Sprawność silnika spalinowego zewnętrznego. Silnik Stirlinga – jak to działa

1. Wstęp …………………………………………………………………………… 3

2. Historia …………………………………………………………………………… 4

3. Opis …………………………………………………………………………… 4

4. Konfiguracja …………………………………………………………………. 6

5. Wady ……………………………………………………………………………… .. 7

6. Zalety ………………………………………………………………… 7

7. Wniosek ………………………………………………………………………. osiem

8. Wniosek ………………………………………………………………………. jedenaście

9. Bibliografia ……………………………………………………… .. 12

Wstęp

Na początku XXI wieku ludzkość patrzy w przyszłość z optymizmem. Są ku temu najbardziej przekonujące powody. Myśl naukowa nie stoi w miejscu. Dziś oferujemy coraz więcej nowych rozwiązań. W nasze życie wprowadzane są coraz bardziej ekonomiczne, przyjazne dla środowiska i obiecujące technologie

Dotyczy to przede wszystkim alternatywnej budowy silników i stosowania tzw. „nowych” gatunki alternatywne paliwo: wiatr, słońce, woda i inne źródła energii

Dzięki wszelkiego rodzaju silnikom człowiek otrzymuje energię, światło, ciepło i informacje. Silniki to serce, które bije wraz z rozwojem współczesnej cywilizacji. Zapewniają wzrost produkcji, skracają dystans. Obecnie popularne silniki wewnętrzne spalanie mieć cała linia wady: ich pracy towarzyszy hałas, wibracje, emitują szkodliwe spaliny, zanieczyszczając tym samym naszą przyrodę i zużywają dużo paliwa. Ale dziś istnieje już alternatywa dla nich. Klasą silników, której szkoda jest minimalna, są silniki Stirlinga. Pracują w obiegu zamkniętym, bez ciągłych mikrowybuchów w cylindrach roboczych, praktycznie bez wydzielania szkodliwych gazów, a do tego wymagają znacznie mniej paliwa.

Wynaleziony na długo przed silnikiem spalinowym i dieslem, silnik Stirlinga został niezasłużenie zapomniany.

Ożywienie zainteresowania silnikami Stirlinga wiąże się zwykle z działalnością Philipsa. Prace nad projektowaniem silników Stirlinga małej mocy rozpoczęto w firmie w połowie lat 30. XX wieku. Celem pracy było stworzenie niewielkiego generatora elektrycznego o niskim poziomie szumów z napędem termicznym do zasilania urządzeń radiowych w rejonach świata, w których nie ma stałych źródeł zasilania. W 1958 roku firma Silniki ogólne zawarta umowa licencyjna z firmą Philips, a ich współpraca trwała do 1970 roku. Zmiany dotyczyły zastosowania silników Stirlinga w elektrowniach kosmicznych i podwodnych, samochodach i statkach, a także w stacjonarnych systemach zasilania. Szwedzka firma United Stirling, która skoncentrowała swoje wysiłki głównie na silnikach do Pojazd duża nośność, rozszerzyli swoje zainteresowania na dziedzinę silników dla samochody osobowe... Prawdziwe zainteresowanie silnikiem Stirlinga odrodziło się dopiero podczas tak zwanego „kryzysu energetycznego”. Wtedy to potencjał tego silnika w stosunku do ekonomicznej konsumpcji konwencjonalnego paliwa płynnego wydawał się szczególnie atrakcyjny, co wydawało się być bardzo ważne w związku ze wzrostem cen paliw.

Historia

Silnik Stirlinga został po raz pierwszy opatentowany przez szkockiego księdza Roberta Stirlinga 27 września 1816 r. (patent angielski nr 4081). Jednak pierwsze elementarne „silniki na gorące powietrze” były znane pod koniec XVII wieku, na długo przed Stirlingiem. Osiągnięciem Stirlinga jest dodanie oczyszczacza, który nazywa „gospodarką”. We współczesnej literaturze naukowej ten oczyszczacz nazywa się „regeneratorem” (wymiennikiem ciepła). Zwiększa wydajność silnika, zatrzymując ciepło w ciepłej części silnika, podczas gdy płyn roboczy jest chłodzony. Proces ten znacznie poprawia wydajność systemu. W 1843 roku James Stirling użył tego silnika w fabryce, w której pracował wówczas jako inżynier. W 1938 roku Philips zainwestował w silnik Stirlinga o pojemności ponad dwustu Koń mechaniczny i zwrot ponad 30%. Silnik Stirlinga ma wiele zalet i był szeroko rozpowszechniony w erze silników parowych.

Opis

Silnik Stirlinga- silnik cieplny, w którym płynny lub gazowy płyn roboczy porusza się w zamkniętej objętości, rodzaj silnika spalinowego. Polega na okresowym ogrzewaniu i chłodzeniu płynu roboczego z pozyskiwaniem energii z powstałej zmiany objętości płynu roboczego. Może pracować nie tylko ze spalania paliwa, ale także z dowolnego źródła ciepła.

W XIX wieku inżynierowie chcieli stworzyć bezpieczną alternatywę dla ówczesnych maszyn parowych, których kotły często eksplodowały z powodu wysokiego ciśnienia pary i nieodpowiednich materiałów do ich budowy. Dobra alternatywa dla silników parowych pojawiła się wraz z powstaniem silników Stirlinga, które potrafiły zamienić każdą różnicę temperatur w pracę. Podstawową zasadą działania silnika Stirlinga jest ciągłe naprzemienne podgrzewanie i chłodzenie płynu roboczego w zamkniętym cylindrze. Zwykle jako czynnik roboczy działa powietrze, ale stosuje się również wodór i hel. W wielu próbkach doświadczalnych testowano freony, dwutlenek azotu, skroplony propan-butan i wodę. W tym ostatnim przypadku woda pozostaje w stanie ciekłym we wszystkich częściach cyklu termodynamicznego. Cechą mieszania z płynnym płynem roboczym jest mały rozmiar, wysoka określona moc i wysokie ciśnienia robocze. Istnieje również dwufazowy płyn do mieszania. Charakteryzuje się również dużą gęstością mocy i wysokim ciśnieniem roboczym.

Z termodynamiki wiadomo, że ciśnienie, temperatura i objętość gazu są ze sobą powiązane i są zgodne z prawem gazów doskonałych

• P to ciśnienie gazu;
• V to objętość gazu;
• n to liczba moli gazu;
• R jest uniwersalną stałą gazową;
• T to temperatura gazu w kelwinach.

Oznacza to, że gdy gaz jest podgrzewany, jego objętość wzrasta, a gdy się ochładza, zmniejsza się. To właśnie ta właściwość gazów leży u podstaw działania silnika Stirlinga.

Silnik Stirlinga wykorzystuje cykl Stirlinga, który nie jest gorszy od cyklu Carnota pod względem sprawności termodynamicznej, a nawet ma przewagę. Chodzi o to, że cykl Carnota składa się z trochę różnych izoterm i adiabatów. Praktyczna realizacja tego cyklu nie jest zbyt obiecująca. Cykl Stirlinga umożliwił uzyskanie praktycznie pracującego silnika w akceptowalnych wymiarach.

Cykl Stirlinga składa się z czterech faz i jest podzielony na dwie fazy przejściowe: nagrzewanie, rozprężanie, przejście do zimnego źródła, chłodzenie, sprężanie i przejście do źródła ciepła. Tak więc podczas przechodzenia ze źródła ciepłego do źródła zimnego gaz w butli rozszerza się i kurczy. Różnicę w objętości gazu można zamienić w pracę, co robi silnik Stirlinga. Cykl pracy silnika Stirlinga typu beta:

1

2

3

4

gdzie: a - tłok wyporowy; b - tłok roboczy; c - koło zamachowe; d - ogień (powierzchnia grzewcza); e - żebra chłodzące (obszar chłodzenia).

1. Zewnętrzne źródło ciepła ogrzewa gaz w dolnej części cylindra wymiennika ciepła. Wytworzone ciśnienie popycha tłok roboczy do góry (należy zwrócić uwagę, że tłok wyporowy nie przylega ściśle do ścian).
2. Koło zamachowe popycha tłok wyporowy w dół, przesuwając w ten sposób ogrzane powietrze z dna do komory chłodzącej.
3. Powietrze ochładza się i kurczy, tłok opada.
4. Tłok wyporowy porusza się w górę, w ten sposób przesuwając schłodzone powietrze w dół. I cykl się powtarza.

W maszynie Stirlinga ruch tłoka roboczego jest przesunięty o 90 ° w stosunku do ruchu tłoka wyporowego. W zależności od znaku tego przesunięcia maszyną może być silnik lub pompa ciepła. Na przesunięciu 0 maszyna nie wykonuje żadnej pracy (poza stratami tarcia) i jej nie generuje.

Beta Stirling- jest tylko jeden cylinder, z jednej strony gorący, z drugiej zimny. Tłok (z którego usuwana jest moc) i „wypieracz” poruszają się wewnątrz cylindra, zmieniając objętość gorącej wnęki. Gaz jest pompowany od zimnego do gorącego końca butli przez regenerator. Regenerator może być zewnętrzny, stanowić część wymiennika ciepła lub być połączony z tłokiem wyporowym.

