ist es möglich, die Abwärme zur Erwärmung des Wassers zu nutzen. Dies erhöht den Gesamtnutzen eines gegebenen Motors – er stellt sich heraus, dass er viel mehr ist als der eines Verbrennungsmotors. Fairerweise muss gesagt werden, dass eine solche Verwendung auch in einem Verbrennungsmotor möglich ist, dies jedoch einen zusätzlichen Wärmetauscher erfordert.

Heute gibt es solche Motoren nicht in Serie zu einem erschwinglichen Preis. Ich habe es mir zur Aufgabe gemacht, einen solchen Motor zu entwickeln, der für den Bastlerbau verfügbar wäre.

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Einige Mythen über Stirling-Motoren

Motoreffizienz Stirling entspricht der Effizienz des Carnot-Zyklus? Es ist nicht so. Die Effizienz des Stirling-Zyklus ist gleich der Effizienz des Carnot-Zyklus. Aber der Stirling-Zyklus ist in einer Kolbenmaschine nicht realisierbar. Der in Stirling-Motoren implementierte Zyklus unterscheidet sich stark vom Stirling-Zyklus. Hinzu kommen unvermeidliche Verluste.

Brauchen Sie Wasserstoff oder Helium unter schrecklichem Druck? Nein, es wird nicht benötigt. Wasserstoff oder Helium unter hohem Druck wird für einen Motor benötigt, der das gleiche Gewicht und die gleichen Abmessungen hat wie Auto ICE... Wenn Sie die Anforderungen an Gewicht und Abmessungen reduzieren, können Sie den Druck reduzieren und andere Arbeitskörper verwenden. Es gibt bekannte Fälle der Verwendung von Luft, Argon, Kohlendioxid, und ich habe sogar von Propan gehört, obwohl dies fragwürdig ist.

Sind bewegliche Teile und Dichtungen hohen Temperaturen ausgesetzt? Nur ein beweglicher Teil ist hohen Temperaturen ausgesetzt - der obere Teil des "heißen" Kolbens. Die Kolbenringe sind in einem kalten und gekühlten Hohlraum untergebracht. Daher sind die Arbeitsbedingungen von Dichtungen in einem Stirlingmotor viel einfacher als in einem Verbrennungsmotor. Hier gibt es jedoch ein Problem der Wärmeabfuhr vom "heißen" Kolben, über das ich nirgendwo gelesen habe, was mir noch nicht ganz klar ist. Aber auf jeden Fall ist bekannt, dass Dichtungen für Stirlings aus Fluorkunststoff hergestellt wurden und solche Dichtungen zeigten gute Ressource... Gewöhnliche Dichtungen können auch mit gusseisernen Kolbenringen und Ölschmierung funktionieren.

Schafft Schmierung unüberwindbare Schwierigkeiten? Nein. Lediglich die Auswahl des Öls ist erforderlich. Phillips produzierte ölgeschmierte Motoren der Kleinserie 102C. Da Öl und Luft explosionsfähige Gemische bilden können, schränkt dies den erreichten Druck im Inneren der Maschine immer noch ein - meines Wissens haben sie Angst, ihn um mehr als 6 Atmosphären zu erhöhen. Es gab einen Fall in der Geschichte von Phillips, als großer Motor Stirling explodierte in der Luft und tötete einen Mann. Wenn sich jedoch keine Luft im Inneren befindet, sondern ein Gas, das die Verbrennung nicht unterstützt, z. B. Stickstoff, sollte das Öl nicht zu explodieren scheinen (es ist besser, sich bei Chemikern zu erkundigen). Es werden Versuche unternommen, verschiedene andere Materialien für Kolbendichtungen zu verwenden - Fluorkunststoff, Materialien namens "Roll", "Viton", Graphit, Graphit und Glaszusammensetzungen. Gleichzeitig wird das Kurbelgehäuse trocken gemacht. Es scheint, dass all dies für eine lange Zeit funktionieren kann, mindestens ein paar tausend Stunden. Auch die Schmierung mit Wasser wurde diskutiert und sogar eine Maschine mit einem solchen Schmierstoff hergestellt, aber es gibt keine Daten über die Ergebnisse seiner Tests.

Effiziente Motoren wurden erst im 20. Jahrhundert erfunden? Nein. Die Stirling-Brüder schufen auch einen 42-PS-Motor. und einer Effizienz von ca. 18%, die ca. 3 Jahre lang in einer Schmiede gearbeitet haben (davon kann man aus jeden Tag über viele Stunden ausgehen). Damals gab es keine guten Stähle, keine thermodynamische Wissenschaft, nur Erfahrung und Intuition. Ende des 19. Jahrhunderts wurden leistungsschwache Motoren (bis 1 PS) in Serie produziert, die sich nicht in hohem Wirkungsgrad unterschieden, aber sehr leise arbeiteten, sehr zuverlässig, langlebig, kraftstoffarm und wartungsfreundlich waren , die es ihnen ermöglichte, bis zum zweiten Weltkrieg eine gewisse Marktnische zu halten.

Was steht nicht in Walkers Buch

Walkers Buch wurde vor langer Zeit geschrieben, seitdem hat sich das Thema weiterentwickelt. Hier - Kurze Review was erreicht wurde.

Ringbom-angetriebene Motoren

Wie Sie wissen, gibt es in einem Stirlingmotor mindestens zwei bewegliche Kolben (oder einen Kolben und einen Verdränger). Dies ergibt einen ziemlich komplexen Antriebsmechanismus. Ringbom-Motoren sind Motoren (Gamma- oder Beta-Typen), bei denen der Verdränger pneumatisch angetrieben wird. Gleichzeitig arbeitet der pneumatische Antrieb selbst aus dem Differenzdruck im Gasweg der Maschine. Siehe US-Patent Nr. 856102. Es wurde eine Theorie solcher Maschinen entwickelt, die die Herstellung von zumindest funktionierenden Prototypen ermöglichte. Oft wurden diese Prototypen durch Überarbeitung von Einzylinder-Verbrennungsmotoren hergestellt. Einheimisch Kolben des Verbrennungsmotors als Schieber verwendet, kommen eine Stange und ein zweiter Kolben hinzu, der bereits der Arbeitskolben des Stirlingmotors ist. Und der Antrieb des Verdrängers erfolgt pneumatisch, sodass keine Änderungen am ICE-Design mehr erforderlich sind. Prototypen dieser Art wurden gebaut. Allerdings kam es meines Wissens nicht zur praktischen Umsetzung. Diese ganze Geschichte wird in dem Buch "Ringbom Stirling Engines" von James R. Senft beschrieben, das überall in Amerika erhältlich ist. Ich habe es mit einer Plastikkarte gekauft, ich glaube, es heißt Visa Electron, und das Buch wurde mir per Post zugestellt. Es funktioniert alles, daher empfehle ich es.

Aus meiner Sicht sind Ringbom-Antriebsmotoren nicht so einfach, wie sie scheinen. Deren Vorteil sehe ich als geeigneter als reine Sinuskurven, das Bewegungsgesetz der Kolben. Dies ist besonders bei geringen Temperaturunterschieden wichtig. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit der Kinematik, die jedoch durch die zusätzlichen Details, die zum Antrieb des Verdrängers erforderlich sind, teilweise ausgeglichen wird. Der Nachteil für mich ist, dass sich der pneumatisch gesteuerte Verdränger mit großer Beschleunigung bewegt - er schießt bei jedem Zyklus wie ein Korken aus einer Flasche heraus. Stoßbelastungen werden jedoch durch pneumatische Stoßdämpfer gedämpft, und es geht nicht um Festigkeit, sondern um Balance und Vibrationen. Da das Bewegungsgesetz eines pneumatisch gesteuerten Verdrängers von vornherein unbekannt ist und zu jedem Zeitpunkt von spezifischen Bedingungen (von Heiztemperatur, Geschwindigkeit, Last) abhängt, ist es unmöglich, auch nur zusätzliche Ausgleichsvorrichtungen vorzusehen. Das heißt, Sie können sicher sein, dass der von Ringbom angetriebene Motor überhaupt nicht wuchtet.

Generell ist das Thema Ringbom-betriebene Motoren ein Thema für die Forschung. Wenn Sie sich auf das Endergebnis konzentrieren, müssen Sie den bereits getesteten Mustern folgen. Daher interessiert mich dieses Thema nicht allzu sehr.

Das einzige, was ich anmerken möchte, ist, dass Ringbom-Motoren etwas mit Freikolbenmotoren verwandt sind, aber in Bezug auf die Implementierung viel einfacher sind. Es stellt sich heraus, dass Freikolbenmotoren extrem komplex sind, da ihr Bewegungsgesetz zu viele Freiheitsgrade zulässt. Gleichzeitig ist es eine äußerst schwierige Aufgabe, sie unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Erwärmung, Belastung und Verschlechterung der Dichtungen stabil zu machen. Ringbom-Motoren haben diesen Nachteil nicht - ihr Kolben bewegt sich aufgrund des Mechanismus und der pneumatische Antrieb des Verdrängers arbeitet in einem bestimmten Modus stabil.

Niedertemperaturmotoren

Dies sind Motoren, die mit einer Temperaturdifferenz von mehreren Grad arbeiten. Solche Motoren werden ausschließlich vom Gamma-Typ hergestellt, sie haben einen flachen Hubraum, einen Verdränger mit sehr kurzem Hub und das Volumen des Arbeitszylinders ist um ein Vielfaches geringer als das Volumen des Hubraumzylinders. Sie haben sehr wenig Macht. Eine Maschine mit einem Verdrängerzylinder von 25 cm Durchmesser, mit Ringbom-Antrieb, produzierte beispielsweise bei einer Temperaturdifferenz von 90 Grad nur 1 Watt. Viel interessante Modelle diese Art wurde von Hubert Stierhof erfunden und umgesetzt, zum Beispiel http://www.geocities.com/hustierhof/MC_SOLAR.html

Grundsätzlich werden sie für die Nutzung von Sonnenenergie untersucht. Ein wichtiger Punkt hier ist, dass jeder Stirlingmotor bis zu einem gewissen Grad verbessert werden kann, indem der Gasdruck erhöht wird. Wenn derselbe Motor mit Gas auf 100 Atmosphären gepumpt werden könnte, dann hätte er bereits 100 Watt produziert. Dies kann nicht direkt erfolgen, da die Festigkeit der Materialien begrenzt ist und auch die Wärmeleitfähigkeit der Oberflächen zur Wärmezufuhr und Wärmeabfuhr begrenzt ist. Dies deutet jedoch auf ein gewisses Versprechen für die Entwicklung von Niedertemperaturmotoren mit erheblicher Leistung hin. Wenn du ein wenig über dieses Thema fantasierst, dann kannst du es dir vorstellen Niedertemperaturmotor mit konkavem oder konvexem Boden, zum Beispiel auf Basis von Flüssiggasflaschen. Beispielsweise hat eine 5-Liter-Propanflasche einen Durchmesser von etwa 25 Zentimetern und kann bis zu 10-15 Atmosphären gepumpt werden. Das heißt, Sie können sich vorstellen, dass es sich um einen Motor von etwa 10 Watt mit einem Temperaturunterschied von 90 Grad handelt.

