Zasada działania generatora stirlinga. Jakie są więc problemy z tworzeniem wysokowydajnego silnika Stirlinga?

Ważnym nowym źródłem energii mechanicznej do prowadzenia samochodu jest silnik Stirlinga. Jest prawie nieznany, istnieją tylko jego prototypy, więc można podać tylko pobieżny opis jego zasady działania i konstrukcji. W swojej pierwotnej postaci istniał jako maszyna rozszerzalności cieplnej, w której cylindrze ciało robocze na przykład powietrze było chłodzone przed sprężaniem i ogrzewane przed rozprężaniem. Schemat i zasadę działania takiego silnika pokazano na ryc. 1.

W górnej części cylindra 1 znajduje się wodny płaszcz chłodzący 2, a spód cylindra jest stale ogrzewany płomieniem. Cylinder zawiera tłok roboczy 3 uszczelniony pierścienie tłokowe i połączone korbowodem z wałem korbowym (na rysunku) wał korbowy nie pokazany). Pomiędzy dnem cylindra a tłokiem roboczym znajduje się tłok wyporowy 4, który porusza się w cylindrze z duża luka... Powietrze uwięzione w cylindrze jest pompowane przez tę szczelinę przez wypornik 4 albo do dna roboczego tłoka, albo do rozgrzanego dna cylindra. Wypornik jest napędzany przez pręt 5 przechodzący przez uszczelkę w tłoku i napędzany przez mechanizm mimośrodowy, który obraca się z kątem opóźnienia około 90° w porównaniu z mechanizmem napędowym tłoka roboczego.

W położeniu a tłok znajduje się w BDC (dolny martwy punkt), a powietrze chłodzone przez ścianki cylindra jest uwięzione między nim a wypornikiem. W kolejnej fazie b wypornik porusza się w górę, a tłok pozostaje w BDC. Powietrze pomiędzy nimi jest wypychane przez szczelinę między wypornikiem a cylindrem na dno cylindra i jest chłodzone przez ścianki cylindra. Pracuje faza b, podczas której powietrze jest podgrzewane przez gorące dno cylindra, rozszerza się i popycha oba tłoki do GMP (górny martwy punkt).

Po zakończeniu suwu roboczego wypornik powraca do dolnej pozycji na dno cylindra i przepycha powietrze przez szczelinę między ściankami cylindra do komory pod tłokiem, podczas gdy powietrze jest chłodzone przez ściany. W pozycji r zimne powietrze przygotowany do kompresji, a tłok roboczy przesuwa się z GMP do BDC. Ponieważ praca poświęcona na sprężanie zimnego powietrza jest mniejsza niż praca wykonana na rozprężanie gorącego powietrza, pojawia się praca użyteczna. Koło zamachowe służy jako akumulator energii potrzebnej do sprężania powietrza.

W opisywanej wersji silnik Stirlinga miał najniższą wydajność, ponieważ ciepło zawarte w powietrzu po suwie roboczym musiało być odprowadzane do płynu chłodzącego przez ścianki cylindra. Powietrze podczas jednego suwu tłoka nie zdążyło się wystarczająco schłodzić i konieczne było wydłużenie czasu chłodzenia, w wyniku czego prędkość obrotowa silnika również była niska. , która zależy, jak wspomniano wcześniej, od różnicy między maksymalną i minimalną temperaturą cyklu pracy, była również niewielka. Ciepło powietrza wywiewanego było odprowadzane do wody chłodzącej i było całkowicie tracone.

Silnik Stirlinga został znacznie ulepszony przez firmę Philips (Holandia). Przede wszystkim zastosowano zewnętrzny regenerator ciepła, przez który powietrze było pompowane z górnej części cylindra do dolnej pod działaniem wypieracza. Grzejnik został połączony szeregowo z regeneratorem w obwodzie zewnętrznym. Regenerator akumuluje ciepło powietrza wchodzącego do komory zimnej po rozprężeniu. Gdy powietrze płynie w przeciwnym kierunku, akumulator oddaje mu ciepło. Zwiększa to różnicę między maksymalną i minimalną temperaturą cyklu, a ciepło musi być odprowadzane przez układ chłodzenia. Grzejnik znajdujący się za regeneratorem usuwa tylko część tego ciepła, reszta jest magazynowana w akumulatorze i jest ponownie wykorzystywana. Dzięki temu nie tylko się poprawia Sprawność silnika, ale wzrasta też jego maksymalna prędkość obrotowa, co wpływa na moc i ciężar właściwy silnika. Ciepło spalin z podgrzewacza wykorzystywane jest do podniesienia temperatury świeżego powietrza dostarczanego do jego komory spalania. Opisaną konstrukcję silnika przedstawiono na ryc. 2.

W pozycji a powietrze jest sprężane i przechodząc do górnej części cylindra jest podgrzewane najpierw w regeneratorze, a następnie w grzałce. W pozycji b całe powietrze jest wypierane z przestrzeni między dwoma tłokami i wykonuje pracę przesuwając oba tłoki w dolne położenie. W położeniu B po zakończeniu pracy tłok roboczy pozostaje w dolnym położeniu, a wypornik 1 zaczyna wypychać powietrze z górnej części cylindra do przestrzeni między tłokami przez regenerator, w którym powietrze się ulatnia znaczną część jego ciepła i grzejnika, w którym powietrze jest chłodzone jeszcze głębiej. W ostatniej fazie cyklu d powietrze jest schładzane i wtłaczane z góry cylindra do przestrzeni między tłokami, gdzie jest sprężane.

Sprężanie zimnego powietrza, jego wchodzenie przez regenerator i chłodnicę do górnej części cylindra, a następnie rozprężanie i chłodzenie powietrza to cykl pracy. W cylindrze utrzymywana jest stała masa powietrza, dzięki czemu cylinder pracuje bez spalin. Do ogrzewania można wykorzystać dowolne źródło ciepła. W rozważanym schemacie stosuje się kocioł na paliwo ciekłe; zadowolony szkodliwe substancje zależy od kompletności spalania paliwa w komorze spalania kotła. Ponieważ tworzy to tryb ciągłe spalanie przy stosunkowo niskiej temperaturze i dużym nadmiarze powietrza możliwe jest osiągnięcie całkowite spalanie i mały.

Zaletą silnika Stirlinga jest również to, że może pracować nie tylko na różnych paliwach, ale umożliwia korzystanie z różnych rodzajów źródeł ciepła. Oznacza to, że silnik nie jest zależny od obecności atmosfery. Może pracować równie dobrze w ciasnych przestrzeniach zarówno na okrętach podwodnych, jak i na satelitach. Podczas korzystania z akumulatora ciepła z LiF ciepło jest dostarczane do silnika przez rurkę cieplną, jak pokazano na ryc. 3.

Na dole ryc. 2 przedstawia rombowy mechanizm napędowy, który steruje ruchem obu tłoków. Do napędu wykorzystywane są dwa wały korbowe, połączone parą kół zębatych i obracające się w przeciwnych kierunkach. Końce tłoczyska 1 i wydrążonego tłoczyska 2 są połączone oddzielnymi prętami łączącymi z obydwoma wałami korbowymi. Jeśli korby obu wałów korbowych są w najwyższa pozycja i przesuń się z pozycji a do pozycji b, wówczas korbowody tłoka roboczego 2 znajdują się w pobliżu GMP i poruszają się nieznacznie w pobliżu GMP. Korbowody wypornika poruszające się w tej fazie cyklu poruszają się w dół, a tłok również porusza się z największą prędkością z pozycji a do pozycji b.