Gamma Stirlinga- jest też tłok i "wypieracz", ale jednocześnie są dwa cylindry - jeden zimny (tam porusza się tłok, z którego pobierana jest moc), a drugi jest gorący z jednego końca i zimny z drugiego (przemieszcza się tam „wypieracz”). Regenerator łączy gorącą część drugiego cylindra z zimną i jednocześnie z pierwszym (zimnym) cylindrem.

1. Wydaje się, że teoretyczna sprawność może być równa Wydajność ideału Cykl Carnota (czyli maksymalnie możliwy przy pewnej różnicy temperatur), ale w warunkach „idealnego” regeneratora o współczynniku przenikania ciepła 1,0. Tutaj jest niejasne. Niektóre źródła piszą, że maksymalny współczynnik wynosi 0,5, co uzasadnia fakt, że ciepło będzie przechodzić z ciała gorącego do zimnego, aż ich temperatura będzie równa, czyli osiągnie połowę różnicy temperatur między ciałem gorącym i zimnym (tak samo współczynnik wynosi 0,5). Ale niektóre źródła wspominają o współczynniku przenikania ciepła regeneratora do 0,98, nie opisując, jak to osiągnąć. Gdzie prawda jest niejasna.
2. Alpha Stirling (dwa cylindry z tłokami - gorący i zimny) ma problemy ze smarowaniem gorącego tłoka. Dlaczego więc ten konkretny typ jest popularny?
3. Betta-styrlig (jeden cylinder, z wypieraczem w gorącej części i tłokiem na zimno) i gamma-styling (dwa cylindry - gorący z wypieraczem i zimny z tłokiem) nie mają problemów ze smarowaniem, ponieważ tarcie o ścianki jest tylko w zimnym cylindrze, a wypornik ma luz od ścianek cylindra i nie wymaga smarowania. Oznacza to, że takie silniki mogą pracować z dużą różnicą temperatur, co oznacza wysoką sprawność. Ale z jakiegoś powodu uważa się je za mniej obiecujące niż mieszanie alfa.

Oprócz, ważny wskaźnik wpływający na sprawność ma czas cyklu (liczba obrotów) – im więcej, tym lepszy transfer ciepła i wyższa sprawność. Ale jednocześnie trwa „wyścig o obrót”, który dość trudno uzasadnić czymś innym niż interesy marketingowe. Czyli przyczyna typu „utrata w skrzyni biegów przy niskie obroty»Nie wytrzymuje krytyki - takie straty liczone są tylko w procentach, a wzrost wydajności może być wyższy niż 10-30%. Dlatego wydaje się, że twórcy dążą do większej liczby cech, takich jak gęstość mocy i obroty, aby przeciwstawić się „stirlingom” silnika spalinowego i poświęcić wydajność.

Ale możesz zostawić na razie ściganie się z silnikami spalinowymi w transporcie i skupić się na stacjonarnych silnikach Stirlinga, pracując nad zwiększeniem ich wydajności i obniżeniem kosztów budowy. Napędzane dowolnym rodzajem paliwa, w tym energią słoneczną, silniki te mogą w przyszłości konkurować z panelami słonecznymi. I mają dobre perspektywy w dziedzinie energii odnawialnej, w tym paliwa drzewnego, które jest „odzyskiwane” przez energię słoneczną w ciągu kilkudziesięciu lat. I znowu wszystkożerny charakter tych silników umożliwia tworzenie elektrowni (w tym domowych) łączony typ- gdy jest słońce, działa na energię słoneczną, gdy nie, to na paliwo stałe.

To prawda, że ​​osiągnięcie wysokiej sprawności nie jest jedynym kierunkiem, o który warto walczyć, silniki Stirlinga mają jeszcze jedną wadę – skoro źródło ciepła znajduje się poza objętością silnika, a płyn roboczy (gaz) ma niską przewodność cieplną, okazuje się, że bierze udział w praca tylko gazu na ściankach butli. Oznacza to, że stosunek przyrostu mocy do przyrostu objętości cylindra jest w odwrotnej zależności kwadratowej. Oznacza to, że aby zwiększyć moc 5-krotnie, konieczne jest 25-krotne zwiększenie objętości cylindra.
Dlatego u zarania „stylizacji” mocniejsze lub słabsze silniki były jeszcze masywniejsze od parowozów o tej samej mocy. Teraz ten problem rozwiązuje się pompując silnik gazem pod wysokim ciśnieniem, to znaczy masa płynu roboczego wzrasta o tę samą objętość. Ale ta droga to też ślepy zaułek - w silnikach jest więcej niż kilka litrów, znowu pojawia się ten sam problem, kwadratowy stosunek przyrostu objętości do przyrostu mocy. A problemy z wyciekiem płynu roboczego przy ciśnieniu 100-200 atmosfer są trudne do rozwiązania.

Na tym tle bardziej obiecujące wydaje się inne rozwiązanie – sprawić, by cały gaz w silniku działał, niezależnie od objętości. Takie rozwiązanie, mimo prostoty wykonania, zaproponowano dopiero niedawno (źródło – http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) – aby umieścić pompę lub wentylator, który będzie tworzył przepływy gazu wewnątrz silnika. I analogicznie do wentylatora nadmuchującego chłodnicę zwiększy się szybkość chłodzenia ścianek cylindra gazem roboczym silnika i zapewniony zostanie maksymalny udział tego gazu w pracy, niezależnie od wielkości cylindra. Teoretycznie powinno to dać impuls do rozwoju silników Stirlinga, ponieważ pozwala tworzyć dość proste i mocne wersje tych silników.
A jeśli nie pogonimy za wagą i wymiarami samochodowych silników spalinowych, to może już niedługo usłyszymy o silnikach zasilanych drewnem lub energią słoneczną, o sprawności 60-70%. I niech nie będą w stanie konkurować wielkością z silnikiem spalinowym, ale mogą zapewnić wytwarzanie taniej energii elektrycznej. A to z kolei może przyczynić się do wzrostu opłacalności ekonomicznej pojazdów elektrycznych. Otóż ​​w połączeniu z rozpowszechnionymi kotłami do pirolizy może to doprowadzić do pełnej autonomii w zaopatrzeniu w energię mieszkań (zwłaszcza nowych domów, które wymagają znacznych nakładów finansowych na podłączenie do sieci energetycznej i gazociągu).

Coś w tym stylu. Chętnie wysłucham krytyki moich obliczeń.

Opublikowano na stronie 12.03.2009.

5 PRZEDMOWA DZIAŁU PROGNOZ

Dzień dobry, drodzy czytelnicy.

Nasza seria samochodów nie byłaby kompletna, gdybyśmy nie przyjrzeli się samochodom z silnikiem. zewnętrzny spalania, które zostały wynalezione w 1816 roku przez szkockiego księdza Roberta Stirlinga.

Motywem wynalazcy była ogromna liczba obrażeń, które odnieśli robotnicy w przemyśle rewolucji przemysłowej w Anglii.

Historia technologii mówi tylko o jednym doświadczeniu w budowaniu samochodów

w oparciu o wykorzystanie tego silnika. Stało się to w 1972 roku. Nie znalazłem zdjęć tego samochodu, ale znalazłem bardzo interesujący artykuł Rosyjskie Centrum Innowacji, które mam przyjemność dziś zaprezentować.

Jako lekturę kwalifikowaną proponuję małą ogólną edukacyjną wycieczkę w tym obszarze, którą zaprojektowałem w formie podsumowania kilku cytatów.

Źródło ciepła ogrzewa gaz po prawej stronie cylindra wymiennika ciepła. Gaz rozszerza się i poprzez rurkę wywiera nacisk na tłok roboczy. Tłok opada, popycha korbowód i obraca koło zamachowe. Jednocześnie tłok wyporowy przesuwa się w prawo. Wypiera gaz z nagrzanej części cylindra wymiany ciepła do jego zimnej części, która posiada żebra chłodzące. Tłok wymiennika ciepła wypełniony jest materiałem termoizolacyjnym. Gaz stygnie, wytwarzając odwrotną siłę na tłoku roboczym, tłok unosi się i cykl powtarza się od początku.

Silnik Stirlinga, silnik spalinowy, silnik z zewnętrznym zasilaniem i odzyskiem energii cieplnej przetworzonej na użyteczną pracę mechaniczną. S. d. Nazwane po imieniu angielski wynalazca R. Stirling (1790-1878), który w latach 1816-40 stworzył silnik o obiegu otwartym pracującym na ogrzanym powietrzu. Silnik miał niedoskonały regenerator (wymiennik ciepła), był nieporęczny i ciężki przez co nie był używany. Współczesny S. d. Działa zgodnie z zamkniętym cyklem regeneracyjnym (cykl Stirlinga), składającym się z dwóch następujących po sobie procesów izotermicznych i dwóch izochorycznych. Płyn roboczy S. d. to hel lub wodór pod ciśnieniem 10-14 mln / m2 (100—140 kgf / cm2) — znajduje się w ograniczonej przestrzeni i nie jest wymieniany podczas pracy, a jedynie zmienia objętość podczas ogrzewania i chłodzenia. Regenerator dzieli tę przestrzeń na wnękę górną (gorącą) i dolną (zimną) (rys. 1). Ciepło dostarczane jest do górnej wnęki z grzałki, z dolnej odprowadzane jest przez chłodnicę, w której krąży woda. W cylindrze S. d. Są 2 tłoki - działający i wypierający. Gorące i zimne wnęki są połączone kanałami przechodzącymi przez grzałkę, regenerator i chłodnicę. Cykl pracy S. d. odbywa się w 4 cyklach (ryc. 2).