Motoren mit einem beweglichen Teil

Auch solche Maschinen wurden erfunden. Sie haben einen echten Arbeitskolben, aber der Verdränger in ihnen ist ein "virtueller". Erstens ist es langsame Erwärmungsmaschine oder Motor mit thermischer Verzögerung. Was ist seine Bedeutung? Der Arbeitskolben und die Wände des Arbeitszylinders sind kalt, aber es gibt einen Übergang vom Zylinder zur heißen Kammer - der Heizung. Zunächst wird die Luft durch den Arbeitskolben komprimiert und in die Heißkammer gedrückt. Während der Kolben drin ist Top tot Das Gas hat Zeit, sich zu erwärmen und sein Druck steigt. Dann gibt es einen Arbeitshub - das Gas dehnt sich aus und drückt den Kolben. Gleichzeitig gelangt es in den Arbeitszylinder und wird gekühlt. Diese Abkühlung erfolgt, während der Kolben drin ist unten tot Punkt. Ich werde kein Bild zeichnen und nicht einmal fragen, aber es gibt Tylers US-Patent Nr. 5414997, wo alles auf Englisch geschrieben und gezeichnet ist. Darüber hinaus umfasst das Patent fast Gesamte Beschreibung wie man ein Auto baut, mit allen Hauptabmessungen und seinen Leistungsindikatoren.

Dieses Auto besticht einfach durch seine Schlichtheit. Das Beste daran ist, dass es keine gibt besondere Anforderungen zur präzisen Herstellung heißer Teile. Und diese heißen Teile sind oft aus Edelstahl, müssen Formpräzision, Korrosionsbeständigkeit, an manchen Stellen hohe, an anderen geringe Wärmeleitfähigkeit vereinen, eine komplexe Form haben und Druck halten. Uff, wie viele Anforderungen.

Aber ... in der Tat läuft ihr Workflow nicht so, wie wir es gerne hätten. In dem Moment, in dem sich das Gas bewegt, erfolgt die Gaserwärmung und -kühlung intensiver. Das heißt, es ist zu erwarten, dass sich das Gas bereits während der Kompressionsphase aufheizt und bereits während der Expansionsphase abkühlt. Auch ohne Regenerator besteht ein ständiger Kontakt des erwärmten und gekühlten Gases miteinander, was zu großen thermodynamischen Verlusten führt.

Ich glaube nicht, dass von dieser Maschine eine nennenswerte Effizienz erwartet werden kann. Anscheinend stand der Patentautor in der Praxis vor diesem Problem, daher enthält das Patent nicht nur die meisten einfache Schaltung aber auch komplexer. Eine solche Arbeitsmaschine wurde auch mit einem Regenerator hergestellt. http://www.stirlingengines.org.uk/thermo/lamina.html Soweit ich mir vorstellen kann, findet ein ähnlicher "langsamer Heiz-" und "langsamer Kühl"-Prozess nicht nur in der Heizung und im Kühlschrank statt, sondern auch an jedem Punkt des Regenerators. Da in diesem Fall die Temperaturgradienten zwischen Gas und Wand geringer sind, sollte auch der Wirkungsgrad einer solchen Maschine höher sein (diese Gradienten führen zu Wirkungsgradverlusten). Vielleicht kann es überhaupt eine ernsthafte Maschine sein, aber es muss ausprobiert werden.

Wenn jemand jemals eine solche Maschine bauen möchte, dann schreiben Sie - wir besprechen, was getan werden kann. Ich habe noch einige (eher grobe) Ideen, wie man ein solches Auto bauen kann, aber eine Phasenverschiebung auf andere Weise. Zum Beispiel mit einem Zweizylinder Motorradmotor mit kleinem Phasenwinkel zwischen den Zylindern. Die Grundidee ist, dass im Bereich des oberen Totpunkts das Gas (bereits komprimiert) schnell durch die Heizung gepumpt wird, die einen großen hydraulischen Widerstand aufweist. Dieser Prozess ist dem Verbrennungsprozess in einem Verbrennungsmotor etwas ähnlich, aber die Verbrennung erfolgt extern. Aber ich habe immer noch nicht herausgefunden, wie man das Gas in einer solchen Maschine kühlt.

Die nächste Maschine mit einem beweglichen Teil ist thermoakustisch Auto. Es ist im Wesentlichen wie eine langsam aufheizende Maschine mit Regenerator aufgebaut, aber dort schwingt der Kolben mit einer Schallfrequenz, und es kommt eine Phasenverschiebung zwischen Druck und Bewegung in einer Schallwelle zum Tragen. Als Kolben in einer solchen Maschine können Sie einfach ein Mikrofon mit entsprechender Leistung verwenden, dessen Resonanzfrequenz mit der Frequenz der Schallschwingungen im Zylinder übereinstimmt.

Beispiele für Motoren, die als Prototypen dienen können

Informationsquellen hier:

1. Der Phillips-Stirlingmotor, C. M. Hargreaves, Elseiver, 1991

Ein paar Worte zur Skalierung

Designprobleme

Heiße Zylinderlaufbuchse - wird das benötigt?

Alpha, Beta oder Gamma?

Ist schädlicher Raum so schädlich?

Einige Muster, Beziehungen und Kompromisse

Heizungsmaterialien

Heizung – wo ist der Flaschenhals?

Heizungsverstärker

Regeneratoren

Kolbendichtung, Schmiermittel, Explosionsgefahr

Antriebsoptionen

Unter Druck stehendes Kurbelgehäuse, kein Druck oder überhaupt kein Kurbelgehäuse

Benötigen Sie eine heiße Kappe an Kolben und Zylinder?

Mein Berechnungsprogramm

Der Fehler in der Schmidt-Methode, dem adiabatischen Modell und der Beale-Zahl-Berechnung

Stärken von Simple

Schwächen von Simple

Die Berechnung von Erhitzer und Kühler ist kaum zufriedenstellend - es wird die Reynolds-Analogie-Methode verwendet, die für eine entwickelte turbulente Strömung geeignet ist. Die Reynolds-Zahlen in Heizgeräten können ziemlich niedrig sein, insbesondere bei Niederdruckmaschinen, und entsprechen transienten oder laminaren Bedingungen.

Eine solche wichtige Arten Verluste als Shuttleverluste. Das Ausmaß der Shuttleverluste ist groß und sie können die Effizienz erheblich reduzieren.

Eine wichtige neue mechanische Energiequelle für den Autoantrieb ist der Stirling-Motor. Es ist fast unbekannt, es existieren nur seine Prototypen, sodass Sie nur eine kursorische Beschreibung seines Funktionsprinzips und seines Designs geben können. In seiner ursprünglichen Form existierte es als Wärmeausdehnungsmaschine, in deren Zylinder Arbeitsorgan zum Beispiel wurde Luft vor der Kompression gekühlt und vor der Expansion erwärmt. Das Diagramm und das Funktionsprinzip eines solchen Motors sind in Abb. 1.

Im oberen Teil des Zylinders 1 befindet sich ein Wasserkühlmantel 2, und der Boden des Zylinders wird ständig durch die Flamme erhitzt. Der Zylinder enthält einen Arbeitskolben 3 abgedichtet Kolbenringe und verbunden durch eine Pleuelstange mit Kurbelwelle(Die Kurbelwelle ist in der Abbildung nicht dargestellt). Zwischen Zylinderboden und Arbeitskolben befindet sich ein Verdrängerkolben 4, der sich im Zylinder mit große Lücke... Durch diesen Spalt wird die im Zylinder eingeschlossene Luft vom Verdränger 4 entweder zum Boden des Arbeitskolbens oder zum beheizten Boden des Zylinders gepumpt. Der Verdränger wird von einer Stange 5 angetrieben, die eine Dichtung im Kolben durchsetzt und von einem Exzentergetriebe angetrieben wird, das sich mit einem Nacheilwinkel von etwa 90° gegenüber dem Antriebsmechanismus des Arbeitskolbens dreht.

In Stellung a befindet sich der Kolben im UT (unterer Totpunkt) und die von den Zylinderwänden gekühlte Luft ist zwischen ihm und dem Verdränger eingeschlossen. In der nächsten Phase b bewegt sich der Verdränger nach oben und der Kolben bleibt am UT. Die Luft zwischen ihnen wird durch den Spalt zwischen dem Verdränger und dem Zylinder zum Boden des Zylinders gedrückt und durch die Wände des Zylinders gekühlt. Phase c arbeitet, in der die Luft durch den heißen Zylinderboden erwärmt wird, sich ausdehnt und beide Kolben bis zum OT (oberer Totpunkt) drückt.

Nach Beendigung des Arbeitshubes kehrt der Verdränger in die untere Position zum Boden des Zylinders zurück und drückt Luft durch den Spalt zwischen den Zylinderwänden in die Kammer unter dem Kolben, während die Luft durch die Wände gekühlt wird. In Position r kalte Luft Kompression vorbereitet und der Arbeitskolben bewegt sich von OT nach UT. Da beim Verdichten kalter Luft weniger Arbeit aufgewendet wird als beim Ausdehnen heißer Luft, entsteht Nutzarbeit. Das Schwungrad dient als Energiespeicher für die Luftkompression.

In der beschriebenen Ausführung hatte der Stirlingmotor den geringsten Wirkungsgrad, da die in der Luft enthaltene Wärme nach dem Arbeitstakt über die Zylinderwände an das Kühlmittel abgeführt werden musste. Die Luft hatte während eines Kolbenhubs keine Zeit, sich ausreichend abzukühlen, und es musste die Kühlzeit erhöht werden, wodurch auch die Motordrehzahl niedrig war. , die, wie bereits erwähnt, von der Differenz zwischen der maximalen und minimalen Temperatur des Betriebszyklus abhängt, war ebenfalls gering. Die Wärme der Abluft wurde an das Kühlwasser abgegeben und ging vollständig verloren.

Der Stirling-Motor wurde von Philips (Niederlande) deutlich verbessert. Zunächst wurde ein externer Wärmeregenerator verwendet, durch den Luft unter der Wirkung eines Verdrängers vom oberen Teil des Zylinders in den unteren gepumpt wurde. Im externen Kreislauf war ein Radiator mit dem Regenerator in Reihe geschaltet. Der Regenerator speichert die Wärme der Luft, die nach der Expansion in die Kältekammer eindringt. Mit Luftstrom in umgekehrte Richtung der Akku gibt Wärme zurück. Dadurch vergrößert sich die Differenz zwischen maximaler und minimaler Zyklustemperatur und die Wärme muss vom Kühlsystem abgeführt werden. Der hinter dem Regenerator befindliche Heizkörper führt nur einen Teil dieser Wärme ab, der Rest wird im Speicher gespeichert und wieder verwendet. Dadurch verbessert sich nicht nur der Wirkungsgrad des Motors, sondern auch seine maximale Drehzahl, was sich auf die Leistung und das spezifische Gewicht des Motors auswirkt. Die Wärme der Abgase des Vorwärmers wird genutzt, um die Temperatur der seiner Brennkammer zugeführten Frischluft zu erhöhen. Der beschriebene Aufbau des Motors ist in Abb. 2.