Przeciwny kierunek obrotu obu wałów korbowych umożliwia umieszczenie na nich przeciwwag niezbędnych do zrównoważenia sił bezwładności pierwszego rzędu i ich momentów od mas posuwisto-zwrotnych występujących w silnikach jednocylindrowych i rzędowych.

Mechanizm rombowy ma również tę zaletę, że korbowody przenoszą siły z tłoczysk na wały korbowe symetrycznie, a w łożyskach i uszczelnieniach tłoka nie powstają siły boczne. To ostatnie jest bardzo ważne, ponieważ przy pracy silnika z dobra wydajność wymagane wysokie ciśnienie robocze.

W przypadku konwencjonalnych wałów korbowych, przy wysokim ciśnieniu tłoka i dużym kącie ugięcia korbowodu, na tłok działają duże siły boczne, które powodują duże straty tarcia i duże zużycie. Dzięki zastosowaniu wodzika lub mechanizmu rombowego to negatywne zjawisko jest wyeliminowane i można uzyskać dobre uszczelnienie tłoków.

Aby pręty nie przenosiły dużych sił na łożyska główne i korbowodowe wałów korbowych, pod tłokiem roboczym utrzymywane jest przeciwciśnienie równe średniemu ciśnieniu roboczemu w cylindrze, które wynosi około 20 MPa.

Podczas regulacji mocy silnika Stirlinga pojawiają się znaczne trudności. Zmiana mocy wynikająca ze zmiany ilości paliwa dostarczanego do nagrzewnicy jest nieznaczna. Bardziej zauważalny wynik można osiągnąć, zmieniając ciśnienie lub ilość płynu roboczego. Ta metoda sterowania mocą jest stosowana w silniku samochodowym Stirlinga. Aby zmniejszyć moc, część gazu z butli przechodzi do zbiornika. niskie ciśnienie; w celu zwiększenia mocy gaz jest podawany do butli ze zbiornika wysokie ciśnienie, gdzie jest wstępnie pompowany przez specjalną sprężarkę ze zbiornika niskociśnieniowego. Do silników z tłokiem dwustronnego działania Aby zmniejszyć moc, gaz jest omijany od góry tłoka do dołu przez specjalny kanał. Przenieść z pełna moc Do bezczynny trwa 0,2 s; proces odwrotny trwa około 0,6 s.

Aby utrzymać niewielkie straty tarcia gazu podczas przechodzenia przez wąskie kanały regeneratora i chłodnicy, stosuje się hel, a także starają się wykorzystywać wodór. Aby zmniejszyć rozmiar i masę, cztery cylindry tłokowe dwustronnego działania w silniku drugiej generacji są umieszczone tak, jak pokazano na ryc. 9. Zamiast wał korbowy zastosowany napęd tarczy sterującej. Obecność wysokiego ciśnienia gazu po obu stronach tłoka sprawia, że ​​na podkładkę napędową przenoszona jest tylko niewielka różnica ciśnień. Ponieważ w silniku Stirlinga całe usunięte ciepło jest przenoszone do płynu chłodzącego, chłodnica tego silnika musi być 2 razy większa niż w konwencjonalnych silnikach. wewnętrzne spalanie.

Jako przykład rozważmy dwa silniki samochodowe Stirlinga. Silnik czterocylindrowy pierwsza generacja z mechanizmem rombowym, pokazana na ryc. 10, ma średnicę cylindra 77,5 mm, skok tłoka 49,8 mm (pojemność skokowa 940 cm3), rozwija moc 147 kW przy 3000 min -1 i średnie ciśnienie w cylindrze około 22 MPa. Temperatura głowic cylindrów jest utrzymywana na poziomie około 700°C, a temperatura płynu chłodzącego na poziomie 60°C. Sucha masa silnika to 760 kg. Chłodny początek a rozgrzanie silnika do temperatury głowic cylindrów do 700 °C zajmuje około 20 sekund. Przy temperaturze wody 55°C sprawność indykatora silnika na hamowni osiągnęła 35%. Moc właściwa wynosi 156 kW/dm3, a ciężar właściwy na jednostkę mocy wynosi 5,2 kg/kW.

Schematyczny przekrój silnika Stirlinga drugiej generacji modelu Philips 4-215 DA, przeznaczonego do samochodu osobowego, pokazano na rys. 9. Silnik ma mniej więcej takie same wymiary i wagę jak zwykła benzyna nowy silnik, a jego moc wynosi 127 kW. Wokół osi wału napędowego tarczy sterującej znajdują się cztery cylindry z tłokami dwustronnego działania. Kocioł podgrzewacza, wspólny dla wszystkich czterech cylindrów, ma jedną dyszę. W Fordzie Torino (USA) zużycie paliwa z tym silnikiem było o 25% niższe niż w przypadku 8-cylindrowego silnika benzynowego w kształcie litery V. Zawartość NOx w spalinach układu podgrzewania, dzięki zastosowaniu ich recyrkulacji, była znacznie niższa od ustalonej normy.

Średnica cylindra silnika Philips 4-215 DA wynosi 73 mm, skok tłoka 52 mm. Moc silnika 127 kW przy prędkości 4000 min -1. Temperatura grzałki (temperatura głowicy cylindra) wynosi 700 ° C, a temperatura płynu chłodzącego 64 ° C.

Szwedzka firma United Sterling zaprojektowała silnik Stirlinga, aby jak najlepiej wykorzystać masowo produkowane części. Przemysł samochodowy... Zastosowano konwencjonalny wał korbowy i korbowód, który wraz z poprzeczką zamienia wał w ruch obrotowy ruch translacyjny tłok dwustronnego działania. Przekrój tego czterocylindrowego silnika V pokazano na ryc. 11. Rzędy cylindrów są ustawione pod niewielkim kątem, głowice cylindrów tworzą wspólną grupę, ogrzewaną jednym palnikiem.

Szacowany ciężar właściwy tego silnika to 2,4 kg/kW, co można porównać z osiągami bardzo dobrego niskogabarytowego wysokoobrotowego diesla. Ciężar właściwy silników Stirlinga spadł z 6,1-7,3 kg/kW do 4,3 kg/kW i stale się zmniejsza.

Produkcja silnika Stirlinga wymaga technologii całkowicie odmiennej od technologii produkcji silników spalinowych, co spowolni wprowadzenie go do produkcji. Jednak rozwój takich silników trwa nadal, ponieważ tradycyjne silniki benzynowe i wysokoprężne nie spełnią przyszłych wymagań wymaganej czystości spalin, a stworzone silniki Stirlinga dają powody do nadziei, że ten problem da się rozwiązać. Ponieważ zmiana ciśnienia gazów w cylindrze silnika Stirlinga jest płynna, pracuje stabilnie i cicho, przypominając silnik parowy. Jednak duża ilość ciepła odpadowego wymaga nowych rozwiązań w zakresie układów chłodzenia.

Wielki postęp w silnikach Stirlinga osiągnięto dzięki stworzeniu silnika Philips 4-215 DA. Silnik przeznaczony jest do użytku w samochodach osobowych i zajmuje w nich tyle miejsca, co konwencjonalny silnik benzynowy w kształcie litery V równa moc... Masa silnika Philips 4-215 DA wynosi 448 kg, a przy maksymalnej mocy 127 kW jego ciężar właściwy wynosi 3,5 kg/kW. Sprawność wskaźnikowa tego silnika przy zastosowaniu wodoru jako płynu roboczego pod ciśnieniem 20 MPa wynosi 35%.