Stosunek mocy do masy silnika Stirlinga jest porównywalny do silnika Stirlinga. silnik wysokoprężny turbodoładowany. Gęstość mocy wyjściowej jest taka sama jak w przypadku silnika wysokoprężnego. Moment obrotowy jest praktycznie niezależny od prędkości. Silnik Stirlinga reaguje na zmiany obciążenia podobnie jak silnik wysokoprężny, jednak wymaga bardziej złożonego systemu sterowania, jest bardziej złożony niż konwencjonalne silniki cieplne. Koszt jego wytworzenia jest wyższy niż koszt wytworzenia silnika spalinowego, jednak koszty eksploatacyjne są znacznie niższe.

Technologie opracowane w 1816 roku przez szkockiego Roberta Stirlinga działają do dziś! Cykl Stirlinga wykorzystuje zewnętrzne źródło ciepła, którym może być wszystko – spalanie benzyny, energia słoneczna, a nawet ciepło wytwarzane przez bakterie kompostowe. W cylindrach nie ma paliwa !!! Główne cechy silnika Stirlinga to wydajność, niski poziom hałasu i wibracji wytwarzanych podczas pracy, możliwość stosowania różnych rodzajów paliwa oraz niska toksyczność spalin. Obecnie silniki Stirlinga są używane tylko w niektórych bardzo wyspecjalizowanych dziedzinach, takich jak okręty podwodne lub jako generatory pomocnicze na jachtach, gdzie wymagana jest cisza.

Maszyny Stirlinga to maszyny pracujące w zamkniętym obiegu termodynamicznym, w których cykliczne procesy sprężania i rozprężania zachodzą na różnych poziomach temperatur, a przepływ płynu roboczego jest kontrolowany poprzez zmianę jego objętości. Jako płyn roboczy stosuje się gazowe substancje naturalne (hel, azot, suche powietrze itp.). Cykl termodynamiczny rozważanych maszyn został zaproponowany w 1816 roku przez Szkota Roberta Stirlinga. Od połowy XIX wieku wyrażenie „maszyna Stirlinga” stało się szeroko stosowane zarówno w klasycznej termodynamice, jak iw życiu codziennym. Cykl Stirlinga składa się z dwóch izoterm i dwóch izochorów. Obecność dwóch izoterm determinuje równość sprawności termodynamicznej idealnego cyklu Stirlinga i cyklu Carnota. Właśnie dlatego maszyny z cyklem Stirlinga należą do najbardziej wydajnych maszyn na świecie. Do zalet maszyn pracujących w cyklu Stirlinga należą: wysoki stopień ekologiczna czystość zarówno korpusów roboczych maszyn Stirlinga, jak i powstających podczas ich eksploatacji mediów odpadowych, a także efektywność energetyczna.

Maszyny STIRLING to nowy obiecujący kierunek w rozwoju krajowej inżynierii mechanicznej.

Do niedawna autonomiczne systemy zasilania z wykorzystaniem tradycyjnych jednostek termomechanicznych zaspokajały obecny poziom rozwoju społeczeństwa i technologii. Jednak zaostrzenie ogólnopolskie globalne problemy pilnie potrzebne (wyczerpywanie się zasobów naturalnych; zbliżające się) kryzys energetyczny; zanieczyszczenie środowiska; redukcja warstwy ozonowej Ziemi; wzmocnienie „efektu cieplarnianego” itp.) doprowadziło do konieczności przyjęcia pod koniec XX wieku szeregu ważnych międzynarodowych i rosyjskich aktów prawnych w dziedzinie ekologii, zarządzania przyrodą i oszczędzania energii. Główne wymagania tych przepisów mają na celu zmniejszenie emisji CO2, zatrzymanie produkcji substancji zubożających warstwę ozonową i freonu R-12 jako czynnika chłodniczego w sprężarkach par (PKHM), oszczędność zasobów i energii, przestawienie pojazdów na przyjazne dla środowiska paliwa silnikowe itp.

Ogromna skala, wzrost kosztów produkcji surowców paliwowo-energetycznych oraz rosnące zanieczyszczenie środowiska uwydatniły zadanie poszukiwania nowych technologii konwersji energii, opracowania nowej technologii opartej na wysokosprawnych cyklach termodynamicznych, wykorzystania nowych rodzajów paliw , nowe ciała robocze itp., czyli tworzenie takich przyjaznych dla środowiska systemów energetycznych, które zaspokoiłyby potrzeby przemysłu i ludności przy minimalnych nakładach na zasoby materialne. Wraz z innymi podejściami, w rozwiązywaniu problemów środowiskowych i energetycznych stojących przed Federacją Rosyjską, najbardziej obiecującym sposobem jest opracowanie i powszechne wdrożenie systemów konwersji energii opartych na maszynach pracujących w cyklu Stirlinga do przodu i do tyłu (maszyny Stirlinga).

Obecnie opracowano dużą liczbę schematów rozmieszczenia i wydajności konstrukcyjnej poszczególnych zespołów maszyn Stirlinga. Tak więc tylko niektóre dyski są znane z ponad 18 typów. Jednak najbardziej rozpowszechnione są maszyny Stirlinga wykonane według schematów a, b, g. Strukturalnie maszyny Stirlinga są dobre połączenie w jednym zespole sprężarka, ekspander i wymienniki ciepła: obciążeniowy wymiennik ciepła (nagrzewnica lub skraplacz), regenerator i chłodnica.

Na najnowszych forach europejskich i światowych na stan obecny i perspektywy rozwoju maszyn pracujących w cyklu Stirlinga zauważono, że technologia produkcji maszyn Stirlinga za granicą została w pełni opanowana. Rozwiązane problemy z uszczelnieniami części ruchomych, doborem materiałów, lutowaniem wymienników ciepła itp. W związku z tym, obok tradycyjnego wykorzystania silników i kriogenicznych maszyn Stirlinga do celów wojskowych (rekondensacja cieczy niskowrzących, chłodzenie detektorów podczerwieni, beztlenowe systemy autonomicznego zasilania itp.) zastosowanie lodówek Stirlinga na poziomie umiarkowanego chłodu do przechowywania produktów spożywczych i systemów klimatyzacyjnych, zastosowanie silników Stirlinga w elektrociepłowniach, pomp ciepła w zdecentralizowanych systemach grzewczych itp.

Potwierdzeniem rosnącego zainteresowania maszynami Stirlinga jest fakt, że od 1982 roku co dwa lata odbywa się międzynarodowa konferencja poświęcona silnikom Stirlinga, a co dwa lata w Osnabrück (Niemcy) odbywa się Europejskie Forum Silników Stirlinga. Ponadto corocznie w Stanach Zjednoczonych odbywa się konferencja na temat konwersji różnych rodzajów energii, na której działa sekcja dotycząca silników Stirlinga. W Wielkiej Brytanii powstało Towarzystwo Badań nad Silnikami Stirlinga, którego członkami jest ponad 300 naukowców z całego świata. Od 1996 roku Towarzystwo wydaje kwartalnie magazyn UK ​​Stirling News. Stirling Machine World ukazuje się kwartalnie w Stanach Zjednoczonych od 1978 roku. Rocznie publikowana jest jedna lub dwie książki o maszynach Stirlinga.

Główne cechy cyklu Stirlinga to:

Cykl charakteryzuje się niestacjonarnymi w czasie parametrami przepływu płynu roboczego w każdym punkcie układu. W praktyce oznacza to, że maszyna Stirlinga, której wnęki robocze zawarte są w jednej objętości, musi być nieuchronnie maszyną z okresowymi zmianami objętości ściskania i rozprężania, tj. maszyna tłokowa. W związku z tym dominującymi obszarami zastosowania takich maszyn są małe i średnie moce;
- cykl przeznaczony jest wyłącznie do pracy z gazowym płynem roboczym. Aby wymiary maszyn przy danej mocy były akceptowalne, a zewnętrzna i wewnętrzna wymiana ciepła płynu roboczego w tych warunkach była wystarczająco wydajna, ciśnienie w maszynie musi być znacznie wyższe niż ciśnienie atmosferyczne. Z tych samych powodów płyn roboczy musi mieć niską lepkość, możliwie wysoką przewodność cieplną i pojemność cieplną, która jest w niewielkim stopniu zależna od ciśnienia (w przeciwnym razie wystąpią duże straty wewnętrzne w regeneratorze z powodu różnych równoważników termicznych przepływów wymiany ciepła);
-w cyklu odzysk ciepła pozwala na pracę w szerokim zakresie temperatur (temperatura górna i dolna cyklu) przy stosunkowo niewielkich stosunkach ciśnień sprężania i rozprężania;
- do realizacji cyklu można wykorzystać wodór, hel, azot, powietrze i inne substancje gazowe jako ciała robocze. Zastosowanie jako czynnika roboczego gazów o wysokiej wartości stałej gazowej (R), takich jak wodór czy hel, umożliwia uzyskanie wydajności egzergii* w maszynach Stirlinga. ponad 50%;
- uniwersalność cyklu, na jego podstawie można tworzyć zarówno konwertery cyklu do przodu jak i cyklu odwrotnego.