In Stellung a wird die Luft komprimiert und beim Übergang in den oberen Teil des Zylinders zuerst im Regenerator und dann im Erhitzer erwärmt. In Position b wird die gesamte Luft aus dem Raum zwischen den beiden Kolben verdrängt und verrichtet die Arbeit, indem beide Kolben in die untere Position bewegt werden. In Position B bleibt der Arbeitskolben nach Beendigung der Arbeit in der unteren Position und der Verdränger 1 beginnt, Luft aus dem oberen Teil des Zylinders durch den Regenerator in den Raum zwischen den Kolben zu drücken, in dem die Luft abgegeben wird einen wesentlichen Teil seiner Wärme ab und der Kühler, wo die Luft noch tiefer gekühlt wird. In der letzten Phase des Zyklus d wird die Luft abgekühlt und von der Oberseite des Zylinders in den Raum zwischen den Kolben gedrückt, wo sie komprimiert wird.

Die Kompression der kalten Luft, ihr Eintritt durch den Regenerator und den Kühler in den oberen Teil des Zylinders, die anschließende Expansion und Abkühlung der Luft stellen den Arbeitszyklus dar. Im Zylinder wird eine konstante Luftmasse aufrechterhalten, sodass der Zylinder ohne Abgas läuft. Zum Heizen kann jede Wärmequelle verwendet werden. Im betrachteten Schema wird ein Flüssigbrennstoffkessel verwendet; der Schadstoffgehalt hängt von der Vollständigkeit der Brennstoffverbrennung in der Kesselbrennkammer ab. Da hierdurch ein kontinuierlicher Verbrennungsbetrieb bei relativ niedriger Temperatur und großem Luftüberschuss entsteht, ist es möglich, vollständige Verbrennung und Klein.

Der Vorteil des Stirlingmotors besteht auch darin, dass er nicht nur mit einer Vielzahl von Kraftstoffen betrieben werden kann, sondern auch die Nutzung verschiedener Arten von Wärmequellen ermöglicht. Dies bedeutet, dass der Motor nicht von der Anwesenheit der Atmosphäre abhängig ist. Es kann auf engstem Raum sowohl auf U-Booten als auch auf Satelliten gleichermaßen gut funktionieren. Bei Verwendung eines Wärmespeichers mit LiF wird dem Motor Wärme über ein Wärmerohr zugeführt, wie in Abb. 3.

Unten in Abb. 2 zeigt einen rhombischen Antriebsmechanismus, der die Bewegung beider Kolben steuert. Für den Antrieb werden zwei Kurbelwellen verwendet, die durch ein Zahnradpaar verbunden sind und sich gegenläufig drehen. Die Enden der Verdrängerstange 1 und der hohlen Kolbenstange 2 sind über separate Pleuel mit beiden Kurbelwellen verbunden. Wenn die Kurbeln von beiden Kurbelwellen befinden sich in Spitzenposition und von Position a in Position b bewegen, dann befinden sich die Pleuel des Arbeitskolbens 2 in der Nähe des OT und er bewegt sich geringfügig in die Nähe des OT. Die Pleuel des sich in dieser Zyklusphase bewegenden Verdrängers bewegen sich nach unten und auch der Kolben bewegt sich mit höchster Geschwindigkeit von Position a nach Position b.

Die entgegengesetzte Drehrichtung der beiden Kurbelwellen ermöglicht es, auf diesen Gegengewichte anzubringen, die zum Ausgleich der Massenkräfte erster Ordnung und ihrer Momente aus den bei Einzylinder- und Reihenmotoren vorhandenen Hubmassen erforderlich sind.

Der Rautenmechanismus hat auch den Vorteil, dass die Pleuel die Kräfte von den Kolbenstangen symmetrisch auf die Kurbelwellen übertragen und keine Querkräfte in den Lagern und Kolbendichtungen auftreten. Letzteres ist sehr wichtig, da für einen guten Wirkungsgrad des Motors ein hoher Betriebsdruck erforderlich ist.

Normal Kurbelmechanismen bei hohem Druck auf den Kolben und großen Auslenkungswinkeln des Pleuels entstehen große Querkräfte, die auf den Kolben wirken und hohe Reibungsverluste verursachen und hoher Verschleiß... Durch die Verwendung eines Kreuzkopf- oder Rhombenmechanismus wird dieses negative Phänomen beseitigt und eine gute Abdichtung der Kolben erreicht.

Um zu verhindern, dass die Stangen große Kräfte auf die Haupt- und Pleuellager der Kurbelwellen übertragen, wird unter dem Arbeitskolben ein Gegendruck aufrechterhalten, der dem durchschnittlichen Arbeitsdruck im Zylinder entspricht, er beträgt etwa 20 MPa.

Bei der Leistungsregelung eines Stirlingmotors treten erhebliche Schwierigkeiten auf. Die Leistungsänderung, die sich aus einer Änderung der dem Heizgerät zugeführten Kraftstoffmenge ergibt, ist unbedeutend. Ein auffälligeres Ergebnis kann durch Änderung des Drucks oder der Menge des Arbeitsfluids erzielt werden. Dieses Leistungssteuerungsverfahren wird in einem Stirling-Automotor verwendet. Um die Leistung zu reduzieren, wird ein Teil des Gases aus den Flaschen in den Niederdrucktank umgeleitet; Zur Leistungssteigerung wird den Zylindern Gas aus einem Hochdruckspeicher zugeführt und dort von einem speziellen Kompressor aus einem Niederdruckspeicher vorgepumpt. Für Motoren mit Kolben doppeltwirkend Um die Leistung zu reduzieren, wird das Gas von der Oberseite des Kolbens nach unten durch einen speziellen Kanal umgeleitet. Übertragen von volle Kraft Leerlauf dauert 0,2 s; der umgekehrte Vorgang dauert etwa 0,6 s.

Um die Reibungsverluste des Gases beim Durchströmen der engen Kanäle von Regenerator und Kühler gering zu halten, wird Helium verwendet, und man versucht auch, Wasserstoff zu verwenden. Um Größe und Gewicht zu reduzieren, sind beim Motor der zweiten Generation vier doppeltwirkende Kolbenzylinder wie in Abb. 9. Anstelle einer Kurbelwelle wird ein Taumelscheibenantrieb verwendet. Der hohe Gasdruck auf beiden Seiten des Kolbens sorgt dafür, dass nur eine geringe Druckdifferenz auf die Antriebsscheibe übertragen wird. Da bei einem Stirlingmotor die gesamte abgeführte Wärme auf das Kühlmittel übertragen wird, muss der Kühler dieses Motors doppelt so groß sein wie bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren.

Betrachten Sie als Beispiel zwei Automotor Stirling. Der Vierzylinder-Rhombusmotor der ersten Generation, dargestellt in Abb. 10, hat einen Zylinderdurchmesser von 77,5 mm, einen Kolbenhub von 49,8 mm (Hubraum 940 cm 3), entwickelt eine Leistung von 147 kW bei 3000 min -1 und einem mittleren Zylinderdruck von ca. 22 MPa. Die Temperatur des Zylinderkopfes wird bei ca. 700°C gehalten und die Kühlmitteltemperatur liegt bei 60°C. Das Trockengewicht des Motors beträgt 760 kg. Kaltstart und Warmlaufen des Motors bis die Zylinderkopftemperatur 700°C erreicht dauert ca. 20 Sekunden. Bei einer Wassertemperatur von 55 ° C erreichte der Indikatorwirkungsgrad des Motors auf dem Prüfstand 35 %. Die spezifische Leistung beträgt 156 kW / dm 3 und das spezifische Gewicht pro Leistungseinheit beträgt 5,2 kg / kW.

Abb. 9. Der Motor hat ungefähr die gleiche Größe und das gleiche Gewicht wie ein herkömmlicher Benzinmotor und hat eine Leistung von 127 kW. Um die Achse der Taumelscheibenantriebswelle sind vier Zylinder mit doppeltwirkenden Kolben angeordnet. Der allen vier Zylindern gemeinsame Vorwärmer hat eine Düse. Bei einem Ford Torino (USA) war der Kraftstoffverbrauch mit diesem Motor 25 % niedriger als bei einem V-förmigen 8-Zylinder-Benzinmotor. Der NOx-Gehalt in den Abgasen des Vorwärmsystems war aufgrund der Verwendung ihrer Rückführung viel niedriger als die etablierte Norm.

Der Zylinderdurchmesser des Philips 4-215 DA Motors beträgt 73 mm, der Kolbenhub 52 mm. Motorleistung 127 kW bei einer Drehzahl von 4000 min -1. Die Heizungstemperatur (Zylinderkopftemperatur) beträgt 700 °C und die Kühlmitteltemperatur beträgt 64 °C.

Das schwedische Unternehmen United Sterling hat seinen Stirling-Motor so konstruiert, dass er das Beste aus seinen massenproduzierten Teilen herausholt. Automobilindustrie... Es werden eine konventionelle Kurbelwelle und ein Pleuel verwendet, die zusammen mit dem Kreuzkopf die translatorische Bewegung des doppeltwirkenden Kolbens in eine Drehwellenbewegung umwandeln. Eine Schnittansicht dieses Vierzylinder-V-Motors ist in Abb. 1 gezeigt. 11. Zylinderreihen sind leicht schräg angeordnet, die Zylinderköpfe bilden eine gemeinsame Gruppe, die von einem Brenner beheizt wird.

Das geschätzte spezifische Gewicht dieses Motors beträgt 2,4 kg / kW, was mit der Leistung eines sehr guten Low-Size-Hochgeschwindigkeitsdiesels verglichen werden kann. Das spezifische Gewicht von Stirling-Motoren ist von 6,1-7,3 kg/kW auf 4,3 kg/kW gesunken und nimmt stetig ab.

Die Herstellung eines Stirlingmotors erfordert eine völlig andere Technologie als die Herstellung von Verbrennungsmotoren, was die Einführung in die Produktion verlangsamen wird. Die Entwicklung solcher Motoren geht jedoch als traditionelle Benzin- und Dieselmotoren die künftigen Anforderungen an die geforderte Abgasreinheit nicht erfüllen, und die geschaffenen Stirling-Motoren lassen hoffen, dass dieses Problem gelöst werden kann. Da sich der Druck der Gase im Zylinder eines Stirlingmotors sanft ändert, arbeitet er stabil und leise und ähnelt einer Dampfmaschine. Eine große Menge an Abwärme erfordert jedoch neue Lösungen im Bereich der Kühlsysteme.