Zimny ​​rozruch silnika trwa 15 sekund, zużycie paliwa samochodu w ruchu miejskim jest o 25% mniejsze niż w przypadku konwencjonalnego silnika benzynowego. Moc silnika regulowana jest poprzez zmianę ilości i ciśnienia płynu roboczego.

Gęstość wodoru jest 14 razy mniejsza niż powietrza, a jego pojemność cieplna jest również 14 razy większa niż powietrza. Ma to pozytywny wpływ na straty hydrauliczne, zwłaszcza w regeneratorze i generalnie prowadzi do wzrostu sprawności silnika (patrz rys. 4).

Jeszcze jakieś sto lat temu silniki spalinowe musiały podbić miejsce, które zajmują w nowoczesny przemysł motoryzacyjny... Wtedy ich wyższość wcale nie była tak oczywista jak dzisiaj. Naprawdę, Silnik parowy- główny rywal silnika benzynowego - miał w porównaniu z nim ogromne zalety: bezgłośność, prostotę regulacji mocy, doskonałe właściwości trakcyjne i niesamowitą "wszystkożerność", pozwalającą na pracę na każdym rodzaju paliwa od drewna po benzynę. Ostatecznie jednak zwyciężyła sprawność, lekkość i niezawodność silników spalinowych, które zmusiły do ​​pogodzenia się z ich wadami, jako nieuniknione.
W latach 50. wraz z pojawieniem się Turbiny gazowe i silników rotacyjnych rozpoczął się atak na monopolistyczną pozycję silników spalinowych w przemyśle motoryzacyjnym, który nie został jeszcze uwieńczony sukcesem. Mniej więcej w tym samym czasie podjęto próby wprowadzenia na scenę nowego silnika, który w uderzający sposób łączy wydajność i niezawodność silnika benzynowego z bezgłośnością i „wszystkożernością” elektrowni parowej. To jest słynny silnik spalanie zewnętrzne, który szkocki ksiądz Robert Stirling opatentował 27 września 1816 r. (patent angielski nr 4081).

Fizyka procesu

Zasada działania wszystkich silników cieplnych, bez wyjątku, opiera się na fakcie, że gdy ogrzany gaz rozszerza się, wykonuje się więcej pracy mechanicznej niż jest to wymagane do sprężenia zimnego. Wystarczy butelka i dwa garnki gorącej i zimnej wody, aby to zademonstrować. Najpierw butelkę zanurza się w lodowatej wodzie, a gdy powietrze w niej ostygnie, szyjkę zatyka się korkiem i szybko przenosi do gorąca woda... Po kilku sekundach słychać bawełnę, a podgrzany w butelce gaz wypycha korek, wykonując pracę mechaniczną. Butelkę można włożyć do wody z lodem - cykl się powtórzy.
w cylindrach, tłokach i skomplikowanych dźwigniach pierwszej maszyny Stirlinga proces ten został niemal dokładnie odtworzony, dopóki wynalazca nie zdał sobie sprawy, że część ciepła pobranego z gazu podczas chłodzenia można wykorzystać do częściowego ogrzewania. Wystarczy jakiś pojemnik, w którym będzie można przechowywać ciepło odebrane gazowi podczas chłodzenia i oddać je z powrotem po podgrzaniu.
Niestety, nawet to bardzo ważne ulepszenie nie uratowało silnika Stirlinga. Do roku 1885 osiągane tutaj wyniki były bardzo przeciętne: wydajność 5-7 procent, 2 litry. z. moc, 4 tony wagi i 21 metrów sześciennych zajmowanej powierzchni.
Silników spalinowych nie uratował nawet sukces innej konstrukcji opracowanej przez szwedzkiego inżyniera Ericksona. W przeciwieństwie do Stirlinga proponował ogrzewanie i chłodzenie gazu nie ze stałą objętością, ale ze stałym ciśnieniem. 8 W 1887 roku kilka tysięcy małych silników Erickson pracowało doskonale w drukarniach, domach, kopalniach, na statkach. Napełniali zbiorniki na wodę i obsługiwali windy. Erickson próbował nawet przystosować je do załóg kierowców, ale okazały się zbyt ciężkie. W Rosji przed rewolucją produkowano dużą liczbę takich silników pod nazwą „Heat and Power”.
Jednak próbuje zwiększyć moc do 250 KM. z. zakończone zupełna porażka... Maszyna z cylindrem o średnicy 4,2 metra opracowała niecałe 100 litrów. Oznacza to, że komory ogniowe wypaliły się, a statek, na którym zainstalowano silniki, został utracony.
Inżynierowie bez żalu pożegnali te słabe mastodonty, gdy tylko pojawiły się potężne, kompaktowe i lekkie silniki benzynowe i wysokoprężne. I nagle, w latach 60., prawie 80 lat później, Stirlings i Ericksonowie (umownie nazwiemy ich tak przez analogię z silnikiem Diesla) zaczęli mówić o groźnych rywalach silników spalinowych. Te rozmowy nie ustają do dziś. Co to wyjaśnia? ostry zakręt w widokach?

Koszt metodyczny

Kiedy dowiadujesz się o starej myśli technicznej wskrzeszonej w nowoczesnej technologii, od razu pojawia się pytanie: co uniemożliwiło jej wcześniejszą realizację? Co to za problem, ta „podpowiedź”, bez rozwiązania której nie mogła utorować sobie drogi do życia? I prawie zawsze okazuje się, że stara idea zawdzięcza swoje odrodzenie albo nowej metodzie technologicznej, albo nowy styl, o którym poprzednicy nie myśleli, czy nowy materiał. Silnik spalinowy zewnętrzny można uznać za najrzadszy wyjątek.
Obliczenia teoretyczne pokazują, że sprawność wynosi „Stirlings” i „Ericksons” mogą osiągnąć 70 procent – ​​więcej niż jakikolwiek inny silnik. Oznacza to, że niepowodzenia ich poprzedników były tłumaczone drugorzędnymi, w zasadzie usuwalnymi czynnikami. Właściwy wybór parametry i obszary zastosowań, skrupulatne badanie pracy każdej jednostki, staranne opracowanie i dopracowanie każdego detalu pozwoliły na wykorzystanie zalet cyklu. Już pierwsze próbki eksperymentalne dawały sprawność 39 procent! (Sprawność silników benzynowych i diesli, które rozwijano przez lata, wynosi odpowiednio 28-30 i 32-35 procent). Jakie możliwości „przeoczyli” Stirling i Erickson w swoim czasie?
sam pojemnik, w którym ciepło jest na przemian magazynowane, a następnie oddawane. Obliczenie regeneratora w tamtych czasach było po prostu niemożliwe: nauka o przenoszeniu ciepła nie istniała. Jego wymiary zostały wzięte na oko, a jak pokazują obliczenia, sprawność silników spalinowych zależy w dużej mierze od jakości regeneratora. To prawda, że ​​jego słabe działanie można w pewnym stopniu zrekompensować wzrostem ciśnienia.
Drugim powodem awarii było to, że pierwsze instalacje pracowały w powietrzu pod ciśnieniem atmosferycznym: ich wymiary były ogromne, a ich wydajność niewielka.
Przynosząc wydajność regenerator do 98 procent i wypełnienie zamkniętej pętli wodorem lub helem sprężonym do 100 atmosfer, inżynierowie naszych czasów zwiększyli wydajność i moc „stylizacji”, która nawet w tej formie wykazała się skutecznością. wyższa niż w silnikach spalinowych.
Już samo to wystarczyłoby, aby mówić o montażu silników spalinowych w samochodach. Ale zalety tych maszyn, ożywionych z zapomnienia, bynajmniej nie wyczerpuje tylko wysoka wydajność.