· (Przypis KP. O „egzergii metodach analizy”: jest to podejście oparte na wykorzystaniu potencjałów termodynamicznych w analizie procesów konwersji energii w systemie, patrz,.)

Cykl Stirlinga w konwerterze cyklu bezpośredniego składa się z czterech procesów: - procesu sprężania izotermicznego, ciepło z cieczy roboczej o temperaturze T comp jest oddawane do otoczenia; - proces przy stałej objętości, ciepło z dyszy regeneratora przekazywane jest do płynu roboczego; - proces rozszerzania izotermicznego, ciepło z zewnętrznego źródła o temperaturze T max jest przekazywane do płynu roboczego; - proces o stałej objętości, ciepło z płynu roboczego jest przekazywane do dyszy regeneratora.

Cykl Stirlinga w konwerterze cyklu odwróconego również składa się z czterech procesów. Różnica w stosunku do silnika polega na tym, że temperatura zewnętrznego źródła, z którego dostarczane jest ciepło podczas procesu rozprężania, jest niższa od temperatury płynu roboczego, który odprowadza ciepło podczas procesu sprężania. W przypadku chillera ciepło jest usuwane z zimnej wnęki podczas procesu rozprężania 3'-4'. Praca sprężania (obszar 1-2-5-6) jest taka sama dla silnika i agregatu chłodniczego. Praca rozprężania (obszar 4'-3'-5-6) w chillerze jest mniejsza niż praca sprężania, a do tego cyklu wymagana jest energia dostarczana z zewnętrznego źródła, równoważna powierzchni 1- 2-3'-4'. Przy przejściu z wnęki ściskanej do wnęki rozprężnej w procesie 2-3' temperatura płynu roboczego spada, aw procesie 4'-1 odpowiednio wzrasta.

Maszyny z bezpośrednim cyklem Stirlinga — silnik Stirlinga

W światowych badaniach technologii konwersji energii silnik Stirlinga jest uważany za silnik o największym potencjale dalszy rozwój. Niski poziom hałas, niska toksyczność spalin, możliwość pracy na różnych paliwach, długi zasób, porównywalne wymiary i waga, dobre cechy moment obrotowy - wszystkie te parametry umożliwiają maszynom Stirlinga wkrótce znacznie wycisnąć silniki spalinowe (ICE). Silnik Stirlinga należy do klasy silników z zewnętrznym doprowadzeniem ciepła (DVPT). W związku z tym, w porównaniu z silnikami spalinowymi, w silnikach Stirlinga proces spalania przebiega poza cylindrami roboczymi i przebiega bardziej równowagowo, cykl pracy realizowany jest w zamkniętym obiegu wewnętrznym przy stosunkowo niskich szybkościach wzrostu ciśnienia w cylindrach silnika , gładka natura procesów cieplno-hydraulicznych płynu roboczego obwodu wewnętrznego, przy braku mechanizmu zaworu dystrybucji gazu. Należy zauważyć, że dalej firmy zagraniczne rozpoczęto produkcję silników, specyfikacje które już przewyższają silniki spalinowe i turbiny gazowe (GTU).

90 ° V dwucylindrowy silnik Stirlinga niemieckiej firmy SOLO „SOLO Stirling 161”

Silnik Stirlinga jest wyjątkowym silnikiem cieplnym, ponieważ jego teoretyczna sprawność wynosi maksymalna wydajność silniki cieplne (sprawność obiegu Carnota). Działa na zasadzie rozszerzalności cieplnej gazu, a następnie sprężania gazu po jego ochłodzeniu. Silnik Stirlinga zawiera pewną stałą objętość gazu roboczego, który przemieszcza się między „zimną” częścią (zwykle w temperaturze otoczenia) a „gorącą” częścią, która jest zwykle ogrzewana przez spalanie dowolnego rodzaju paliwa lub innego źródła ciepła. Ogrzewanie odbywa się zewnętrznie, dlatego silnik Stirlinga określany jest jako silniki spalinowe. Na początku lat 90. ubiegłego wieku prace nad stworzeniem silników Stirlinga prowadziły tak znane firmy jak „Philips” (Holandia), „General Motors Co”, „ Silnik Forda Co ”,„ NASA Lewis Research Center ”,„Los Alamos National Laboratory ”(USA),„MAN-MBW ”(Niemcy),„Mitsubishi Electric Corp.”,„Toshiba Corp. ” (Japonia). W ciągu ostatniej dekady Daimler Benz i Cummins Power Generation (CPG) oraz wiele innych dużych firm również rozpoczęło pracę nad stworzeniem silników Stirlinga.

Maszyny z odwróconym cyklem Stirlinga - Chillery Stirlinga.

Jednym z najbardziej obiecujących kierunków rozwoju techniki chłodniczej w XXI wieku jest stworzenie i wykorzystanie chłodni Stirlinga o umiarkowanym mrozie (HMS UH). Teoretycznie wydajność średnio zimnych agregatów Stirlinga jest równa wydajności idealnego agregatu Carnot. Substancje, które w pełni spełniają wymagania Konwencji wiedeńskiej o ochronie warstwy ozonowej oraz Protokołu montrealskiego w sprawie substancji zubożających warstwę ozonową, mogą być stosowane jako płyny robocze do maszyn Stirlinga z odwróconym cyklem. Dlatego powszechne wprowadzenie w niedalekiej przyszłości chłodni Stirlinga o umiarkowanym mrozie pozwoliłoby rozwiązać problem tworzenia odpowiednich nowoczesne wymagania systemy chłodnicze. Nowoczesny zakres produkcyjny tych maszyn waha się od 1 do 100 kW, co zapewnia ich zastosowanie w układach chłodniczych w wielu dziedzinach przemysłu i handlu. Zaletami HMS UX są: wysoka wartość współczynnika wydajności, szeroki zasięg stosować w obszarze umiarkowanego zimna (od 0 do -80 0С) i czystości środowiskowej ciał roboczych (hel, wodór, azot, powietrze). Za granicą rozpoczęto seryjną produkcję chłodni Stirlinga o umiarkowanym mrozie, która pod względem wydajności i przyjazności dla środowiska przewyższa istniejące urządzenia chłodnicze pracujące w innych cyklach, w tym chłodnie sprężarkowe.

Analiza nowoczesnych zagranicznych informacji naukowo-technicznych pozwala stwierdzić, że w krajach uprzemysłowionych w ciągu ostatnich 10 lat rozpoczęto intensywne prace badawczo-rozwojowe przygotowujące do seryjnej produkcji lodówek Stirling. Już teraz nowe urządzenia chłodnicze wykorzystujące maszyny tego cyklu zaczęły wchodzić na rynki zagraniczne. Uderzającym przykładem perspektyw lodówek Stirlinga jest rozpoczęcie seryjnej produkcji w 2004 roku przez takiego giganta jak południowokoreańska korporacja „LG Electronic Inc” domowych lodówek opartych na lodówkach Stirling z napędem liniowym.

Problemy tworzenia wysokowydajnych maszyn Stirlinga.

Doświadczenia zagraniczne w tworzeniu nowoczesnych wysokowydajnych maszyn Stirlinga pokazują, że bez dokładnego matematycznego modelowania procesów pracy i optymalnego projektowania głównych zespołów udoskonalenie projektowanych maszyn przeradza się w długotrwałe, wyczerpujące badania eksperymentalne. Obecnie zachodnie firmy prowadzące rozwój w tym obszarze opierają się głównie na badaniach teoretycznych i eksperymentalnych swoich wydziałów naukowych, uczelni technicznych lub tworzą parki technologiczne dla rozwoju niektórych typów maszyn Stirlinga. Dalej jest to złożoność konstrukcji poszczególnych jednostek, problemy z zakresu uszczelnień, sterowania mocą itp. Cechy konstrukcyjne są określone przez zastosowane ciała robocze. Na przykład hel ma nadciekłość, co determinuje zwiększone wymagania dotyczące elementów uszczelniających tłoków roboczych, tłoczyska wyporowego itp. Stworzenie wyglądu obiecujących maszyn Stirlinga przeznaczonych do produkcji jest niemożliwe bez opracowania nowych rozwiązań technicznych dla głównych jednostek. Trzecim problemem jest wysoki poziom technologii produkcji. Problem ten związany jest z koniecznością stosowania w maszynach Stirlinga stopów żaroodpornych i metali kolorowych, ich spawania i lutowania. Osobną kwestią jest wykonanie regeneratora i do niego dysz, aby zapewnić z jednej strony dużą pojemność cieplną, az drugiej niski opór hydrauliczny. Wszystko to wymaga wysoko wykwalifikowanej kadry oraz nowoczesnego sprzętu technologicznego.

Podsumowując, mówiąc o problemach tworzenia maszyn Stirlinga, należy wyciągnąć dwa wnioski:
- wysoka intensywność naukowa tego obszaru technologii jest głównym czynnikiem zniechęcającym do powszechnego stosowania maszyn pracujących w cyklu Stirlinga;
- sukces w tworzeniu konkurencyjnych maszyn Stirlinga na rynku światowym można osiągnąć tylko w wyniku syntezy wysoki poziom badania naukowe, staranne studia projektowe głównych jednostek maszyn Stirlinga i zaawansowana technologia produkcji.