Große Fortschritte bei Stirling-Motoren wurden mit der Entwicklung des Philips 4-215 DA-Motors erzielt. Der Motor ist für den Einsatz in Pkw ausgelegt und nimmt darin so viel Platz ein wie ein normaler Benziner V-förmiger Motor gleiche Macht. Die Masse des Philips 4-215 DA-Motors beträgt 448 kg und bei einer maximalen Leistung von 127 kW beträgt sein spezifisches Gewicht 3,5 kg / kW. Der Indikatorwirkungsgrad dieses Motors bei Verwendung von Wasserstoff als Arbeitsflüssigkeit unter einem Druck von 20 MPa beträgt 35%.

Der Kaltstart des Motors dauert 15 Sekunden, der Kraftstoffverbrauch des Autos im Stadtverkehr ist 25% geringer als bei einem normalen. Benzinmotor... Die Motorleistung wird durch Änderung der Menge und des Drucks des Arbeitsfluids reguliert.

Die Dichte von Wasserstoff ist 14-mal geringer als die von Luft und auch seine Wärmekapazität ist 14-mal höher als die von Luft. Dies wirkt sich positiv auf die hydraulischen Verluste insbesondere im Regenerator aus und führt in der Regel zu einer Steigerung des Motorwirkungsgrades (siehe Abb. 4).

Von der Vergangenheit in die Zukunft! Im Jahr 1817 erhielt der schottische Priester Robert Stirling ... ein Patent für einen neuen Motortyp, der später wie Dieselmotoren nach dem Namen des Erfinders - Stirling - benannt wurde. Die Gemeindemitglieder einer kleinen schottischen Stadt betrachten ihren geistlichen Pastor seit langem mit offensichtlichem Misstrauen. Würde immer noch! Das Zischen und Grollen, das die Wände der Scheune durchdrang, wo Pater Stirling oft verschwand, konnte nicht nur ihre gottesfürchtigen Gemüter verwirren. Es hielten sich hartnäckige Gerüchte, dass in der Scheune ein schrecklicher Drache gehalten wurde, den der heilige Vater gezähmt und mit Fledermäusen und Kerosin gefüttert hatte.

Aber Robert Stirling, einer der aufgeklärtesten Menschen Schottlands, war der Feindseligkeit der Herde nicht peinlich. Weltliche Angelegenheiten und Sorgen beschäftigten ihn immer mehr, zum Nachteil des Dienstes des Herrn: Sie trugen den Pastor ... Autos weg.

Die britischen Inseln erlebten zu dieser Zeit eine industrielle Revolution: Die Manufakturen entwickelten sich rasant. Und die Geistlichkeit bleibt nicht gleichgültig gegenüber den enormen Einnahmen, die die neue Produktionsweise verspricht.

Mit dem Segen der Kirche und nicht ohne die Hilfe der Fabrikanten wurden mehrere Stirling-Maschinen gebaut, die besten 45 PS. S., arbeitete drei Jahre in der Mine in Dundi.

Die Weiterentwicklung der Stirlings verzögerte sich: In den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts betrat ein neuer Erickson-Motor die Arena.

Beide Designs hatten viel gemeinsam. Das waren die Motoren externe Verbrennung... Bei beiden Maschinen war das Arbeitsmedium Luft, und bei beiden Maschinen war der Regenerator die Basis des Motors, durch den die heiße Abluft die gesamte Wärme abgab. Eine frische Portion Luft, die durch ein dichtes Metallgitter sickerte, nahm diese Wärme ab, bevor sie in den Arbeitszylinder eintrat.

Gemäß dem Diagramm in Fig. 1 ist es möglich, zu verfolgen, wie Luft durch das Saugrohr 10 und das Ventil 4 in den Kompressor 3 eintritt, komprimiert wird und durch das Ventil 5 in den Zwischenbehälter eintritt. Zu diesem Zeitpunkt schließt die Spule 8 das Abgasrohr 9 und die Luft durch den Regenerator tritt in den Arbeitszylinder 1 ein, der durch den Ofen 11 erhitzt wird. Hier dehnt sich die Luft aus, wodurch nützliche Arbeit, die teilweise auf den angehobenen schweren Kolben geleitet wird, teilweise um die kalte Luft im Kompressor 3 zu komprimieren. Beim Absenken drückt der Kolben die Abluft durch den Regenerator 7 und die Spule 8 in das Abgasrohr. Beim Absenken des Kolbens wird eine frische Portion Luft in den Kompressor gesaugt.

1 - Arbeitszylinder, 2 - Kolben; 3 - Kompressor; 4 - Saugventil; 5 - Ablassventil; 6 - Zwischentank; 7 - Regenerator; 8 - Bypassventil; 9 - Auspuffrohr; 10 - Saugrohr; 11 -Feuer.

Beide Konstruktionen waren nicht wirtschaftlich. Aber aus irgendeinem Grund gab es mehr Probleme mit dem Motor des Schotten und er war weniger zuverlässig als der Motor von Erickson. Vielleicht haben sie deshalb ein sehr wichtiges Detail übersehen: Bei gleicher Leistung war der Stirling-Motor kompakter. Außerdem hatte er einen erheblichen Vorteil in der Thermodynamik ...

Kompression, Erwärmung, Expansion, Kühlung – das sind die vier Hauptprozesse, die für den Betrieb jeder Wärmekraftmaschine erforderlich sind. Jeder von ihnen kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Gaserwärmung und -kühlung in einem geschlossenen Hohlraum konstanten Volumens (isochorischer Prozess) oder unter einem bewegten Kolben bei konstantem Druck (isobarer Prozess) durchgeführt werden. Kompression oder Expansion von Gas kann auftreten, wenn konstante Temperatur(isothermer Prozess) oder ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung (adiabatischer Prozess). Durch das Zusammensetzen geschlossener Ketten aus verschiedenen Kombinationen solcher Prozesse ist es leicht, theoretische Zyklen zu erhalten, entlang derer alle modernen Wärmekraftmaschinen... Nehmen wir an, eine Kombination aus zwei Adiabaten und zwei Isochoren bildet den theoretischen Zyklus eines Benzinmotors. Wenn wir darin die Isochore, entlang derer das Gas erhitzt wird, durch Isobaren ersetzen, erhalten wir einen Dieselkreislauf. Zwei Adiabate und zwei Isobaren ergeben den theoretischen Zyklus einer Gasturbine. Unter allen denkbaren Zyklen spielt die Kombination aus zwei Adiabaten und zwei Isothermen eine besondere Rolle. wichtige Rolle in der Thermodynamik, da nach einem solchen Zyklus - dem Carnot-Zyklus - der Motor mit dem höchsten Wirkungsgrad arbeiten muss.

Wurde beim Stirlingmotor die Wärme entlang von Isochoren zugeführt, so fand dieser Vorgang bei Erickson entlang der Isobaren statt, und die Prozesse der Kompression und Expansion verliefen entlang der Isothermen.

Zu Beginn dieses Jahrhunderts wurden Erickson-Motoren mit geringer Leistung (ca. 10-20 PS) in verschiedenen Ländern eingesetzt. Tausende solcher Anlagen arbeiteten in Fabriken, in Druckereien, Bergwerken und Bergwerken, drehten die Wellen von Maschinen, pumpten Wasser, hoben Aufzüge. In Russland waren sie auch unter dem Namen „Wärme und Kraft“ bekannt.

Es wurden Versuche unternommen, einen großen Schiffsmotor zu bauen, aber die Testergebnisse entmutigten nicht nur Skeptiker, sondern auch Erickson selbst. Im Gegensatz zu den Prophezeiungen des ersten "bewegte sich das Schiff von seinem Platz" und überquerte sogar den Atlantik. Doch auch die Erwartungen des Erfinders wurden getäuscht: Vier gigantische Motoren statt 1000 PS. mit. nur 300 Liter entwickelt. mit. Der Kohleverbrauch war der gleiche wie bei Dampfmaschinen. Außerdem waren am Ende der Reise die Böden der Arbeitszylinder durchgebrannt, und in England mussten die Motoren ausgebaut und heimlich durch einen konventionellen ersetzt werden. Dampfmaschine... Zu allem Unglück auf dem Rückweg nach Amerika stürzte das Schiff ab und starb mit der gesamten Besatzung.

1 - Arbeitskolben 2 - Verdrängerkolben; 3 - Kühler; 4 - Heizung; 5 - Regenerator; 6 - kalter Raum; 7 - heißer Raum.

Nachdem Erickson die Idee aufgegeben hatte, leistungsstarke "kalorische Maschinen" zu bauen, startete er eine Massenproduktion kleine Motoren... Tatsache ist, dass der damalige Stand von Wissenschaft und Technologie es nicht erlaubte, eine wirtschaftliche und leistungsstarke Maschine zu entwickeln und zu bauen.

Aber der Hauptschlag für Erickson kam von den Erfindern des Verbrennungsmotors. Die rasante Entwicklung von Dieselmotoren und Vergasermotoren ließ eine gute Idee vergessen.

... Ein Jahrhundert ist vergangen. In den 1930er Jahren beauftragte eine der Militärabteilungen die Firma Philips mit der Entwicklung eines Kraftwerks mit einer Leistung von 200-400 Watt für einen Marschsender. Darüber hinaus muss der Motor Allesfresser sein, dh mit jeder Art von Kraftstoff betrieben werden.

Die Spezialisten der Kanzlei machten sich mit aller Sorgfalt an die Arbeit. Wir begannen mit der Erforschung verschiedener thermodynamischer Zyklen und stellten zu unserer Überraschung fest, dass der theoretisch längste Stirling-Motor der sparsamste war.

Der Krieg unterbrach die Forschung, aber Ende der 40er Jahre wurde die Arbeit fortgesetzt. Und dann wurde als Ergebnis zahlreicher Experimente und Berechnungen eine neue Entdeckung gemacht - ein geschlossener Kreislauf, in dem ein Druck von etwa 200 atm. zirkulierte das Arbeitsmedium (Wasserstoff oder Helium mit der niedrigsten Viskosität und der höchsten Wärmekapazität). Nachdem der Kreislauf geschlossen war, mussten sich die Ingenieure zwar um die künstliche Kühlung des Arbeitsfluids kümmern. So entstand ein Kühler, den die ersten Verbrennungsmotoren nicht hatten. Und obwohl Heizung und Kühler, egal wie kompakt sie sind, das Styling schwerer machen, verleihen sie ihm eine sehr wichtige Eigenschaft.