Jak działa Stirling

Schemat ideowy silnika spalinowego zewnętrznego:
1 - wtryskiwacz paliwa;
2 - odgałęzienie wylotowe;
3 - elementy nagrzewnicy powietrza;
4 - nagrzewnica powietrza;
5 - gorące gazy;
6 - gorąca przestrzeń cylindra;
7 - regenerator;
8 - cylinder;
9 - chłodniejsze żeberka;
10 - zimna przestrzeń;
11 - tłok roboczy;
12 - napęd rombowy;
13 - korbowód tłoka roboczego;
14 - synchronizacja biegów;
15 - komora spalania;
16 - rury grzejne;
17 - gorące powietrze;
18 - tłok wyporowy;
19 - wlot powietrza;
20 - zaopatrzenie w wodę chłodzącą;
21 - pieczęć;
22 - objętość bufora;
23 - pieczęć;
24 - popychacz tłoka wyporowego;
25 - popychacz tłoka roboczego;
26 - jarzmo tłoka roboczego;
27 - palec jarzma pracującego tłoka;
28 - korbowód tłoka wyporowego;
29 - jarzmo tłoka wyporowego;
30 - wały korbowe.
Czerwone tło - obieg grzewczy;
kropkowane tło - obwód chłodzenia

W nowoczesnym projekcie paliwa płynnego „stirling” istnieją trzy obwody, które mają ze sobą jedynie kontakt termiczny. Jest to obwód płynu roboczego (zwykle wodoru lub helu), obwód grzewczy i obwód chłodzący. Głównym celem obiegu grzewczego jest utrzymanie wysoka gorączka na górze ścieżki roboczej. Obwód chłodzący utrzymuje niska temperatura na dole ścieżki roboczej. Kontur samego płynu roboczego jest zamknięty.
Praca kontur ciała... W cylindrze 8 poruszają się dwa tłoki - tłok roboczy 11 i tłok wyporowy 18. Ruch tłoka roboczego w górę prowadzi do sprężenia czynnika roboczego, jego ruch w dół jest spowodowany rozprężaniem się gazu i towarzyszy mu wykonywanie użytecznej pracy. Ruch tłoka wyporowego w górę wciska gaz do dolnej, chłodzonej wnęki cylindra. Jego ruch w dół odpowiada ogrzewaniu gazu. Napęd rombowy 12 nadaje ruch tłokom odpowiadający czterem cyklom (skoki te są pokazane na schemacie).
Środek I- chłodzenie płynu roboczego. Tłok wyporowy 18 porusza się w górę, przeciskając płyn roboczy przez regenerator 7, w którym magazynowane jest ciepło ogrzanego gazu, do dolnej, chłodzonej części cylindra. Tłok roboczy 11 znajduje się w BDC.
Środek II- kompresja płynu roboczego. Energia zmagazynowana w sprężonym gazie przestrzeni buforowej 22 nadaje ruch do góry tłokowi roboczemu 11, któremu towarzyszy sprężanie zimnego płynu roboczego.
t. III- podgrzewanie płynu roboczego. Tłok miotający 18, prawie przylegający do tłoka roboczego 11, wypycha gaz do gorącej przestrzeni przez regenerator 7, w którym ciepło nagromadzone podczas chłodzenia jest zwracane do gazu.
Bar IV- ekspansja płynu roboczego - cykl pracy. Po podgrzaniu w gorącej przestrzeni gaz rozszerza się i działa użyteczna praca... Jego część jest magazynowana w sprężonym gazie z objętości buforowej 22 w celu późniejszego sprężania zimnego płynu roboczego. Reszta jest usuwana z wałów silnika.
Obieg grzewczy... Powietrze jest wdmuchiwane do wlotu powietrza 19 przez wentylator, przechodzi przez elementy 3 nagrzewnicy, nagrzewa się i wchodzi do wtryskiwaczy paliwa. Powstające gorące gazy ogrzewają rury 16 podgrzewacza płynu roboczego, opływają elementy 3 podgrzewacza i oddając swoje ciepło powietrzu zmierzającemu do spalania paliwa, są wyrzucane przez rurę wylotową 2 do atmosfery.
Obieg chłodzenia... Woda przez rury 20 jest doprowadzana do dolnej części cylindra i przepływając wokół żeber 9 chłodnicy, stale je chłodzi.

„Stirlings” zamiast ICE

Już pierwsze testy, przeprowadzone pół wieku temu, wykazały, że „stylizacja” jest niemal idealnie cicha. Nie posiada gaźnika, wtryskiwaczy wysokiego ciśnienia, układu zapłonowego, zaworów, świec zapłonowych. Ciśnienie w cylindrze wprawdzie wzrasta do prawie 200 atm, ale nie wybuchem, jak w silniku spalinowym, ale płynnie. Silnik nie potrzebuje tłumików. Kinematyczny napęd tłokowy w kształcie rombu jest w pełni wyważony. Bez wibracji, bez grzechotania.
Mówią, że nawet z ręką na silniku nie zawsze można określić, czy działa, czy nie. Te cechy silnika samochodowego są szczególnie ważne, ponieważ problem redukcji hałasu jest dotkliwy w dużych miastach.
Ale inna cecha jest „wszystkożerna”. W rzeczywistości nie ma źródła ciepła, które nie nadaje się do napędu Stirlinga. Samochód z takim silnikiem może jeździć po drewnie, słomie, węglu, nafcie, paliwie jądrowym, a nawet na słońcu. Może działać na ciepło zmagazynowane w stopie jakiejś soli lub tlenku. Na przykład stopiony 7 litrów tlenku glinu zastępuje 1 litr benzyny. Taka wszechstronność nie tylko będzie w stanie zawsze pomóc kierowcy w tarapatach. Ona się rozwiąże ostro problem pod ręką zanieczyszczenie dymem miast. Zbliżając się do miasta kierowca odpala palnik i topi sól w zbiorniku. Paliwo nie jest spalane w granicach miasta: silnik pracuje na stopie.
A co z regulacją? Aby zmniejszyć moc, wystarczy wypuścić wymaganą ilość gazu z zamkniętej pętli silnika do stalowego cylindra. Automatyka natychmiast zmniejsza dopływ paliwa, dzięki czemu temperatura pozostaje stała niezależnie od ilości gazu. Aby zwiększyć moc, gaz jest pompowany z butli z powrotem do obwodu.
Jednak pod względem kosztów i wagi Stirlingi są nadal gorsze od silników spalinowych. Na 1 litr. z. mają 5 kg, czyli znacznie więcej niż benzyna i silniki Diesla... Ale nie powinniśmy zapominać, że są to nadal pierwsze, które nie zostały sprowadzone do wysoki stopień doskonałość modelu.
Obliczenia teoretyczne pokazują, że przy innych parametrach „stirlings” wymagają niższych ciśnień. To ważna zaleta. A jeśli mają też zalety konstrukcyjne, to niewykluczone, że okażą się najgroźniejszym rywalem silników spalinowych w branży motoryzacyjnej. I wcale nie turbiny.