Analiza rozwoju krajowego w dziedzinie maszyn Stirlinga.

Perspektywy produkcji i powszechnego wykorzystania maszyn Stirlinga w różnych obszarach gospodarki krajowej wynikają z obecności w Rosji ponad 30-letniego doświadczenia technologicznego zgromadzonego w produkcji kriogenicznych maszyn Stirlinga. Firmy produkcyjne sprzęt chłodniczy z kriogenicznymi maszynami Stirlinga są OJSC Zakład budowy maszyn„Arsenał”, NPO „Geliymash” itp. Należy jednak zauważyć, że KGM Stirling produkowane przez te przedsiębiorstwa nie są wydarzenia krajowe, i są kopiami maszyn kriogenicznych, wcześniej produkowanych przez holenderskie firmy „N.V. Philips Gloeilampenfabrieken” („Philips”) i „Werkspoor”.

W Rosji podjęto kilka prób stworzenia krajowych silników Stirlinga i lodówek, ale z powodu braku odpowiednich metod obliczeniowych i trudności finansowych nie odniosły one poważnego sukcesu. Tak więc w AOZT „ARSMASH” w latach 1991–1994 prowadzono prace nad badaniem obiecujących agregatów chłodniczych do pojazdów chłodni. Analiza wykazała, że ​​tylko agregat chłodniczy Stirlinga może działać jako najbardziej obiecująca jednostka chłodnicza. W związku z tym powstały prototypy maszyn chłodniczych o mocy do 5 kW, pracujących w zakresie od 285 K do 230 K, co pod względem wydajności oraz charakterystyk masowo-gabarytowych odpowiadało współczesnemu PKHM do pojazdów chłodniczych. Opracowano kosztorysy projektowe i dokumentację projektową do jego produkcji seryjnej. Jednak ze względu na ogólne spowolnienie gospodarcze i trudności finansowe klienta prace nad tym projektem zostały wstrzymane.

W 1996 roku w OJSC „Zakład budowy maszyn„ ARSENAL ”, w ramach umowy z SE GOKB„ Prozhektor ”, rozpoczęto prace na temat„ Badania i rozwój jednostek elektrycznych opartych na wielopaliwowych silnikach Stirlinga ”. Temat ten został objęty kodem „Stirling” w kompleksie badawczo-rozwojowym „Pieredwiżka”, włączonym do porządku państwowego dekretem rządu Federacji Rosyjskiej z dnia 03.02.96 N 227-15. Ze względu na brak realnych środków z budżetu federalnego prace te nie zostały ukończone w całości.

W latach 1997-1998 w OJSC „MZ” ARSENAL ”opracowano pakiet dokumentów do wniosku o włączenie do Federalnego Programu Restrukturyzacji i Konwersji Przedsiębiorstw Obronnych na temat:„ Opracowanie i stworzenie produkcji przyjaznych dla środowiska silników z zewnętrznymi zaopatrzenie w ciepło, lodówki, pompy ciepła i elektrownie beztlenowe oparte na cyklu Stirlinga”. Projekt nie przewidywał dodatkowych Roboty budowlane, ponieważ wypuszczenie nowych produktów miało być realizowane poprzez wczytanie wydanych po konwersji Zakłady produkcyjne fabryka. Na udane wdrożenie z powyższego projektu planowano do 2004 r. rozpoczęcie produkcji małoseryjnej silników Stirlinga i lodówek o mocy do 100 kW. Prace te nie zostały jednak jeszcze zrealizowane z powodu braku środków finansowych.

Obecnie rozwinęła się dość paradoksalna sytuacja, która polega na tym, że Rosja ma wieloletnie doświadczenie i technologię do produkcji maszyn Stirlinga, ale nie ma doświadczenia własne opracowania, masowo produkowane maszyny Stirlinga. Ta sytuacja wynika to głównie z faktu, że w ciągu ostatnich 15 lat w Rosji z powodu Kryzys ekonomiczny niezwykle niekorzystna innowacyjna atmosfera rozwinęła się w wielu rosyjskich organizacjach naukowych, w których wcześniej prowadzono prace nad stworzeniem maszyn Stirlinga, na przykład M.V. Bauman, VNIIGT, OMPI (TU), Państwowy Uniwersytet Techniczny w Petersburgu (Politechnika), TsNIDI itp. Badania zostały całkowicie wstrzymane z powodu trudności finansowych. Jednocześnie najbardziej znaczące wyniki w tworzeniu wysokowydajnych maszyn Stirlinga osiągnięto za granicą w ciągu ostatnich 15 lat.

„Innowacyjny Centrum Badań Technologie Stirlinga.

Biorąc pod uwagę obiecujący potencjał maszyn Stirlinga, specjaliści z Centrum Innowacji i Badań Stirling - Technologies LLC w ostatnie lata przeprowadzono szereg badań teoretycznych i eksperymentalnych, w wyniku których opracowano nową metodologię projektowania i obliczeń maszyn tego cyklu. Metodologia ta obejmuje kilka „know-how”, w tym: unikalną metodę dwupoziomowej wieloparametrowej optymalizacji maszyn Stirlinga; synteza strukturalna maszyn Stirlinga w oparciu o metodę funkcjonalnej analizy egzergii złożonych urządzeń cieplno-mechanicznych; optymalny projekt oparty na TRIZ (podświetlona KP)... Opracowana metodologia projektowania i obliczania maszyn Stirlinga pozwala skrócić czas tworzenia nowych typów maszyn Stirlinga do 1,5-2 lat, z wydajnością odpowiadającą najlepszym analogom na świecie.

Na podstawie proponowanych rozwiązań technicznych specjaliści LLC „Centrum innowacji i badań„ Stirling - Technologie ”w latach 1994-2003 złożyli ponad 150 wniosków dotyczących rzekomych wynalazków. Szczególną uwagę zwrócono na rozwój poszczególnych zespołów maszyn Stirlinga i ich konstrukcję, a także tworzenie nowych schematów ideowych instalacji różnych cel funkcjonalny... Praktyka pokazała, że ​​optymalny projekt znacznie obniży całkowity koszt jednostkowy maszyn podczas ich produkcji pilotażowej i produkcji seryjnej. Zaproponowane rozwiązania techniczne, biorąc pod uwagę fakt, że maszyny Stirlinga są tańsze w eksploatacji, pozwalają na zwiększenie ich opłacalności ekonomicznej w porównaniu z tradycyjnymi przekształtnikami energii. Dalsze powszechne stosowanie maszyn Stirlinga będzie wiązało się z rozwojem teorii projektowania maszyn wielocylindrowych tego cyklu, co umożliwi tworzenie silników i lodówek o mocy do 1000 kW.

Instalacje kogeneracyjne z wielopaliwowymi silnikami Stirlinga.

Kogeneracja Stirlinga - Nowa technologia do skojarzonej produkcji energii elektrycznej i ciepła w oparciu o silniki Stirlinga, w których energia wody chłodzącej i gazów odlotowych wykorzystywana jest na potrzeby zaopatrzenia odbiorców w ciepło. Efektywność wykorzystania silnika Stirlinga w elektrociepłowniach, w porównaniu z silnikiem spalinowym, wynika ze specyfiki jego bilansu cieplnego. Straty ciepła ze spalinami i do wody chłodzącej dla silnika Stirlinga wynoszą odpowiednio 10% i 40%, co przy uwzględnieniu wyższej sprawności. sam silnik, pozwala na tworzenie kompaktowych i wysokosprawnych jednostek kogeneracyjnych.

Elektrociepłownia o mocy 9,5 kW energii elektrycznej i 30 kW energii cieplnej.

Zalety stosowania jednostek kogeneracyjnych z silnikami Stirlinga na paliwie lokalnym w regionach Federacji Rosyjskiej:

Niezależność od koniunktury na rynku ropy i gazu ziemnego.
--- Możliwość załadunku lokalnych przedsiębiorstw do produkcji sprzętu do pozyskiwania i przetwarzania lokalnego paliwa.
--- Brak konieczności tworzenia magazynów zapasów paliwa węglowodorowego i jego transportu.
--- Nie ma potrzeby układania i konserwacji sieci energetycznych podczas elektryzowania odległych obszarów.
--- Znaczące ograniczenie wydatków budżetów regionalnych na zakup paliwa z importu.
--- Znaczące obniżenie kosztów spółek naftowych i gazowych na zakup paliwa z importu dzięki wykorzystaniu towarzyszącego gazu ropopochodnego jako paliwa silnikowego.

1..Koszt 1 kW/h energii elektrycznej wytworzonej przez jednostkę kogeneracyjną wyniesie od 30 do 50 kopiejek, czyli 2-3 razy taniej niż obowiązujące taryfy. (KP wyróżniony)
2. Zasoby konwertera obiegu bezpośredniego elektrociepłowni zwiększają się około 2 razy w porównaniu z silnikiem spalinowym.
3 .. Podczas spalania paliw zawartość CO w oczyszczonych gazach jest 3 razy niższa, a zawartość NO i CH jest znacznie niższa, co spełnia najbardziej rygorystyczne światowe normy środowiskowe.
4 .. Okres zwrotu elektrociepłowni wynosi 2,5 roku.