Von der äußeren Umgebung isoliert, sind sie praktisch nicht davon abhängig. Stirling kann überall von jeder Wärmequelle aus arbeiten: unter Wasser, unter der Erde, im Weltraum - also dort, wo Verbrennungsmotoren, die Luft brauchen, nicht funktionieren können. Unter solchen Bedingungen kann auf Heiz- und Kühler, die Wärme durch die Wand übertragen, grundsätzlich nicht verzichtet werden. Und dann schlugen die Stirling ihre Rivalen sogar im Gewicht. Die ersten Prototypen hatten ein spezifisches Gewicht pro Leistungseinheit in der Größenordnung von 6-7 kg pro Liter. mit. wie du Schiffsdiesel... Moderne Stirlings haben ein noch niedrigeres Verhältnis - 1,5-2 kg pro Liter. mit. Sie sind noch kompakter und leichter.

Das Schema wurde also zweikreisig: ein Kreislauf mit einem Arbeitsmittel und der zweite - Wärmeversorgung; Dadurch konnte die Energieleistung auf bis zu 200 Liter gesteigert werden. mit. pro Liter Arbeitsvolumen und Effizienz - bis zu 38-40 Prozent. Zum Vergleich: modern

nye Diesel haben Effizienz. 34-38 Prozent und Vergasermotoren- 25-28. Darüber hinaus ist der Verbrennungsprozess von Kraftstoff in Stirling kontinuierlich, was die Toxizität - in Bezug auf den Kohlenmonoxidausstoß um das 200-fache und für Stickoxide - um 1-2 Größenordnungen stark reduziert. Hier liegt vielleicht eine der radikalen Lösungen für das Problem der städtischen Luftverschmutzung.

Der Arbeitsteil des modernen Stirlings ist ein geschlossenes, mit Arbeitsgas gefülltes Volumen (Abb. 2). Der obere Teil des Volumens ist heiß, er heizt sich kontinuierlich auf. Der untere ist kalt, die ganze Zeit wird er durch Wasser gekühlt. Im gleichen Volumen - ein Zylinder mit zwei Kolben: einem Verdränger und einem Arbeitskolben. Wenn der Kolben nach oben geht, wird das Gasvolumen komprimiert; nach unten - dehnt sich aus. Eine Auf- und Abbewegung des Verdrängerkolbens erzeugt eine abwechselnde Verteilung von erwärmtem und abgekühltem Gas. Wenn sich der Verdrängerkolben in der oberen Position (im heißen Raum) befindet, wird das meiste Gas in den kalten Bereich verdrängt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt sich der Arbeitskolben nach oben zu bewegen und komprimiert das Kaltgas. Nun saust der Verdrängerkolben nach unten, bis er den Arbeitskolben berührt, und das komprimierte Kaltgas wird in den heißen Raum gepumpt. Ausdehnung des erhitzten Gases - Arbeitshub. Ein Teil der Energie des Arbeitstaktes wird für die anschließende Verdichtung des Kaltgases gespeichert, der Überschuss geht an die Motorwelle.

Der Regenerator befindet sich zwischen Kalt- und Warmraum. Wenn das entspannte Heißgas durch die Bewegung des Verdrängerkolbens in den kalten Teil gepumpt wird, durchdringt es ein dichtes Bündel dünner Kupferdrähte und gibt die darin enthaltene Wärme ab. Beim Rückhub nimmt die komprimierte Kaltluft vor dem Eintritt in das heiße Teil diese Wärme wieder zurück.

1 - Einspritzventil; 2 - Ausstoß gekühlter Gase, 3 - Lufterhitzer; 4 - Heißgasauslass; 5 - heißer Raum; 6 - Regenerator; 7 - Zylinder; 8 - Kühlerrohre; 9 - kalter Raum; 10 - Arbeitskolben; 11 - Rautenantrieb; 12 - Brennkammer; 13 - Heizungsrohre; 14 - Verdrängerkolben; 15 - Lufteinlass für die Kraftstoffverbrennung; 16 - Pufferkammer.

Natürlich in echtes Auto alles sieht nicht so einfach aus (Abb. 3). Eine schnelle Erwärmung des Gases durch eine dicke Zylinderwand ist nicht möglich, dies erfordert eine viel größere Heizfläche. Deshalb verwandelt sich der obere Teil des geschlossenen Volumens in ein System dünner Rohre, die von der Flamme der Düse erhitzt werden. Um die Wärme der Verbrennungsprodukte möglichst vollständig zu nutzen, wird die der Düse zugeführte Kaltluft durch die Abgase vorgewärmt – so entsteht ein recht komplexer Verbrennungskreislauf.

Der kalte Teil des Arbeitsvolumens ist ebenfalls ein Rohrsystem, in das Kühlwasser gepumpt wird.

Unter dem Arbeitskolben befindet sich eine mit Druckgas gefüllte geschlossene Pufferkammer. Während des Arbeitshubes steigt der Druck in dieser Kavität. Die dabei gespeicherte Energie reicht aus, um das Kaltgas im Arbeitsvolumen zu verdichten.

Temperatur und Druck stiegen unkontrolliert an, als ich mich verbesserte. 800° Celsius und 250 atm. - dies ist eine sehr schwierige Aufgabe für Designer, es ist eine Suche nach besonders starken und hitzebeständigen Materialien, ein schwieriges Problem der Kühlung, da die Wärmeabgabe im Vergleich zu klassische Motoren hier anderthalb bis zweimal mehr.

Die Ergebnisse dieser Experimente führen manchmal zu den unerwartetsten Erkenntnissen. So stellten beispielsweise die Spezialisten der Firma "Philips" fest, die ihren Motor im Leerlauf (ohne Heizung) laufen ließen, dass der Zylinderkopf stark gekühlt ist. Ein völlig zufällig entdeckter Effekt führte zu einer ganzen Reihe von Entwicklungen und damit zur Geburt einer neuen Kältemaschine. Mittlerweile sind solche leistungsstarken und kleinen Kühlaggregate weltweit weit verbreitet. Aber zurück zu den Wärmekraftmaschinen.

Nachfolgende Ereignisse bauen sich wie ein Schneeball auf. 1958 ging Stirling mit dem Erwerb von Lizenzen durch andere Firmen nach Übersee. Sie begannen, es in verschiedenen Technologiebereichen zu testen. Es wird ein Projekt für den Einsatz eines Motors zum Antrieb von Geräten entwickelt Raumschiffe und Satelliten. Für Feldfunkstationen werden Kraftwerke geschaffen, die mit jeder Art von Brennstoff betrieben werden (mit einer Leistung von etwa 10 PS), die einen so niedrigen Geräuschpegel haben, dass er 20 Schritte lang nicht hörbar ist.

Großes Aufsehen erregte eine Demonstrationsanlage, die mit zwanzig Brennstoffen betrieben wurde. Ohne Abstellen des Motors wurden durch einfaches Drehen des Krans abwechselnd Benzin, Dieselkraftstoff, Rohöl, Olivenöl, Brenngas in die Brennkammer geleitet und die Maschine „verzehrte“ jedes „Futter“ perfekt. In der ausländischen Presse wurde über ein 2,5 Tausend Liter Motorenprojekt berichtet. mit. mit einem Kernreaktor. Geschätzte Effizienz 48-50%. Alle Abmessungen des Aggregats sind deutlich reduziert, wodurch das freigesetzte Gewicht und die freigesetzte Fläche für den biologischen Schutz des Reaktors gegeben werden können.

Noch eine interessante Entwicklung- Antrieb für ein Kunstherz mit einem Gewicht von 600 g und einer Leistung von 13 W. Ein schwach radioaktives Isotop liefert ihm eine nahezu unerschöpfliche Energiequelle.

Der Stirling-Motor wurde an einigen Autos getestet. In Bezug auf seine Betriebsparameter stand er dem Vergaser in nichts nach, und der Geräuschpegel und die Toxizität Abgase deutlich zurückgegangen.

Ein gestyltes Auto kann mit jeder Art von Kraftstoff und bei Bedarf mit einer Schmelze betrieben werden. Stellen Sie sich vor: Ein Autofahrer macht vor der Einfahrt in eine Stadt einen Brenner an und schmilzt mehrere Kilogramm Aluminiumoxid oder Lithiumhydrid. Er fährt "ohne zu rauchen" durch die Straßen der Stadt: Der Motor wird durch die in der Schmelze gespeicherte Wärme angetrieben. Eine der Firmen hat einen Roller gebaut, in dessen Tank etwa 10 Liter geschmolzenes Lithiumfluorid gegossen werden. Diese Aufladung reicht für 5 Stunden Betrieb mit der Motorleistung von 3 Litern. mit.

Die Arbeit an den Stirlings geht weiter. 1967 wurde ein Muster einer Pilotanlage mit einem Fassungsvermögen von 400 Litern hergestellt. mit. ein Zylinder. Ein umfassendes Programm ist in Arbeit, nach dem bis 1977 geplant ist Massenproduktion Motoren mit einem Leistungsbereich von 20 bis 380 Liter. mit. 1971 produzierte Philips einen Vierzylinder Industriemotor auf 200 Liter. mit. mit einem Gesamtgewicht von 800 kg. Seine Balance ist so hoch, dass eine Münze (grosser Groschen), die auf den Rand des Gehäuses gelegt wird, bewegungslos steht.

Zu den Vorteilen des neuen Motortyps gehört eine hohe Lebensdauer von etwa 10 Tausend Stunden. (es gibt separate Daten zu 27 Tausend) und reibungsloser Betrieb, da der Druck in den Zylindern gleichmäßig (sinusförmig) ansteigt und nicht wie bei einem Dieselmotor explodiert.

Auch die prospektive Entwicklung neuer Modelle wird hier betrieben. Wissenschaftler und Ingenieure arbeiten an der Kinematik verschiedener Optionen, berechnen auf elektronischen Computern verschiedene Arten von "Herzen", einem Stirling-Regenerator. Es wird nach neuen technischen Lösungen gesucht, die die Grundlage für sparsame und leistungsstarke Motoren bilden, die die üblichen Diesel- und Benzinmotoren ersetzen und damit einen unfairen Fehler der Geschichte korrigieren.

A. ALEXEEV

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Ökologie des Verbrauchs Wissenschaft und Technik: Der Stirling-Motor wird am häufigsten in Situationen verwendet, in denen eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie benötigt wird, die einfach und effizient ist.

Vor weniger als hundert Jahren versuchten Verbrennungsmotoren, ihren rechtmäßigen Platz im Wettbewerb unter anderen verfügbaren Maschinen und Bewegungsmechanismen zu erringen. Gleichzeitig war die Überlegenheit des Ottomotors damals noch nicht so offensichtlich. Vorhandene Maschinen An Dampfmaschinen gekennzeichnet durch Geräuschlosigkeit, hervorragende Leistungseigenschaften für die damalige Zeit, Wartungsfreundlichkeit, Benutzerfreundlichkeit verschiedener Art Kraftstoff. Im weiteren Kampf um den Markt setzten sich Verbrennungsmotoren aufgrund ihrer Effizienz, Zuverlässigkeit und Einfachheit durch.