Stirling z GM

Poważne prace nad udoskonaleniem silnika spalinowego, które rozpoczęły się 150 lat po jego wynalezieniu, już przyniosły owoce. Zaproponowano różne warianty konstrukcyjne silnika pracującego w cyklu Stirlinga. Istnieją opatentowane konstrukcje silników tarczy sterującej do regulacji skoku tłoków silnik rotacyjny, w jednej z sekcji wirnika, w której następuje sprężanie, w drugiej - rozprężanie, a dostarczanie i odprowadzanie ciepła odbywa się w kanałach łączących wnęki. Maksymalne ciśnienie w cylindrach poszczególnych próbek osiąga 220 kg/cm 2 , a średnie ciśnienie efektywne - do 22 i 27 kg/cm 2 i więcej. Wydajność została zwiększona do 150 g/KM/godz.
Firma poczyniła największe postępy Silniki ogólne, który w latach 70. zbudował „stylizację” w kształcie litery V z konwencjonalnym mechanizm korbowy... Jeden cylinder pracuje, drugi to kompresja. Tłok roboczy zawiera tylko tłok roboczy, a tłok wyporowy znajduje się w cylindrze sprężania. Pomiędzy cylindrami znajduje się grzałka, regenerator i chłodnica. Kąt przesunięcia fazowego, czyli kąt opóźnienia jednego cylindra względem drugiego, dla tego „stirlinga” wynosi 90 °. Prędkość jednego tłoka powinna być maksymalna w momencie, gdy prędkość drugiego wynosi zero (w górnym i dolnym martwym punkcie). Przesunięcie fazowe w ruchu tłoków uzyskuje się poprzez ustawienie cylindrów pod kątem 90 °. Strukturalnie jest to najprostsza „stylizacja”. Ale jest gorszy od silnika z rombem mechanizm korbowy w opanowaniu. Aby całkowicie zrównoważyć siły bezwładności w Silnik w kształcie litery V liczba jego cylindrów powinna zostać zwiększona z dwóch do ośmiu.

Schemat ideowy „stirlinga” w kształcie litery V:
1 - cylinder roboczy;
2 - tłok roboczy;
3 - grzejnik;
4 - regenerator;
5 - rękaw termoizolacyjny;
6 - chłodniej;
7 - cylinder kompresyjny.

Cykl pracy w takim silniku przebiega następująco.
W cylindrze roboczym 1 gaz (wodór lub hel) jest podgrzewany, w drugim w cylindrze sprężającym 7 jest chłodzony. Gdy tłok porusza się w cylindrze 7, gaz jest sprężany - suw sprężania. W tym czasie tłok 2 w cylindrze 1 zaczyna przesuwać się w dół, gaz z zimnego cylindra 7 przepływa do gorącego 1, przechodząc kolejno przez chłodnicę 6, regenerator 4 i grzałkę 3 - cykl grzania. Gorący gaz rozpręża się w cylindrze 1, wykonując pracę - skok rozprężania. Gdy tłok 2 porusza się w cylindrze 1 do góry, gaz jest pompowany przez regenerator 4 i chłodnicę 6 do cylindra 7 - cykl chłodzenia.
Ten schemat „stirlinga” jest najwygodniejszy do cofania. W połączonej obudowie nagrzewnicy, regeneratora i chłodnicy (o ich konstrukcji porozmawiamy później) są do tego stworzone przepustnice. Jeśli przeniesiemy je z jednej skrajnej pozycji w drugą, to zimny cylinder stanie się gorący, a gorący stanie się zimny, a silnik będzie się obracał w przeciwnym kierunku.
Grzałka to zestaw żaroodpornych rurek ze stali nierdzewnej, przez które przepływa gaz roboczy. Rurki ogrzewane są płomieniem palnika przystosowanego do spalania różnych paliwa płynne... Ciepło z ogrzanego gazu jest magazynowane w regeneratorze. Ten węzeł ma ogromne znaczenie dla uzyskania wysoka wydajność... Spełni swoje zadanie, jeśli odda około trzy razy więcej ciepła niż w grzałce, a proces zajmie mniej niż 0,001 sekundy. Krótko mówiąc, jest to szybko działający akumulator ciepła, a szybkość wymiany ciepła między regeneratorem a gazem wynosi 30 000 stopni na sekundę. Regenerator o sprawności 0,98 jednostki składa się z cylindrycznego korpusu, w którym szeregowo ułożonych jest kilka podkładek wykonanych z drutu o średnicy 0,2 mm. Aby zapobiec przenoszeniu ciepła do lodówki, między tymi urządzeniami zainstalowano rękaw termoizolacyjny. Wreszcie jest chłodnica. Zaprojektowany jako płaszcz wodny na rurociągu.
Moc Stirlinga jest regulowana poprzez zmianę ciśnienia roboczego gazu. W tym celu silnik jest wyposażony w butla gazowa i specjalny kompresor.

Zalety i wady

Aby ocenić perspektywy zastosowania „stylizacji” w samochodach, przeanalizujmy jego zalety i wady. Zacznijmy od jednego z najważniejszych dla silnik cieplny parametry tzw. sprawność teoretyczna Dla „stirlinga” określa się ją wzorem:

η = 1 - Tx / Tg

Gdzie η to sprawność, Tx to temperatura „zimnej” objętości, a Tg to temperatura „gorącej” objętości. Ilościowo ten parametr dla „stirlinga” wynosi 0,50. To znacznie więcej niż najlepsze turbiny gazowe, silniki benzynowe i wysokoprężne, które mają teoretyczną sprawność odpowiednio 0,28; 0,30; 0,40.
Jako silnik spalinowy. Stirling ”może działać na różnych paliwach: benzynie, nafcie, oleju napędowym, gazie, a nawet stałym. Właściwości paliwa, takie jak cetan i liczba oktanowa, zawartość popiołu, temperatura wrzenia podczas spalania poza cylindrem silnika, nie mają znaczenia dla „stirlinga”. Aby działał na różnych paliwach, nie są wymagane żadne większe przeróbki - wystarczy wymienić palnik.
Silnik spalinowy, w którym spalanie jest stabilne przy stałym stosunku nadmiaru powietrza wynoszącym 1,3. emituje znacznie mniej niż silnik spalinowy tlenku węgla, węglowodorów i tlenków azotu.
Niski poziom hałasu „stirlinga” tłumaczy się niskim stopniem kompresji (od 1,3 do 1,5). Ciśnienie w cylindrze rośnie płynnie, a nie wybuchem, jak w benzynie lub silnik wysokoprężny... Brak oscylacji słupa gazów w układzie wydechowym decyduje o bezgłośności spalin, co potwierdzają testy silnika opracowanego przez Phillipsa we współpracy z przez Forda na autobus.
„Stirling” wyróżnia się niskim zużyciem oleju i wysoką odpornością na zużycie dzięki braku substancji czynnych w cylindrze i stosunkowo niskiej temperaturze gazu roboczego, a jego niezawodność jest wyższa niż znanych nam silników spalinowych, ponieważ nie ma złożonego mechanizmu dystrybucji gazu.
Ważną zaletą Stirlinga jako silnika samochodowego jest jego zwiększona zdolność adaptacji do zmian obciążenia. Na przykład jest o 50 procent wyższy niż w przypadku silnik gaźnika, dzięki czemu możliwe jest zmniejszenie ilości stopni w skrzyni biegów. Jednak całkowicie zrezygnuj ze sprzęgła i skrzyni biegów, jak w samochód parowy, to jest zabronione.
Ale dlaczego nie znaleziono jeszcze silnika o tak oczywistych zaletach? praktyczne zastosowanie? Powód jest prosty – wciąż ma wiele nierozwiązanych niedociągnięć. Najważniejszym z nich jest wielka złożoność kontroli i regulacji. Istnieją inne „rafy”, które nie są tak łatwe do ominięcia zarówno projektantom, jak i pracownikom produkcyjnym. W szczególności tłoki potrzebują bardzo skutecznych uszczelnień, które muszą wytrzymać wysokie ciśnienie (do 200 kg/cm2) i zapobiec przedostawaniu się oleju do wnęki roboczej . W każdym razie 25-letnia praca Phillipsa nad dopracowaniem silnika nie była jeszcze w stanie sprawić, by był on odpowiedni do masowego użytku w samochodach. Nie bez znaczenia jest charakterystyczna cecha"Stirling" - konieczność usunięcia dużej ilości ciepła wodą chłodzącą. W silnikach spalinowych znaczna część ciepła jest emitowana do atmosfery wraz ze spalinami. W „sterlingu” tylko 9 procent ciepła generowanego przez spalanie paliwa trafia do układu wydechowego. Jeśli w silnik benzynowy spalanie wewnętrzne z wodą chłodzącą usuwa od 20 do 25 proc. ciepła, następnie w „stirlingu” – do 50 proc. Oznacza to, że samochód z takim silnikiem powinien mieć chłodnicę około 2-2,5 razy większą niż w podobnym silniku benzynowym. Wadą „stirlinga” jest jego wysoki ciężar właściwy w porównaniu ze zwykłym silnikiem spalinowym. Kolejnym dość znaczącym minusem jest trudność w zwiększeniu prędkości: już przy 3600 obr./min straty hydrauliczne znacznie wzrastają, a wymiana ciepła pogarsza się. I w końcu. „Stirling” jest gorszy od konwencjonalnego silnika spalinowego wewnętrznego spalania pod względem reakcji przepustnicy.
Trwają prace nad tworzeniem i udoskonalaniem „stylizacji” samochodów, w tym samochodów osobowych. Można uznać, że w chwili obecnej zasadnicze problemy zostały rozwiązane. Jednak nadal pozostaje wiele do zrobienia. Zastosowanie lekkich stopów może zmniejszyć ciężar właściwy silnika, ale nadal będzie on wyższy. niż silnik spalinowy, ze względu na wyższe ciśnienie gazu roboczego. Prawdopodobnie silnik spalinowy znajdzie zastosowanie przede wszystkim w: samochody ciężarowe, zwłaszcza wojskowych - ze względu na małe zapotrzebowanie na paliwo.