Modernizacja zespołów kotłowych w mini - elektrociepłowniach w oparciu o wykorzystanie silnika Stirlinga.

LLC "Centrum Badawczo-Rozwojowe" Stirling-technologie "jest firmą działającą w dziedzinie tworzenia wysoce efektywnych innowacji dla kompleksu ciepłowniczego i energetycznego Federacji Rosyjskiej. Specjaliści firmy opracowali nową, niezrównaną technologię przenoszenia istniejących kotłowni dostarczanie ciepła do mini-CHP za pomocą silników Stirlinga.

Przykładowy układ urządzeń do modernizacji bloku kotłowego w mini-elektrociepłowni w oparciu o wykorzystanie zakładu recyklingu z silnikiem Stirlinga.

Instalacja podgrzewacza silnika Stirlinga w kominie bloku kotłowego bez zmiany dotychczasowego projektu kotłowni węzła cieplnego umożliwia zamianę ciepła spalin na użyteczną energię mechaniczną i elektryczną. Wykorzystywanie ciepła spalin za pomocą silnika Stirlinga jest najbardziej obiecującym kierunkiem zwiększenia sprawności zespołu kotłowego. Zaproponowana technologia może być z powodzeniem wykorzystana w modernizacji kotłowni o różnej mocy. Powstała energia elektryczna może być wykorzystana zarówno do pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną na potrzeby własne kotłowni, jak i do produkcji energii elektrycznej do zewnętrznej sieci energetycznej. Efektywność ekonomiczna wykorzystania instalacji recyklingu z silnikami Stirlinga w modernizacji kotłowni:
1. Koszt 1 kWh energii elektrycznej wytworzonej w instalacji recyklingu z silnikiem Stirlinga jest 8 razy tańszy niż obowiązujące taryfy dla centralnego zasilania.
2. Okres zwrotu kosztów modernizacji kotłowni w minielektrowniach w oparciu o wykorzystanie instalacji utylizacyjnych z silnikiem Stirlinga nie przekracza 3 lat, w zależności od wstępnych danych techniczno-ekonomicznych.

Wykorzystanie biomasy przy zastosowaniu silnika Stirlinga.

Przykład układu instalacji na paliwo stałe z silnikiem Stirlinga, LLC „IIC” Stirling-technologies ”.

Niemiecka firma „SOLO Stirling Engine” opracowuje układy kogeneracyjne Stirlinga z bezpośrednim wykorzystaniem paliwa stałego, głównie drewna, ale napotyka pewne trudności, takie jak usuwanie żużla z komory spalania czy zapobieganie spiekaniu cząstek paliwa. Badania z generatorem gazu latem 1998 roku wykazały, że wytwarzany tam gaz drzewny poprawia spalanie paliw stałych i żywic. Połączenie gazyfikatora z kogeneracją Stirlinga jest bardzo wydajnym urządzeniem, ponieważ gorący gaz wytwarzany z gazyfikatora nie musi być chłodzony do wykorzystania w kogeneracji Stirlinga.
Specjaliści LLC „Centrum innowacji i badań„ Stirling - Technologie ”w Rosji są również aktywnie zaangażowani w rozwój podobnych systemów, na przykład projektowanie zasilania dla wiejskiego miasteczka za pomocą silników Stirlinga pracujących na gazie generatorowym z torfu. Jednocześnie rozwój instalacji na paliwo stałe z silnikiem Stirlinga, działających na zrębki drzewne, węgiel i pył węglowy, torf, łupek, odpady rolnicze i obornik, odpady z gospodarstw domowych itp.

Systemy energii słonecznej.

Solarna wersja silnika Stirling 161 wyprodukowana przez niemiecką firmę SOLO system (EURODISH).

Solarna wersja silnika Stirling 161 jest używana przez kilku producentów w różnych konstrukcjach. Od 1997 roku na hiszpańskim płaskowyżu słonecznym de Almeria działa 6 systemów. W ramach projektu wspieranego przez UE we współpracy z firmą Schlaich Bergermann und Partner und MERO Raumsysteme GmbH budowana jest między innymi nowa generacja systemu Dish Stirling o mocy 10 kW. Celem projektu jest obniżenie kosztów inwestycji do 5 000 EUR/kW. W tym przypadku Stirling 161 wchodzi ponownie w życie z modyfikacjami odbiornika, wnęki i kadłuba. Cechy nowego systemu Dish/Stirling (EURODISH): moc nominalna Stirling 161 SOLO 10,0 kW brutto, średnica lustra słonecznego 8,5 m. W Alanyi tureckie Centrum Badań nad Energią Słoneczną utworzyło Kombassan Holding, firmę, która opiera się na Praca przygotowawcza Kminki. Praca jest bardzo intensywna i przynosi dobre efekty.

Posłowie WYDZIAŁU PROGNOZ

Pytania, które mam, są naturalne dla wybranego kontekstu przeglądu historii motoryzacji.

Czy to techniczne rozwiązanie można powtórzyć w warunkach obecnych realiów kryzysu gospodarczego, kiedy wszyscy starają się „oszczędzić”?

Rozważ opcje:

1. Silnik Stirlinga jako jedyny silnik do samochodu. Rozwój scenariusza - "wszystkożerny samochód".

Moja odpowiedź brzmi nie. Na świecie wciąż jest wystarczająco dużo ropy i gazu. Przy produkcji i konserwacji silników spalinowych benzynowo-dieslowskich zaangażowanych jest tak wiele osób i kapitału, że nie widzę poważnego powodu, aby mówić o zjawisku „podważania”.

2. Czy hybrydę można zbudować zgodnie z „ANY Paliwo-silnik- Stirling - silnik elektryczny "?

Bardzo podobny scenariusz wypróbowano w 1965 roku w lotnictwie.

Sam samolot IL-18P to tajemnica. Wychodzę z założenia, że ​​był to jakiś żart lub specjalnie stworzona dezinformacja, której wyciek mógłby skierować zasoby finansowe konkurentów w nieefektywnym kierunku.

Takie przykłady były w historii techniki. Na przykład na początku lat 70. zdecydowano się rozwijać technologię komputerową w ZSRR na ścieżce dużych maszyn wirtualnych z serii UE. Wciąż pamiętam wielki aforyzm mojego nauczyciela programowania w asemblerze: „Maszyny z serii EU są najlepszym przykładem sabotażu naukowego i technicznego USA przeciwko ZSRR”.

Była to ślepa zaułek dla rozwoju technologii obliczeniowej, która m.in Zachodnie media i umiejętne działania służb specjalnych stały się dla nas głównym i przyczyniły się do naszego opóźnienia w rozwoju produkcji komputerowej. Ogromne pieniądze wydano „w niewłaściwym miejscu”.

Może sytuacja z samolotem parowym jest podobna.

Odpowiedź KP na wariant 2 brzmi „prawie”. Uzasadnienie jest takie samo jak w Opcji 1.

3. Czy można zbudować hybrydę według schematu „ICE + odzysk ciepła przy użyciu silnika Stirlinga”? Benzyna silnik spalinowy diesla, 70-75%

energia paliwa zamienia się w ciepło i tarcie.

Widelec natychmiast powstaje podwariant A: weź na pokład dwa rodzaje energii mechanicznej: z silnika spalinowego i ze Stirlinga? podwariant B: Wejdź na pokład mechanika z silnika spalinowego i prądu dla silnika elektrycznego.

Jeśli opcja B pasuje do ogólnej koncepcji projektowej wielu nowoczesnych samochody hybrydowe, gdzie procesy rekonwalescencji są uważane za wyznaczanie celów, to opcja A nie może podać dużej liczby przykładów trwałego sukcesu.

W tych sterowcach z lat 1958 i 1966 zastosowano DWA typy siła podnoszenia: Archimedes iz efektu Magnusa. Jak widać, te rozwiązania techniczne pojawiły się po schyłku ery aeronautyki. A o ich prawdziwych właściwościach nic nie wiemy. Tylko fakty dotyczące prowadzonych prac B+R.

Można oczywiście powiedzieć, że statek o napędzie śmigłowym lub parowiec z kołami łopatkowymi i żaglami są jednocześnie takimi przykładami, ale nadal nie są do końca poprawne, ponieważ energia wiatru w tych systemach nadal znajduje się w supersystemie i może być wykorzystywana niezależnie, a opcja A oznacza jednak wykorzystanie energii cieplnej, która powstaje wewnątrz pojazdu podczas pracy.

Mówiąc o silnikach Stirlinga, można mieć nadzieję, że z kryzysu dostaną impuls do rozwoju jako wszystkożerne małe elektrownie, ale raczej nie „przenikną” do samochodu. Okluzja wodoru i helu, przenikanie tych substancji przez metalowe ścianki, ich rozpuszczanie w metalu nie jest zjawiskiem akademickim, ale całkowicie technicznym. Ogromne ciśnienia robocze w połączeniu z drganiami transportowymi sugerują również duże problemy z obejściem sprzeczności: „grube ścianki są potrzebne do zwiększenia trwałości, ale to zmniejsza możliwości wymiany ciepła ścian i zwiększa wagę silnika”.