Der weitere Wettlauf um die Verbesserung von Aggregaten und Antriebsmechanismen, in den Gasturbinen und Rotationsmotoren Mitte des 20 die neue art Motoren - thermisch, erstmals 1861 von einem schottischen Priester namens Robert Stirling erfunden. Der Motor wurde nach seinem Schöpfer benannt.

STIRLING-MOTOR: DIE PHYSIKALISCHE SEITE DES PROBLEMS

Um zu verstehen, wie ein Stirling-Tischkraftwerk funktioniert, sollte man verstehen allgemeine Informationenüber die Funktionsprinzipien von Wärmekraftmaschinen. Physikalisch besteht das Funktionsprinzip darin, mechanische Energie zu nutzen, die gewonnen wird, wenn sich ein Gas beim Erhitzen ausdehnt und dann beim Abkühlen komprimiert. Um das Funktionsprinzip zu demonstrieren, können Sie ein Beispiel anhand einer gewöhnlichen Plastikflasche und zweier Töpfe geben, von denen einer kaltes Wasser enthält, der andere heiße.

Beim Eintauchen einer Flasche in kaltes Wasser, dessen Temperatur nahe der Temperatur der Eisbildung liegt, sollte sie bei ausreichender Kühlung der Luft im Kunststoffbehälter mit einem Korken verschlossen werden. Wenn die Flasche in kochendes Wasser gelegt wird, „schießt“ der Korken nach einiger Zeit kräftig heraus, da in diesem Fall die erhitzte Luft eine um ein Vielfaches größere Arbeit verrichtet hat als beim Abkühlen. Bei wiederholter Wiederholung des Experiments ändert sich das Ergebnis nicht.

Die ersten Maschinen, die mit dem Stirling-Motor gebaut wurden, reproduzierten den im Experiment demonstrierten Prozess originalgetreu. Natürlich erforderte der Mechanismus eine Verbesserung bei der Nutzung eines Teils der Wärme, die das Gas während des Abkühlvorgangs zum weiteren Erhitzen verloren hat, damit Wärme an das Gas zurückgeführt werden kann, um das Erhitzen zu beschleunigen.

Aber auch die Anwendung dieser Innovation konnte den Stand der Dinge nicht retten, denn die ersten Stirlings zeichneten sich durch ihre Größe und geringe Leistung aus. In Zukunft wurde mehr als einmal versucht, das Design zu modernisieren, um eine Leistung von 250 PS zu erreichen. führte dazu, dass bei einem Zylinder mit einem Durchmesser von 4,2 Metern die Wirkleistung des Stirling-Kraftwerks von 183 kW tatsächlich nur 73 kW betrug.

Alle Stirling-Motoren arbeiten nach dem Prinzip des Stirling-Zyklus, der vier Hauptphasen und zwei Zwischenphasen umfasst. Die wichtigsten sind Erwärmung, Expansion, Kühlung und Kontraktion. Als Übergangsstufe gelten der Übergang zum Kälteerzeuger und der Übergang zum Heizelement. Die vom Motor verrichtete Nutzarbeit basiert allein auf der Temperaturdifferenz zwischen Heiz- und Kühlteil.

MODERNE STIRLING-KONFIGURATIONEN

Die moderne Technik unterscheidet drei Haupttypen solcher Motoren:

• Alpha-Styling, dessen Unterschied in zwei aktiven Kolben liegt, die sich in separaten Zylindern befinden. Von allen drei Möglichkeiten dieses Model hat die höchste Leistung mit der höchsten Temperatur des Heizkolbens;
• Beta-Styling, basierend auf einem Zylinder, von dem ein Teil heiß und der andere kalt ist;
• Gamma-Styling, das neben dem Kolben auch noch einen Verdränger besitzt.

Die Produktion des Stirling-Kraftwerks hängt von der Wahl des Motormodells ab, das alle positiven und negative Seitenähnliches Projekt.

VORTEILE UND NACHTEILE

Diese Motoren haben aufgrund ihrer Konstruktionsmerkmale eine Reihe von Vorteilen, sind jedoch nicht ohne Nachteile.

Das Desktop-Kraftwerk von Stirling, das nicht in einem Geschäft gekauft werden kann, sondern nur von Amateuren, die solche Geräte selbstständig sammeln, umfassen:

• große Abmessungen, die durch die Notwendigkeit einer ständigen Kühlung des Arbeitskolbens verursacht werden;
• die Verwendung von Hochdruck, der erforderlich ist, um die Leistung und Leistung des Motors zu verbessern;
• Wärmeverlust, der dadurch entsteht, dass die freigesetzte Wärme nicht auf das Arbeitsmedium selbst, sondern über ein System von Wärmetauschern übertragen wird, deren Erwärmung zu einem Wirkungsgradverlust führt;
• eine drastische leistungsreduzierung erfordert die anwendung besonderer prinzipien, die sich von traditionellen benzinmotoren unterscheiden.

Neben den Nachteilen haben Kraftwerke, die mit Stirling-Einheiten betrieben werden, unbestreitbare Vorteile:

• jede Art von Kraftstoff, da dieser Motor wie alle Motoren, die Wärmeenergie verwenden, in jeder Umgebung bei einer Temperaturdifferenz betrieben werden kann;
• Rentabilität. Diese Geräte können ein hervorragender Ersatz für Dampfgeräte sein, wenn die Solarenergie verarbeitet werden muss, und erreichen einen um 30 % höheren Wirkungsgrad;
• Umweltsicherheit. Da das kW-Tischkraftwerk kein Abgasmoment erzeugt, erzeugt es keinen Lärm und gibt keine Schadstoffe in die Atmosphäre ab. Gewöhnliche Wärme dient als Energiequelle, und der Brennstoff verbrennt fast vollständig;
• konstruktive Einfachheit. Für seine Arbeit benötigt Stirling keine zusätzlichen Teile oder Vorrichtungen. Es ist in der Lage, unabhängig von einem Starter zu starten;
• erhöhte Lebensdauer. Aufgrund seiner Einfachheit kann der Motor mehr als hundert Stunden Dauerbetrieb bieten.

ANWENDUNGEN FÜR STIRLING-MOTOREN

Der Stirling-Motor wird am häufigsten in Situationen verwendet, in denen eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie erforderlich ist, die einfach ist, während die Effizienz anderer Arten von Wärmeeinheiten unter ähnlichen Bedingungen deutlich geringer ist. Sehr oft werden solche Einheiten zum Antrieb von Pumpgeräten, Kühlkammern, U-Booten und Batterien verwendet, die Energie speichern.

Einer der vielversprechenden Einsatzbereiche von Stirlingmotoren sind Solarkraftwerke, da mit diesem Aggregat die Energie der Sonnenstrahlen erfolgreich in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dazu wird der Motor im Brennpunkt eines Spiegels platziert, der die Sonnenstrahlen bündelt, wodurch der zu beheizende Bereich permanent beleuchtet wird. Dadurch kann die Sonnenenergie auf eine kleine Fläche fokussiert werden. Der Treibstoff für den Motor ist in diesem Fall Helium oder Wasserstoff. veröffentlicht von

Der Stirling-Zyklus gilt als unverzichtbares Zubehör des Stirling-Motors. Gleichzeitig, Detaillierte Studie die Funktionsprinzipien vieler bisher entwickelter Konstruktionen zeigen, dass ein erheblicher Teil von ihnen einen anderen Arbeitszyklus als den Stirling-Zyklus aufweist. Alpha-Styling mit unterschiedlichen Kolbendurchmessern hat beispielsweise einen Zyklus, der dem von Ericsson ähnlicher ist. Auch Beta- und Gamma-Konfigurationen, die am Verdrängerkolben einen ausreichend großen Stangendurchmesser aufweisen, nehmen eine gewisse Zwischenstellung zwischen den Stirling- und Ericsson-Zyklen ein.

Wenn sich der Verdränger in der Beta-Konfiguration bewegt, erfolgt die Zustandsänderung des Arbeitsfluids nicht entlang der Isochore, sondern entlang einer geneigten Linie zwischen der Isochore und der Isobaren. Mit einem bestimmten Verhältnis des Stabdurchmessers zum Gesamtdurchmesser des Verdrängers kann eine Isobare erreicht werden (dieses Verhältnis hängt von den Betriebstemperaturen ab). In diesem Fall spielt der Kolben, der bisher ein Arbeitskolben war, nur eine Nebenrolle und die Verdrängerstange wird zu einem echten Arbeitskolben. Die spezifische Leistung eines solchen Motors ist etwa 2-mal höher als beim üblichen Styling, geringere Reibungsverluste, da der Druck auf den Kolben gleichmäßiger ist. Ein ähnliches Bild im Alpha-Styling mit unterschiedlichen Kolbendurchmessern. Bei einem Motor mit Zwischendiagramm kann eine Last gleichmäßig zwischen den Kolben, dh zwischen dem Arbeitskolben und der Verdrängerstange, verteilt werden.

Ein wichtiger Vorteil der Betrieb des Motors nach dem Ericsson-Zyklus oder nahe daran besteht darin, dass die Isochore durch eine Isobare oder einen Prozess in der Nähe davon ersetzt wird. Wenn sich das Arbeitsmedium entlang der Isobaren ausdehnt, gibt es keine Druckänderungen, keinen Wärmeaustausch, außer der Wärmeübertragung vom Rekuperator auf das Arbeitsmedium. Und diese Heizung verrichtet sofort nützliche Arbeit: Bei der isobaren Verdichtung wird Wärme an den Rekuperator abgegeben.
Beim Stirling-Zyklus treten beim Erwärmen oder Abkühlen des Arbeitsfluids entlang der Isochore Wärmeverluste in Verbindung mit isothermen Prozessen im Erhitzer und Kühler auf.

Aufbau

Ingenieure klassifizieren Stirling-Motoren in drei verschiedene Typen:

• Alpha-Stirling- enthält zwei separate Kraftkolben in separaten Zylindern. Ein Kolben ist heiß, der andere kalt. Der heiße Kolbenzylinder befindet sich im Wärmetauscher mit höherer Temperatur, der kalte Kolbenzylinder im kälteren Wärmetauscher. Dieser Motortyp hat ein ziemlich hohes Leistungs-Volumen-Verhältnis, aber leider verursacht die hohe Temperatur des "heißen" Kolbens gewisse technische Probleme.

Der Regenerator befindet sich zwischen dem heißen und dem kalten Teil des Verbindungsrohres.

• Beta-Stirling- es gibt nur einen Zylinder, heiß an einem Ende und kalt am anderen. Ein Kolben (von dem die Leistung abgenommen wird) und ein "Verdränger" bewegen sich im Zylinder und verändern das Volumen des heißen Hohlraums. Durch den Regenerator wird das Gas vom kalten in den heißen Teil des Zylinders gepumpt. Der Regenerator kann extern sein, als Teil eines Wärmetauschers oder mit einem Verdrängerkolben kombiniert werden.