Regenerator i sprawność silnika Stirlinga. Bardzo często, próbując stworzyć Stirlinga w „garażowym” środowisku, ich twórcy postanawiają zrezygnować z regeneratora. A jeszcze częściej regenerator robiony jest „losowo” i nie jest w stanie w pełni spełnić swojego przeznaczenia. A więc regenerator - dlaczego jest potrzebny? Aby to zrobić, zrozumiemy trochę teorię i zasady działania silnika. W głównym artykule opisałem już pokrótce zasadę działania, teraz przeanalizujemy ją punkt po punkcie. Bez regeneratora. 1. Ogrzewanie gazowe następuje, gdy tłok roboczy znajduje się w środku górny martwy punkt. W tym przypadku objętość jest minimalna, a wypieracz przenosi cały gaz do obszaru grzewczego. Podczas tego ogrzewania objętość się nie zmienia - ciśnienie wzrasta proporcjonalnie do wzrostu temperatury w kelwinach (ogrzewanie izochoryczne). Oznacza to, że jeśli nasz gaz miał temperaturę 300 K (27 stopni Celsjusza) i podgrzał do 900 K (627 stopni Celsjusza), to ciśnienie wzrosło 3 razy, podobnie jak temperatura. Tłok roboczy nie porusza się, żadna praca nie jest wykonywana. 2. Tłok roboczy jest wprawiany w ruch pod ciśnieniem gazu. Gaz rozszerza się i nadal odbiera ciepło z grzejnika, ale temperatura nie wzrasta i pozostaje stała, ponieważ sam gaz jest chłodzony przez rozprężenie (ogrzewanie izotermiczne). W tym cyklu (i tylko w nim) działa gaz. 3. Gaz jest schładzany do temperatury lodówki (otoczenia) o stałej objętości (tłok roboczy nie porusza się) - chłodzenie izochoryczne. W takim przypadku całe ciepło zużyte wcześniej na podgrzanie gazu z temperatury lodówki do temperatury grzałki jest przekazywane do otoczenia. 4. Tłok roboczy powraca do górnego martwego punktu, sprężając gaz w cylindrze. W tym przypadku gaz jest schładzany, a ciepło powstające w nim podczas sprężania jest oddawane środowisko(kompresja izotermiczna). Cykl ten pochłania pracę mechaniczną wykonaną przez koło zamachowe. Ponieważ sprężanie gazu pod niskim ciśnieniem wymaga mniej pracy niż gaz w wysokie ciśnienie gdy jest gorący, różnica między pracą wykonaną na gazie a pracą wykonaną na gazie jest użyteczną pracą, którą może wykonać silnik. Oznacza to, że okazuje się, że ogrzewanie, które wykonuje pracę, odbywa się tylko podczas rozprężania, w temperaturze grzałki, a ogrzewanie do tej temperatury nie wykonuje pracy, wymagane jest podniesienie ciśnienia i całej energii na to zużytej ogrzewanie jest wtedy „wrzucane” w pobliską środę. Aby uniknąć tych strat (a są one zazwyczaj kilkakrotnie większe niż wykonywana praca) stosuje się regenerator. Magazynuje ciepło, gdy gaz jest schładzany, „zabierając je do siebie”, zamiast oddawać je do otoczenia, a następnie oddaje je z powrotem do gazu, gdy jest podgrzewany. Oznacza to, że do ogrzania gazu nie jest wymagane ciepło zewnętrzne i przekazywane do silnika z grzałki ciepło jest wydawane tylko na wykonanie pracy. Dlatego sprawność silnika zależy od sprawności regeneratora i bez niego będzie kilkukrotnie niższa. A w kolejnym artykule opowiem o tym, czym powinien być skuteczny regenerator -

Wymieńmy główne cechy silnika:

1. W silniku Stirlinga energia cieplna zamieniana jest na energię mechaniczną poprzez sprężanie stałej ilości płynu roboczego w niskiej temperaturze, a następnie jego (po okresie ogrzewania) rozprężanie w wysokiej temperaturze. Ponieważ praca poświęcona tłokowi na sprężenie czynnika roboczego jest mniejsza niż praca wykonywana przez tłok podczas rozprężania czynnika roboczego, silnik wytwarza użyteczną energię mechaniczną.

2. W zasadzie w przypadku regeneracji konieczne jest jedynie doprowadzenie ciepła w celu zapobieżenia wychłodzeniu płynu roboczego podczas jego rozprężania oraz odprowadzenia ciepła uwolnionego podczas jego sprężania.

3. Niezbędną zmianę temperatury płynu roboczego zapewnia obecność oddzielonych zimnych i gorących wnęk, przez kanały łączące, między którymi płyn roboczy porusza się pod działaniem tłoków.

4. Zmiany objętości w tych dwóch wnękach nie powinny być w fazie, a wynikające z nich cykliczne zmiany całkowitej objętości z kolei nie powinny być w fazie z cyklicznymi zmianami ciśnienia. Jest to warunek uzyskania energii mechanicznej na wale silnika.