W ogóle nie omawialiśmy innej funkcji tych niesamowitych maszyn. Możliwość wykorzystania ich jako pomp ciepła. To uderzające przejawy zasady inwersji, która obfituje w historię wszystkich maszyn, w których jest ogrzewanie, ale można o tym mówić godzinami. Zróbmy jakoś osobny problem.

Silnik Stirlinga, którego zasada działania różni się jakościowo od zwykłej dla wszystkich silników spalinowych, był kiedyś ostatnim godna konkurencja... Jednak na chwilę o nim zapomnieli. Jak ten silnik jest dziś wykorzystywany, jaka jest zasada jego działania (w artykule można również znaleźć rysunki silnika Stirlinga, które wyraźnie demonstrują jego działanie) i jakie są perspektywy jego wykorzystania w przyszłości, czytaj poniżej.

Historia

W 1816 roku w Szkocji Robert Stirling opatentował nazwę na cześć jej wynalazcy. Przed nim wynaleziono pierwsze silniki na gorące powietrze. Ale Stirling dodał do urządzenia oczyszczacz, który w literaturze technicznej nazywa się regeneratorem lub wymiennikiem ciepła. Dzięki niemu wydajność silnika wzrosła przy jednoczesnym utrzymaniu ciepła urządzenia.

Silnik został uznany za najtrwalszy silnik parowy dostępnych w tamtym czasie, ponieważ nigdy nie eksplodował. Przed nim problem ten pojawiał się często na innych silnikach. Mimo szybkiego sukcesu, na początku XX wieku zrezygnowano z jego rozwoju, ponieważ stał się mniej ekonomiczny niż inne silniki spalinowe i elektryczne, które wtedy się pojawiły. Jednak Stirling nadal był używany w niektórych branżach.

Zewnętrzny silnik spalinowy

Zasada działania wszystkich silników cieplnych polega na tym, że do uzyskania gazu w stanie rozprężonym wymagane są większe siły mechaniczne niż przy sprężaniu zimnego. Aby to wyraźnie zademonstrować, można przeprowadzić eksperyment z dwoma doniczkami wypełnionymi zimnym i gorąca woda a także butelkę. Ten ostatni zanurza się w zimnej wodzie, zatyka, a następnie przenosi do gorącej wody. Spowoduje to, że gaz w butelce wykona pracę mechaniczną i wypchnie korek. Pierwszy silnik spalinowy oparł się całkowicie na tym procesie. To prawda, że ​​później wynalazca zdał sobie sprawę, że część ciepła można wykorzystać do ogrzewania. W ten sposób wydajność znacznie wzrosła. Ale nawet to nie pomogło silnikowi rozpowszechnić się.

Później Erickson, inżynier ze Szwecji, ulepszył projekt, proponując chłodzenie i podgrzewanie gazu przy stałym ciśnieniu zamiast objętości. W rezultacie wiele egzemplarzy zaczęto wykorzystywać do pracy w kopalniach, na statkach iw drukarniach. Ale dla załóg okazały się zbyt ciężkie.

Zewnętrzne silniki spalinowe firmy Philips

Takie silniki są następujących typów:

• parowy;
• turbina parowa;
• Stirling.

Ten ostatni typ nie został opracowany ze względu na niską niezawodność, a reszta nie jest najważniejsza wysoka wydajność w porównaniu z innymi rodzajami kruszyw, które się pojawiły. Jednak w 1938 roku firma Philips wznowiła działalność. Silniki zaczęły służyć do napędzania generatorów na terenach niezelektryfikowanych. W 1945 roku inżynierowie firmy znaleźli dla nich przeciwne zastosowanie: jeśli wał jest obracany przez silnik elektryczny, wówczas chłodzenie głowicy cylindrów osiąga minus sto dziewięćdziesiąt stopni Celsjusza. Wtedy zdecydowano się na zastosowanie ulepszonego silnika Stirlinga w agregatach chłodniczych.

Zasada działania

Działanie silnika polega na pracy w cyklach termodynamicznych, w których sprężanie i rozszerzanie występują w różnych temperaturach. W tym przypadku regulacja przepływu płynu roboczego realizowana jest ze względu na zmienną objętość (lub ciśnienie w zależności od modelu). Taka jest zasada działania większości tych maszyn, które mogą mieć różne funkcje i konstruktywne schematy. Silniki mogą być tłokowe lub obrotowe. Maszyny wraz z instalacjami pracują jako pompy ciepła, lodówki, generatory ciśnienia i tak dalej.

Ponadto istnieją silniki o cyklu otwartym, w których sterowanie przepływem realizowane jest za pomocą zaworów. Nazywane są silnikami Erickson, z wyjątkiem popularnej nazwy Stirling. W silniku spalinowym użyteczna praca odbywa się po wstępnym sprężeniu powietrza, wtrysku paliwa, podgrzaniu powstałej mieszanki zmieszanej ze spalaniem i rozprężaniem.

Silnik Stirlinga ma tę samą zasadę działania: w niskich temperaturach następuje sprężanie, a w wysokich temperaturach ekspansja. Ale ogrzewanie odbywa się na różne sposoby: ciepło jest dostarczane przez ścianę cylindra z zewnątrz. Dlatego otrzymał nazwę silnika spalinowego zewnętrznego. Stirling zastosował okresową zmianę temperatury z tłokiem wyporowym. Ten ostatni przenosi gaz z jednej wnęki cylindra do drugiej. Z jednej strony temperatura jest stale niska, az drugiej wysoka. Gdy tłok porusza się w górę, gaz przemieszcza się z gorącej do zimnej wnęki, a w dół wraca do gorącej. Najpierw gaz oddaje dużo ciepła do lodówki, a potem odbiera tyle samo z grzałki, ile dał. Pomiędzy grzałką a lodówką umieszczony jest regenerator - wnęka wypełniona materiałem, do którego gaz oddaje ciepło. W przypadku przepływu wstecznego regenerator zwraca go.

System wypieracza jest połączony z pracującym tłokiem, który spręża gaz na zimno i pozwala mu rozszerzać się w cieple. Przydatną pracę wykonuje się poprzez kompresję w niższej temperaturze. Cały system przechodzi cztery cykle z przerywanymi ruchami. Mechanizm korbowy zapewnia zatem ciągłość. Dlatego nie obserwuje się ostrych granic między etapami cyklu, a Stirling nie zmniejsza się.

Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe, nasuwa się wniosek, że ten silnik jest maszyną tłokową z zewnętrznym doprowadzeniem ciepła, w której płyn roboczy nie opuszcza przestrzeni zamkniętej i nie jest wymieniany. Rysunki silnika Stirlinga dobrze ilustrują budowę i zasadę jego działania.

Szczegóły pracy

Słońce, elektryczność, energia jądrowa lub jakiekolwiek inne źródło ciepła może dostarczać energię do silnika Stirlinga. Zasadą jego ciała jest używanie helu, wodoru lub powietrza. Idealny cykl ma maksymalną możliwą wydajność termiczną od trzydziestu do czterdziestu procent. Ale ze skutecznym regeneratorem będzie mógł pracować z większą ilością wysoka wydajność... Regenerację, ogrzewanie i chłodzenie zapewniają wbudowane bezolejowe wymienniki ciepła. Należy zauważyć, że silnik wymaga bardzo mało smarowania. Średnie ciśnienie w butli wynosi zwykle od 10 do 20 MPa. Dlatego wymagany jest tutaj doskonały system uszczelniający i możliwość doprowadzenia oleju do komór roboczych.

Charakterystyka porównawcza

Większość silników tego typu obecnie eksploatowanych płynne paliwo... Ciągłe ciśnienie jest łatwe do kontrolowania, co pomaga zredukować emisje. Brak zaworów zapewnia cichą pracę. Moc do masy jest porównywalna z silnikami z turbodoładowaniem, a stosunek mocy do masy jest taki sam jak w przypadku jednostki wysokoprężnej. Prędkość i moment obrotowy są od siebie niezależne.

Koszt produkcji silnika jest znacznie wyższy niż silnika spalinowego. Ale podczas pracy uzyskuje się przeciwny wskaźnik.

Zalety

Każdy model silnika Stirlinga ma wiele zalet:

• Wydajność w nowoczesnym designie może sięgać nawet siedemdziesięciu procent.
• Brak systemu w silniku zapłon wysokiego napięcia, wałek rozrządu i zawory. Nie będzie trzeba go regulować przez cały okres użytkowania.
• W Stirlings nie ma takiej eksplozji jak w silniku spalinowym, który mocno obciąża wał korbowy, łożyska i korbowody.
• Nie mają takiego efektu, gdy mówią, że „silnik zgasł”.
• Dzięki prostocie urządzenia może pracować przez długi czas.
• Może pracować zarówno na drewnie, jak i z paliwem jądrowym i każdym innym rodzajem paliwa.
• Spalanie odbywa się poza silnikiem.

niedogodności

Podanie

Obecnie w wielu dziedzinach stosowany jest silnik Stirlinga z generatorem. Jest wszechstronnym źródłem energii elektrycznej w lodówkach, pompach, łodziach podwodnych i elektrowniach słonecznych. To dzięki aplikacji różnego rodzaju paliwo istnieje możliwość jego szerokiego wykorzystania.