• Gamma-Stirling- es gibt auch einen Kolben und einen "Verdränger", aber gleichzeitig gibt es zwei Zylinder - einen kalt (der Kolben bewegt sich dorthin, von dem die Leistung entfernt wird), und der zweite ist an einem Ende heiß und am anderen kalt (dort bewegt sich ein "Verdränger"). Der Regenerator kann extern sein, in diesem Fall verbindet er den heißen Teil des zweiten Zylinders mit dem kalten und gleichzeitig mit dem ersten (kalten) Zylinder. Der interne Regenerator ist Teil des Verdrängers.

Es gibt auch Varianten des Stirling-Motors, die nicht unter die oben genannten drei klassischen Typen fallen:

• Wankelmotor Stirling- die Dichtheitsprobleme wurden gelöst (Mukhins Patent für einen abgedichteten Rotationseingang (GVV), eine Silbermedaille für internationale ausstellung in Brüssel "Eureka-96") und Sperrigkeit (kein Kurbeltrieb vorhanden, da der Motor rotierend ist).

Nachteile

• Materialverbrauch- der Hauptnachteil des Motors. Bei Verbrennungsmotoren im Allgemeinen und dem Stirling-Motor im Besonderen muss das Arbeitsmedium gekühlt werden, was aufgrund der vergrößerten Kühler zu einer deutlichen Zunahme der Masse und Abmessungen des Kraftwerks führt.

• Für Leistung vergleichbar mit ICE-Eigenschaften, man muss sich bewerben hohe Drücke (über 100 atm) und spezielle Arten von Arbeitsflüssigkeiten- Wasserstoff, Helium.

• Wärme wird dem Arbeitsmedium nicht direkt zugeführt, jedoch nur durch die Wände der Wärmetauscher. Die Wände haben eine begrenzte Wärmeleitfähigkeit, wodurch die Effizienz geringer ist als erwartet. Ein heißer Austauscher arbeitet unter sehr belastenden Wärmeübertragungsbedingungen und unter sehr hohe Drücke, die die Verwendung von hoher Qualität erfordert und teure Materialien... Einen Wärmetauscher zu konstruieren, der widersprüchliche Anforderungen erfüllt, ist schwierig. Je höher die Wärmeaustauschfläche, desto weniger Wärmeverlust. Gleichzeitig nehmen die Größe des Wärmetauschers und das Volumen des nicht an der Arbeit beteiligten Arbeitsfluids zu. Da sich die Wärmequelle außerhalb befindet, reagiert der Motor nur langsam auf Änderungen des Wärmeflusses zum Zylinder und liefert möglicherweise nicht sofort die erforderliche Leistung beim Starten.

• Methoden werden verwendet, um die Motorleistung schnell von der in Verbrennungsmotoren verwendeten zu ändern: Puffertank mit variablem Volumen, Änderung des mittleren Drucks des Arbeitsmediums in den Kammern, Änderung des Phasenwinkels zwischen dem Arbeitskolben und dem Verdränger. Im letzteren Fall erfolgt die Reaktion des Motors auf die Steueraktion des Fahrers fast augenblicklich.

Vorteile

Dennoch hat der Stirlingmotor Vorteile, die seine Entwicklung notwendig machen.

• "Allesfresser" Motor- wie alle externen Verbrennungsmotoren (oder besser gesagt externe Wärmeversorgung) kann ein Stirlingmotor mit fast jedem Temperaturunterschied betrieben werden: zum Beispiel zwischen verschiedenen Wasserschichten im Ozean, von der Sonne, von einem Atom- oder Isotopenheizer, Kohle oder Holzofen usw. ...
• Einfachheit des Designs- das Design des Motors ist sehr einfach, es erfordert kein zusätzliche Systeme wie der Gasverteilungsmechanismus. Es startet von selbst und benötigt keinen Anlasser. Seine Eigenschaften ermöglichen es, das Getriebe loszuwerden. Es hat jedoch, wie oben erwähnt, einen höheren Materialverbrauch.
• Mehr Ressourcen- Die Einfachheit des Designs und das Fehlen vieler "empfindlicher" Einheiten ermöglicht es dem Stirling, in Zehn- und Hunderttausenden von Stunden Dauerbetrieb eine beispiellose Ressource für andere Motoren bereitzustellen.
• Rentabilität- Bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität bieten Stirlings manchmal einen höheren Wirkungsgrad (bis zu 31,25 %) als Dampfmaschinen.
• Leiser Motor- das Styling hat keinen Auspuff, was bedeutet, dass es keine Geräusche macht. Beta-Styling mit Rhomben-Mechanik ist ein perfekt ausbalanciertes Gerät und weist bei ausreichend hoher Verarbeitungsqualität nicht einmal Vibrationen auf (Schwingungsamplitude liegt unter 0,0038 mm).
• Umweltfreundlichkeit- Stirling selbst hat keine Teile oder Prozesse, die zur Umweltverschmutzung beitragen können. Es verbraucht keine Arbeitsflüssigkeit. Die Umweltfreundlichkeit des Motors ist in erster Linie auf die Umweltfreundlichkeit der Wärmequelle zurückzuführen. Es ist auch erwähnenswert, dass es einfacher ist, die Vollständigkeit der Kraftstoffverbrennung in einem Verbrennungsmotor als in einem Verbrennungsmotor sicherzustellen.

Anwendung

Stirlingmotor mit Lineargenerator

Der Stirlingmotor kommt überall dort zum Einsatz, wo ein kompakter thermischer Energiewandler mit einfacher Konstruktion benötigt wird oder wenn der Wirkungsgrad anderer Wärmekraftmaschinen geringer ist: zum Beispiel wenn die Temperaturdifferenz nicht ausreicht, um eine Dampf- oder Gasturbine zu betreiben.

Thermoakustik ist ein Teilgebiet der Physik über die gegenseitige Umwandlung von thermischer und akustischer Energie. Es entstand an der Schnittstelle von Thermodynamik und Akustik. Daher der Name. Diese Wissenschaft ist noch sehr jung. Als eigenständige Disziplin entstand sie Ende der 70er Jahre des letzten Jahrhunderts, als der Schweizer Nikalaus Rott seine Arbeiten über die mathematischen Grundlagen der linearen Thermoakustik beendete. Und doch tauchte es nicht aus dem Nichts auf. Seiner Entstehung ging die Entdeckung interessanter Effekte voraus, die wir einfach in Betracht ziehen müssen.

WO ES BEGANN
Die Thermoakustik hat eine lange Geschichte, die mehr als zwei Jahrhunderte zurückreicht.

Die ersten offiziellen Aufzeichnungen von durch Hitze erzeugten Schwingungen wurden 1777 von Higgins gemacht. Er experimentierte mit einem offenen Glasrohr, in dem akustische Schwingungen durch einen speziell platzierten Wasserstoffbrenner angeregt wurden. Dieses Erlebnis ging als Higgins Singing Flame in die Geschichte ein.

Abbildung 1. Higgins singende Flamme

Moderne Physiker sind jedoch besser bekannt für ein anderes Experiment, die "Rijke-Röhre". Im Zuge seiner Experimente schuf Rijke ein neues Musikinstrument aus dem Orgelrohr. Er ersetzte Higgins' Wasserstoffflamme durch einen beheizten Drahtschirm und zeigte experimentell, dass der stärkste Schall erzeugt wird, wenn der Schirm ein Viertel des Rohres vom unteren Ende entfernt ist. Die Schwingungen wurden gestoppt, wenn das obere Ende des Rohres bedeckt war. Dies bewies, dass ein konvektiver Längsschub erforderlich war, um Schall zu erzeugen. Die Arbeit von Higgins und Rijke diente später als Grundlage für die Geburtsstunde der Wissenschaft der Verbrennung, die heute überall dort verwendet wird, wo dieses Phänomen verwendet wird

Abbildung 2. Rijke-Röhre.

Verbrennen von Pulverscheinen zu Raketentriebwerke... Tausende von Dissertationen auf der ganzen Welt widmen sich den Phänomenen in der Rijke-Röhre, aber das Interesse an diesem Gerät ist bis heute nicht nachgelassen.

1850 befasste sich Sondhauss mit einem seltsamen Phänomen, das Glasbläser bei ihrer Arbeit beobachten. Wenn die kugelförmige Ausbuchtung des heißen Glases Luft in das kalte Ende des Blasrohrs drückt, wird reiner Klang erzeugt. Bei der Analyse des Phänomens stellte Sondhauss fest, dass Schall erzeugt wird, wenn eine kugelförmige Ausbuchtung am Ende einer Röhre erhitzt wird. In diesem Fall ändert sich der Klang mit der Längenänderung des Rohres. Im Gegensatz zur Rijke-Röhre war die Sondhauss-Röhre nicht von konvektivem Schub abhängig.

Abbildung 3. Sondhauss-Röhre.

Ein ähnliches Experiment wurde später von Takonis durchgeführt. Anders als Sondhauss erhitzte er das Ende des Rohres nicht, sondern kühlte es mit einer kryogenen Flüssigkeit. Dabei zeigte sich, dass für die Schallerzeugung nicht die Heizung wichtig ist, sondern die Temperaturdifferenz.
Die erste qualitative Analyse von hitzebedingten Schwankungen wurde 1887 von Lord Rayleigh gegeben. Die von Rayleigh formulierte Erklärung der obigen Phänomene ist der Thermoakustik heute als Rayleigh-Prinzip bekannt. Es klingt ungefähr so: „Wenn im Moment der größten Kompression Wärme an das Gas abgegeben oder im Moment des höchsten Vakuums Wärme entzogen wird, dann regt dies Schwingungen an. »Diese Formulierung beschreibt trotz ihrer Einfachheit den direkten thermoakustischen Effekt, also die Umwandlung von Wärmeenergie in Schallenergie, vollständig.

Vortex-Effekt

Vortex-Effekt(der Rank-Hilsch-Effekt, eng. Ranque-Hilsch-Effekt) - die Wirkung der Trennung eines Gases oder einer Flüssigkeit beim Verwirbeln in einer zylindrischen oder konischen Kammer in zwei Fraktionen. An der Peripherie wird eine wirbelnde Strömung mit einer höheren Temperatur gebildet, und in der Mitte - eine wirbelnde gekühlte Strömung, und die Drehung in der Mitte erfolgt in die entgegengesetzte Richtung als an der Peripherie. Der Effekt wurde erstmals Ende der 1920er Jahre von dem französischen Ingenieur Joseph Rank bei der Temperaturmessung in einem Industriezyklon entdeckt. Ende 1931 beantragte J. Rank ein erfundenes Gerät, das er "Vortex-Röhre" nannte (in der Literatur als Ranke-Röhre bezeichnet). Erst 1934 konnte in Amerika ein Patent erworben werden (US-Patent Nr. 1952281). Gegenwärtig wurden eine Reihe von Geräten implementiert, die den Wirbeleffekt nutzen, Vortex-Geräte. Dies sind "Wirbelkammern" zur chemischen Trennung von Stoffen unter Einwirkung von Fliehkräften und "Wirbelrohre" als Kältequelle.