Tak więc zasada Stirlinga polega na naprzemiennym ogrzewaniu i chłodzeniu płynu roboczego zawartego w izolowanej przestrzeni. Aby zobrazować, jak ta prosta zasada jest realizowana w praktyce, rozważmy najpierw elementarny układ tłok-cylinder, w którym płyn roboczy jest izolowany od środowiska zewnętrznego za pomocą sztywnego tłoka połączonego mechanicznie z korbą (rys. 1.4).

W miarę dostarczania ciepła do głowicy cylindrów ciśnienie płynu roboczego wzrasta, a tłok zaczyna poruszać się w prawo pod działaniem rozszerzającego się płynu roboczego (ryc. 1.5).

Wraz z rozszerzaniem się płynu roboczego spada ciśnienie w cylindrze. Aby zrekompensować chłodzenie płynu roboczego podczas jego rozszerzania, dostarczanie ciepła trwa, dzięki czemu proces

Płynie w stałej temperaturze. Kiedy tłok osiągnie skrajne prawe położenie ( dno martwe punktów), dopływ ciepła zatrzymuje się, a głowica cylindra zaczyna się ochładzać za pomocą jakiegoś zewnętrznego źródła (ryc. 1.6).

Podczas procesu chłodzenia ciśnienie nadal spada. Tłok zaczyna wtedy poruszać się w lewo, sprężając gaz. Proces

Ryż. 1.8. Zakończenie cyklu pracy.

W takim przypadku chłodzenie nadal kompensuje ogrzewanie podczas sprężania, tak że sprężanie również przebiega w stałej temperaturze (rys. 1.7).

Gdy tłok osiągnie skrajne lewe położenie (górny martwy punkt), urządzenie chłodzące zostaje zastąpione źródłem ciepła (rys. 1.8).

Sekwencję tę można przedstawić na diagramach stanu termodynamicznego (rys. 1.9).

Ponieważ proces rozprężania z nagrzewaniem przebiega przy wyższym średnim ciśnieniu niż proces sprężania z chłodzeniem, silnik wykonuje pożyteczną pracę. Jednak ten sposób dostarczania i odprowadzania ciepła jest uciążliwy i niepraktyczny, ponieważ pojemność cieplna materiałów, z których cylinder głowa jest zbyt wysoka, aby osiągnąć wymagane
szybkie zmiany temperatury. Niemniej jednak podstawowa koncepcja naprzemiennego ogrzewania i chłodzenia izolowanego płynu roboczego pod różnymi ciśnieniami w celu uzyskania pracy mechanicznej jest tutaj dość dokładnie opisana.

Tom A

Pojawia się problem przełożenia tej koncepcji na praktykę. Oczywistym rozwiązaniem byłoby utrzymanie stałej wysokiej temperatury na jednym końcu cylindra i stałej niskiej temperatury na drugim. Jednak w tym przypadku niemożliwe byłoby zastosowanie układu tłokowo-cylindrowego, o którym mowa w opisie cyklu roboczego, ponieważ płyn roboczy jednocześnie odbierałby i oddawał ciepło w naprzemiennych fazach procesu. Robert Sterling przezwyciężył tę trudność, wprowadzając tłok wyporowy, czyli wypornik, umieszczony szeregowo z oryginalnym tłokiem, który otrzymał

Teraz nazwa to „pracujący tłok”. Tłok wyporowy przeznaczony jest do przemieszczania płynu roboczego pomiędzy lokalnie umiejscowionymi gorącymi i zimnymi wnękami (rys. 1.10).

Tłok wyporowy jest swobodnie umieszczony w cylindrze, dzięki czemu płyn roboczy może opływać go ze wszystkich stron, jak pokazano na rys. 1.11, gdzie zilustrowano działanie tłoka wyporowego bez odniesienia do tłoka roboczego.

Gdy wypornik porusza się w górę w kierunku gorącego końca cylindra, ogrzany płyn roboczy wchodzi do zimnej wnęki przez szczelinę pierścieniową na bocznych ścianach wyporu
tłok. W takim przypadku ciśnienie płynu roboczego spada z powodu chłodzenia. W cylindrze nie ma zaworów, więc jeśli nie uwzględni się małego, prawie znikomego spadku ciśnienia w szczelinie pierścieniowej wokół tłoka wyporowego, ciśnienie we wszystkich obszarach cylindra będzie takie samo. Przemieszczając się do dolnego martwego punktu, tłok wyporowy wymusza ruch płynu roboczego przez zimną wnękę i pierścieniową szczelinę wokół bocznej powierzchni tłoka do gorącej wnęki w celu ogrzania. Ponieważ w

Gdy tłok wyporowy porusza się, ciśnienie na obu jego końcach jest zawsze takie samo, nie wymaga to nakładu pracy na ten ruch.

Ruch tłoków wyporowych i roboczych nie jest w fazie. Wyjaśnienie tego z punktu widzenia termodynamiki zostanie podane poniżej. Jednak już teraz łatwo zrozumieć, że jeśli cały płyn roboczy w jakiejś fazie cyklu musi znajdować się w gorącej wnęce, a w innej fazie cyklu - w zimnej, to oba tłoki nie mogą znajdować się w tej samej fazie. Aby uzyskać taki przesunięty w fazie ruch tłoka, jest to konieczne. mechanizm napędowy inny niż konwencjonalny. Przykład mechanizmu zastosowanego przez samego Stirlinga pokazano na ryc. 1.12.

Jeszcze jeden element jest potrzebny do uzyskania silnika Stirlinga, jaki znamy dzisiaj. Jest to regenerator lub „ekonomizer”, jak pierwotnie nazwał go Stirling. Gdy tłok wyporowy przesuwa rozprężający się płyn roboczy do zimnej wnęki (rys. 1.11), musi on przejść przez gorącą wnękę, gdzie ze względu na
ogrzewanie odbiera nadmiar ciepła, które należy usunąć do lodówki. Płyn roboczy po sprężeniu przechodzi do gorącej wnęki przez zimną, dodatkowo schładzając. W konsekwencji płyn roboczy dostaje się do gorącej wnęki zimniej niż jest to wymagane, a do zimnej - gorętszej.

Jeżeli w szczelinie pierścieniowej wokół tłoka wyporowego, przez który przepływa płyn roboczy, zamontowana jest stalowa siatka druciana, to płyn roboczy, przechodząc przez tę szczelinę z komory gorącej do komory zimnej, będzie miał wyższą temperaturę niż siatka i , dlatego odda ciepło tej sieci. W tym przypadku kratka działa jako chłodnica wstępna, zmniejszając obciążenie cieplne chłodnicy głównej. Po procesie sprężania płyn roboczy wpłynie do gorącej wnęki, nagrzewając się podczas przechodzenia przez siatkę, czyli ponownie otrzyma ciepło podane wcześniej siatce. Regenerator działa teraz jako podgrzewacz wstępny, zmniejszając wymagany wkład energii. Opisany system jako całość pokazano na ryc. 1.13.

Chociaż obwód pokazany na ryc. 1.13, znajduje praktyczne zastosowanie w wielu silnikach, problem szybki transfer energia pozostaje nierozwiązana, ponieważ nadal konieczne jest pokonanie bezwładności cieplnej ścianek cylindra. Kiedy firma Philips zmodernizowała silnik Stirlinga, do nagrzewnicy i chłodnicy zastosowano rurowe wymienniki ciepła i chociaż wymagało to uszczelnienia tłoka wyporowego, główny cel został osiągnięty. Pełny cykl roboczy można teraz opisać za pomocą rys. 1.14. Na ryc. 1.14, składniki procesów cyklu roboczego przedstawione na wykresie ciśnienie-objętość (ryc. 1.9, a) są łatwe do rozróżnienia.