Odrodzenie

Dzięki firmie Philips silniki te zostały ponownie opracowane. W połowie XX wieku General Motors zawarł z nią umowę. Kierowała rozwojem aplikacji Stirlings w urządzeniach kosmicznych i podwodnych, statkach i samochodach. W ślad za nimi kolejna firma ze Szwecji, United Stirling, zaczęła zajmować się ich rozwojem, w tym ewentualnym wykorzystaniem w

Obecnie silnik liniowy Stirlinga jest stosowany w instalacjach pojazdów podwodnych, kosmicznych i solarnych. Duże zainteresowanie nią wynika z wagi zagadnień degradacji środowiska, a także walki z hałasem. W Kanadzie i USA, Niemczech i Francji, a także Japonii trwają aktywne poszukiwania rozwoju i doskonalenia jego wykorzystania.

Przyszły

Wyraźne zalety tłoka i tłoka Stirlinga, polegające na długiej żywotności, stosowaniu różnych paliw, bezgłośności i niskiej toksyczności, czynią go bardzo obiecującym na tle silnika spalinowego. Jednak biorąc pod uwagę fakt, że silnik spalinowy był przez cały czas ulepszany, nie można go łatwo przesunąć. Tak czy inaczej, to właśnie taki silnik zajmuje dziś wiodącą pozycję i nie zamierza go przekazać w najbliższej przyszłości.

Słynny niegdyś silnik Stirlinga przez długi czas został zapomniany ze względu na powszechne stosowanie innego silnika (spalinowego). Ale dziś coraz więcej o nim słyszymy. Może ma szansę stać się bardziej popularnym i znaleźć swoje miejsce w nowa modyfikacja we współczesnym świecie?

Historia

Silnik Stirlinga to silnik cieplny wynaleziony na początku XIX wieku. Autorem, jak wiecie, był niejaki Stirling o imieniu Robert, ksiądz ze Szkocji. Urządzenie to silnik spalinowy, w którym ciało porusza się w zamkniętym pojemniku, stale zmieniając jego temperaturę.

Ze względu na rozprzestrzenianie się innego typu silnika prawie o nim zapomniano. Mimo to, dzięki swoim zaletom, dziś silnik Stirlinga (wielu amatorów buduje go w domu własnymi rękami) powraca.

Główną różnicą w stosunku do silnika spalinowego jest to, że energia cieplna pochodzi z zewnątrz i nie jest wytwarzana w samym silniku, jak w silniku spalinowym.

Zasada działania

Można sobie wyobrazić zamkniętą objętość powietrza zamkniętą w obudowie z membraną, czyli tłokiem. Gdy ciało się nagrzewa, powietrze rozszerza się i wykonuje pracę, wyginając w ten sposób tłok. Potem stygnie i ponownie się zagina. To jest cykl mechanizmu.

Nic dziwnego, że silnik termoakustyczny Wiele produktów Stirling do samodzielnego wykonania jest wytwarzanych w domu. Narzędzia i materiały do ​​tego wymagają minimum, które można znaleźć w każdym domu. Rozważ dwa różne sposoby jak łatwo go stworzyć.

Materiały do ​​pracy

Aby zrobić silnik Stirlinga własnymi rękami, będziesz potrzebować następujących materiałów:

• cyna;
• stalowa szprycha;
• mosiężna rurka;
• brzeszczot;
• plik;
• drewniany stojak;
• nożyczki do metalu;
• szczegóły elementów złącznych;
• lutownica;
• lutowanie;
• lutować;
• maszyna.

To wszystko. Reszta to kwestia prostej techniki.

Jak zrobić

Palenisko i dwa cylindry podstawy są przygotowane z cyny, z której będzie składał się ręcznie wykonany silnik Stirlinga. Wymiary są wybierane niezależnie, biorąc pod uwagę cele, do których przeznaczone jest to urządzenie. Załóżmy, że silnik jest wykonywany w celach demonstracyjnych. Wtedy skok cylindra głównego będzie wynosił od dwudziestu do dwudziestu pięciu centymetrów, nie więcej. Reszta części powinna się do tego dostosować.

W górnej części cylindra wykonane są dwa występy i otwory o średnicy od czterech do pięciu milimetrów do poruszania tłokiem. Elementy będą działać jak łożyska do lokalizacji zespołu korbowego.

Następnie tworzą płyn roboczy silnika (staje się nim zwykła woda). Cyny są przylutowane do cylindra, który jest zwinięty w rurę. Wykonuje się w nich otwory i wkłada mosiężne rurki o długości od dwudziestu pięciu do trzydziestu pięciu centymetrów i średnicy od czterech do pięciu milimetrów. Na koniec sprawdzają szczelność komory poprzez zalanie jej wodą.

Dalej jest wypieracz. Do produkcji weź puste miejsce z drzewa. Na maszynie starają się, aby przybrał kształt zwykłego walca. Wypornik powinien być nieco mniejszy niż średnica cylindra. Optymalną wysokość wybiera się po wykonaniu silnika Stirlinga „zrób to sam”. Dlatego na tym etapie długość powinna mieć pewien margines.

Szprycha zamienia się w pręt cylindryczny. W środku drewnianego pojemnika wykonuje się otwór, odpowiedni dla łodygi, włóż go. W górnej części trzpienia konieczne jest zapewnienie miejsca na urządzenie korbowodu.

Następnie biorą miedziane rurki o długości czterech i pół centymetra i średnicy dwóch i pół centymetra. Do cylindra przylutowany jest blaszany kubek. Po bokach ścianek wykonany jest otwór do komunikacji pojemnika z cylindrem.

Tłok jest również zamocowany na tokarce po wewnętrznej stronie dużego cylindra. U góry łodyga jest połączona zawiasowo.

Montaż jest zakończony, a mechanizm ustawiony. W tym celu tłok wkłada się do większego cylindra, a ten ostatni łączy się z innym, mniejszym cylindrem.

Powstaje duży cylinder mechanizm korbowy... Część silnika jest mocowana lutownicą. Główne części są zamocowane na drewnianej podstawie.

Cylinder jest wypełniony wodą, a pod dnem umieszcza się świecę. Silnik Stirlinga, wykonany ręcznie od początku do końca, jest sprawdzany pod kątem działania.

Metoda druga: materiały

Silnik można wykonać w inny sposób. Aby to zrobić, będziesz potrzebować następujących materiałów:

• cyna;
• guma piankowa;
• spinacze;
• dyski;
• dwie śruby.

Jak zrobić

Guma piankowa jest bardzo często używana do samodzielnego wykonania prostego, niezbyt mocnego silnika Stirlinga w domu. Przygotowuje się z niego wypieracz do silnika. Wytnij kółko z pianki. Średnica powinna być nieco mniejsza niż puszka blaszana, a wysokość powinna wynosić nieco ponad połowę.

W środku pokrywy wykonany jest otwór na przyszły korbowód. Aby sprawnie szedł, spinacz do papieru jest zwinięty w spiralę i przylutowany do wieczka.

Koło z gumy piankowej pośrodku jest przebite cienkim drutem za pomocą śruby i przymocowane na górze podkładką. Następnie kawałek spinacza do papieru łączy się przez lutowanie.

Wypornik jest wciskany w otwór w pokrywce, a słoik i pokrywka są lutowane razem w celu uszczelnienia. Na spinaczu robi się małą pętlę, a w wieczku kolejny, większy otwór.

Blacha jest zwijana w cylinder i lutowana, a następnie mocowana do słoika tak, aby w ogóle nie pozostały żadne szczeliny.

Spinacz do papieru zamienia się w wał korbowy. Odstęp powinien wynosić dokładnie dziewięćdziesiąt stopni. Kolano nad cylindrem jest nieco większe niż drugie.

Reszta zszywek jest przetwarzana na regały szybowe. Membrana jest wykonana w następujący sposób: cylinder jest owinięty folią polietylenową, przeciśnięty i przymocowany nitką.

Korbowód jest wykonany ze spinacza do papieru, który wkłada się do kawałka gumy, a wykończoną część mocuje się do membrany. Długość pręta łączącego jest tak dobrana, że ​​membrana jest wciągana do cylindra w dolnym punkcie brutto i rozciągana w najwyższym punkcie. Druga część korbowodu jest wykonana w ten sam sposób.

Następnie jeden jest przyklejany do membrany, a drugi do wypieracza.

Nogi słoika mogą być również wykonane ze spinaczy i przylutowane. Do korby używana jest płyta CD.

Cały mechanizm jest więc gotowy. Pozostaje tylko zastąpić i zapalić pod nim świecę, a następnie przecisnąć koło zamachowe.

Wniosek

Taki jest niskotemperaturowy silnik Stirlinga (samodzielnie zbudowany). Oczywiście na skalę przemysłową takie urządzenia są produkowane w zupełnie inny sposób. Jednak zasada pozostaje niezmieniona: objętość powietrza jest podgrzewana, a następnie chłodzona. I to się ciągle powtarza.

Na koniec spójrz na te rysunki silnika Stirlinga (możesz to zrobić sam bez specjalnych umiejętności). Może już rozpalił Cię pomysł i chciałbyś zrobić coś podobnego?