Wirbelbewegung ist seit den 1960er Jahren Gegenstand vieler wissenschaftlicher Studien. Regelmäßige Fachkonferenzen zum Wirbeleffekt finden beispielsweise an der Samara Aerospace University statt.

Vortex-Wärmeerzeuger und Mikrokonditionierer existieren und werden verwendet.

In dieser Welt gibt es Dinge, die genial, unverständlich und völlig unwirklich sind. So unwirklich, dass sie Artefakte aus einem Paralleluniversum zu sein scheinen. Zu diesen Artefakten gehören neben dem Stirling-Motor, der Vakuum-Radioröhre und dem schwarzen Quadrat von Malewitsch die sogenannten. "Tesla-Turbine".
Allgemein gesagt Besonderheit all diese Dinge - absolute Einfachheit. Keine Vereinfachung, sondern Einfachheit. Das heißt, wie in den Kreationen von Michelangelo - alles Überflüssige fehlt, einige technische oder semantische "Requisiten", reines Bewusstsein "in Eisen" verkörpert oder auf die Leinwand gespritzt. Und bei all dem die absolute Nichtzirkulation. Das Schwarze Quadrat ist eine Art "Ort" der Kunst. Es kann keinen zweiten solchen geben, der von einem anderen Künstler geschrieben wurde.

All dies trifft voll und ganz auf die Tesla-Turbine zu. Konstruktiv besteht es aus mehreren (10-15) dünnen Scheiben, die in geringem Abstand zueinander auf der Turbinenachse montiert und in einem Gehäuse angeordnet sind, das einer Polizeipfeife ähnelt.

Dass der Scheibenrotor technisch viel fortschrittlicher und zuverlässiger ist als selbst das „Lavalrad“, muss nicht erklärt werden, zu den Rotoren konventioneller Turbinen schweige ich schon. Dies ist der erste Vorteil des Systems. Der zweite ist, dass im Gegensatz zu anderen Turbinentypen besondere Maßnahmen getroffen werden müssen, um die Strömung des Arbeitsfluids zu laminarisieren. In einer Tesla-Turbine strömt das Arbeitsmedium (das Luft, Dampf oder sogar Flüssigkeit sein kann) streng laminar. Daher werden Verluste durch gasdynamische Reibung darin auf Null reduziert: Der Wirkungsgrad der Turbine beträgt 95 %.

Es sollte jedoch berücksichtigt werden, dass der Wirkungsgrad einer Turbine und der Wirkungsgrad eines thermodynamischen Kreislaufs etwas unterschiedliche Dinge sind. Der Wirkungsgrad einer Turbine kann als Verhältnis der an der Turbinenrotorwelle in mechanische Energie umgewandelten Energie zur Energie des Arbeitszyklus (dh der Differenz zwischen Anfangs- und Endenergie des Arbeitsfluids) charakterisiert werden. Der Wirkungsgrad moderner Dampfturbinen ist also auch sehr hoch - 95-98%, der Wirkungsgrad des thermodynamischen Kreislaufs liegt jedoch aufgrund einer Reihe von Einschränkungen nicht über 40-50%.

Das Funktionsprinzip der Turbine basiert auf der Tatsache, dass das Arbeitsfluid (sagen wir - Gas), das sich im Gehäuse aufgrund von Reibung verdreht, den Rotor "mitzieht". Gleichzeitig gibt das Gas einen Teil der Energie an den Rotor ab, verlangsamt sich und aufgrund der Corioliskraft, die aus der Wechselwirkung mit dem Rotor entsteht, wie Teeblätter im Tee, "rollt" es zur Achse des Rotors, wo es spezielle Löcher gibt, durch die das "verbrauchte" Arbeitsfluid entfernt wird.
Die Tesla-Turbine wandelt wie die Laval-Turbine die kinetische Energie des Arbeitsmediums um. Das heißt, die Umwandlung potentieller Energie (zum Beispiel Druckluft oder Heißdampf) in den kinetischen erzeugt werden, bevor der Turbinenrotor mit einer Düse beschickt wird. Allerdings erwies sich die Laval-Turbine mit einem insgesamt recht hohen Wirkungsgrad bei als äußerst wirkungslos niedrige Drehzahlen, was die Konstruktion von Getrieben erforderlich machte, deren Abmessungen und Masse um ein Vielfaches größer waren als die Abmessungen und die Masse der Turbine selbst. Der grundlegende Unterschied der Tesla-Turbine besteht darin, dass sie in einem weiten Drehzahlbereich recht effizient arbeitet, was es ermöglicht, ihre Welle direkt mit dem Generator zu verbinden. Außerdem ist die Tesla-Turbine leicht reversibel.

Interessanterweise positionierte Nikola Tesla selbst seine Erfindung als eine Möglichkeit zur hocheffizienten Nutzung der Geothermie, die er als die Energie der Zukunft betrachtete. Darüber hinaus kann aus einer Turbine ohne Änderungen eine hocheffiziente Vakuumpumpe werden – drehen Sie einfach ihre Welle von einer anderen Turbine oder einem Elektromotor.

Die Herstellbarkeit der Tesla-Turbine macht es möglich, ihre Varianten aus buchstäblich allem herzustellen: Ein Scheibenrotor kann aus alten CDs oder "Pfannkuchen" aus einer ausgefallenen Computer-"Festplatte" hergestellt werden. Gleichzeitig erweist sich die Leistung eines solchen Motors trotz der "Spielzeug" -Materialien und -Abmessungen als sehr beeindruckend. Apropos Abmessungen: 110 PS Motor. war nicht mehr als die Systemeinheit des aktuellen Personalcomputers.

Rang-Effekt-Geräte

Der Rank-Effekt zog Erfinder von Anfang an mit seiner scheinbaren Einfachheit an technische Umsetzung- eigentlich die einfachste Implementierung Wirbelrohr ist ein Rohrstück, das gebräuchlichste, bei dem die ursprüngliche Strömung von einer Seite tangential nach innen geleitet wird und am gegenüberliegenden Ende eine ringförmige Membran installiert ist und der gekühlte Teil der Strömung aus ihrer inneren Bohrung und aus der Spalte zwischen äußere Kante die Membran und die Innenfläche des Rohres - sein heißer Teil. In der Realität ist jedoch nicht alles so einfach – eine effektive Trennung ist bei weitem nicht immer möglich, und die Effizienz solcher Installationen ist den weit verbreiteten Kompressor-Wärmepumpen meist deutlich unterlegen. Darüber hinaus werden die Parameter einer Ranque-Effekt-Einheit normalerweise für eine bestimmte Leistung berechnet, die durch die Geschwindigkeit und den Durchfluss des Materials des Anfangsstroms bestimmt wird, und wenn die Parameter des Einlassstroms von den optimalen Werten abweichen, wird der Wirkungsgrad von das Wirbelrohr verschlechtert sich erheblich. Nichtsdestotrotz ist anzumerken, dass die Fähigkeiten einiger Installationen, die auf dem Rank-Effekt basieren, Respekt einflößen – zum Beispiel die erreichte Rekordkühlung in einer Stufe beträgt mehr als 200°C!

Unter Berücksichtigung unseres Klimas ist jedoch die Nutzung des Ranque-Effekts zum Heizen von viel größerem Interesse, und gleichzeitig möchte ich auch nicht über die „improvisierten Mittel“ hinausgehen.

Die Essenz des Rank-Effekts

Wenn sich der Gas- oder Flüssigkeitsstrom entlang der sich glatt drehenden Oberfläche des Rohrs bewegt, bildet sich in der Nähe seiner Außenwand ein Bereich mit erhöhtem Druck und Temperatur und in der Nähe der Innenwand (oder in) ein Bereich mit verringerter Temperatur und Druck die Mitte der Kavität, wenn das Gas über die Oberfläche eines zylindrischen Gefäßes gewirbelt wird). Dieses bekannte Phänomen heißt der Rank-Effekt unter dem Namen des französischen Ingenieurs Joseph Rank, der es 1931 entdeckte (G.J. Ranque, manchmal schreiben sie "Ranke"), oder der Rank-Hilsch-Effekt(Der Deutsche Robert Hilsh setzte seine Studien über diesen Effekt in der zweiten Hälfte der 1940er Jahre fort und verbesserte die Effizienz der Rank-Wirbelröhre). Strukturen, die den Ranque-Effekt nutzen, sind eine Art Wärmepumpe, deren Energie dem Gebläse entnommen wird, das am Einlass des Rohres eine Strömung des Arbeitsmediums erzeugt.

Das Paradox des Rank-Effekts ist, dass Zentrifugalkräfte in einem rotierenden Strom werden nach außen gerichtet. Wie Sie wissen, haben wärmere Gas- oder Flüssigkeitsschichten eine geringere Dichte und sollten nach oben steigen und bei Fliehkräften - zum Zentrum neigen, kältere haben eine höhere Dichte und sollten dementsprechend zur Peripherie tendieren. Inzwischen bei schnelle Geschwindigkeit eine rotierende Strömung, alles passiert genau das Gegenteil!

Der Ranque-Effekt zeigt sich sowohl für einen Gasstrom als auch für einen Flüssigkeitsstrom, der bekanntlich praktisch inkompressibel ist und daher der adiabatische Kompressions-/Expansionsfaktor auf ihn nicht anwendbar ist. Dennoch ist der Ranque-Effekt bei einer Flüssigkeit meist deutlich weniger ausgeprägt – vielleicht gerade deshalb, und die sehr kleine mittlere freie Weglänge der Partikel macht es schwer, sich zu manifestieren. Dies ist jedoch wahr, wenn wir im Rahmen der traditionellen molekularkinetischen Theorie bleiben, und der Effekt kann ganz andere Gründe haben.

Meiner Meinung nach auf dieser Moment die vollständigste und zuverlässigste wissenschaftliche Beschreibung des Rank-Effekts wird im Artikel von A.F. Gutsol (im pdf-Format) präsentiert. Überraschenderweise stimmen seine Schlussfolgerungen über das Wesen des Phänomens im Kern mit denen überein, die wir "an den Fingern" erhalten haben. Leider ignoriert er den ersten Faktor (adiabatische Kompression des Gases am Außenradius und Expansion am Innenradius), der meiner Meinung nach bei der Verwendung von kompressiblen Gasen sehr bedeutsam ist, obwohl er nur innerhalb des Gerätes wirkt. Und den zweiten Faktor nennt AF Gutsol "die Trennung von schnellen und langsamen Mikrovolumina".