Na ryc. 1 14, a tłok roboczy znajduje się w skrajnie dolnym położeniu, wypornik znajduje się w skrajnie górnym położeniu, a cały płyn roboczy jest zamknięty w zimnej wnęce. Następnie pod działaniem sił zewnętrznych tłok roboczy zaczyna poruszać się w górę, ściskając płyn roboczy w zimnej wnęce, a temperatura płynu roboczego jest utrzymywana na minimalnym poziomie. W punkcie 2 (rys. 1.15) tłok wyporowy nadal znajduje się w najwyższym położeniu, pracujący
tłok kończy ruch w górę, a proces sprężania kończy się (rys. 1.14.6). Tłok roboczy pozostaje w swoim górnym martwym punkcie, a tłok wyporowy zaczyna poruszać się w dół, przenosząc płyn roboczy do układu chłodziarka - regenerator - grzałka, a następnie do gorącej wnęki. Objętość płynu roboczego w tym procesie pozostaje stała, podczas gdy ciśnienie wzrasta. W procesie pomiędzy punktami 2 i 3 ciepło przekazywane jest do płynu roboczego z regeneratora. Punkt 3 odpowiada pobytowi całego płynu roboczego w gorącej wnęce, w

Dzięki temu tłok roboczy nadal pozostaje w swoim górnym martwym punkcie. Należy zauważyć, że tłok wyporowy w punkcie 3 nie osiągnął jeszcze swojego najniższego położenia.

Teraz płyn roboczy, znajdujący się w gorącej wnęce, odbiera ciepło z grzejnika rurowego i rozszerza się. Działając na tłoki wyporowe i robocze, rozszerzający się płyn roboczy zmusza je do wspólnego ruchu w dół, aż osiągną najniższe położenie. W procesie pomiędzy punktami 3 i 4 wykonywana jest pozytywna praca. Punkt 4 odpowiada zatrzymaniu obu tłoków w ich dolnych martwych punktach. Tłok roboczy nadal pozostaje w tym położeniu, a tłok wyporowy porusza się w górę, wypierając rozprężony płyn roboczy przez układ grzałka - regenerator - lodówka do zimnej wnęki. W takim przypadku płyn roboczy oddaje resztę swojego ciepła do regeneratora. W procesie 4 - 1 objętość pozostaje niezmieniona, a ciśnienie spada. W ten sposób realizowany jest cykl Stirlinga, jak pokazano na dwóch diagramach stanów (ryc. 1.15).

Porównując ruch tłoków względem siebie w kolejnych procesach (rys. 1.14), łatwo zauważyć, że ich ruch w całym cyklu nie pokrywa się w fazie.

Przerywany ruch tłoków jest konieczny, aby taki cykl przebiegał jak opisano powyżej. Ten wniosek można wyraźnie zilustrować wykresem ruchów tłoka (rys. 1.16).

Ryż. 1.15. Diagramy stanu termodynamicznego idealnego cyklu Stirlinga.

Wnęka na rozprężanie na gorąco jest określona przez zmienną objętość VE między głowicą cylindra a górnym końcem tłoka wyporowego. Powstaje wyłącznie przez ruch tłoka wyporowego. Zimna wnęka sprężania jest określona przez zmienną objętość Vc między dolnym końcem tłoka wyporowego a górnym końcem tłoka roboczego. Objętość nagrzewnicy, lodówki, regeneratora i sąsiednich rur jest objętością nieczynną i nazywana jest objętością przestrzeni martwej (objętość martwa) VD. Każda martwa objętość zmniejsza moc generowaną przez silnik i musi być utrzymywana na minimalnym dozwolonym poziomie cechy konstrukcyjne silnik. Jednak w pewnych warunkach zwiększenie objętości martwej może zwiększyć sprawność silnika.

Teraz należałoby zastanowić się nad problemami termodynamiki, dynamiki gazów i wymiany ciepła, które należy rozwiązać dla realizacji zasady Stirlinga. Również nie podbity
trudności związane z dużą złożonością mechanizmu napędowego i koniecznością zapewnienia odpowiedniego wyważenia silnika.

Na ryc. 1.16 pokazuje zależność zmiany objętości od kąta obrotu korby, podczas której realizowany jest idealny cykl Stirlinga. Główną funkcją mechanizmu napędowego jest jak najdokładniejsze odwzorowanie tej zależności. Jednak całkowite spełnienie wymagań termodynamiki jest możliwe tylko przy przerywanym ruchu tłoków, oraz urządzenie mechaniczne nie jest w stanie dokładnie odtworzyć takiego ruchu. Chociaż w zasadzie możliwe jest stworzenie mechanizmu, który odtwarza prawo zmiany objętości, bliskie ideału, to przy jego projektowaniu należy wziąć pod uwagę inne czynniki, a mianowicie: prostotę konstrukcji, zwartość, czynniki dynamiczne i możliwość instalacja systemu uszczelniającego.

Im więcej ruchomych części w mechanizmie napędowym, tym z reguły mniejsza sprawność mechaniczna; w tym przypadku korzyści wynikające z odtworzenia prawa zmienności objętości bliskiej ideałowi mogą zostać zrekompensowane niską ogólną sprawnością silnika. Dodatkowo duża ilość części zwiększa koszt wykonania mechanizmu napędowego, całkowity koszt koszty jednostkowe i eksploatacyjne oraz spadek niezawodności w stosunku do mechanizmów napędowych konwencjonalnych silników spalinowych. Przestrzeń, w której silnik Stirlinga powinien „zmieścić się”, może być również decydującym czynnikiem, a to pozostawia projektantowi wybór, który preferuje: nieporęczny mechanizm napędowy, który zapewnia prawie doskonałe prawo zmiany głośności lub bardziej zwarty mechanizm, ale odtwarza prawo zmiany głośności z mniejszą dokładnością.

Czynniki dynamiczne, które należy uwzględnić przy projektowaniu można podzielić na dwie grupy: związane z dynamicznym obciążeniem oraz związane z dynamicznym wyważaniem ruchomych części silnika. Obciążenia dynamiczne mają decydujący wpływ na określenie podstawowych wymiarów silnika Stirlinga. Analiza termodynamiczna pracy silnika nakłada pewne wymagania na objętość roboczą, długość korbowodu itp., jednak ilościowo wymagania te wyrażane są parametrami bezwymiarowymi, a zatem nie ustalają żadnych rzeczywistych wymiarów. Dobór tych elementów opiera się na kolejnych obliczeniach dynamicznych, w tym określeniu obciążeń łożyska, wielkości momentu zginającego na korbowodzie itp.
de jest bezgłośny, a jeśli przewidziany jest w nim bezwibracyjny (a więc dynamicznie wyważony) mechanizm napędowy, to potencjalne możliwości jego praktycznego zastosowania znacznie się zwiększą. Kilka mechanizmów napędowych zaprojektowanych dla silników Stirlinga spełnia te wymagania.

I wreszcie, w silnikach Stirlinga o dużej pojemności skokowej pojawia się problem uszczelek oddzielających cylindry silnika od skrzyni korbowej i izolujących skrzynię korbową od nadciśnienia. W związku z tym wymieniliśmy główne czynniki wpływające na wybór mechanizmu napędowego silnika Stirlinga.

W silnikach Stirlinga najczęściej stosowane są: krzywo – mechanizm równoważenia kolców, napęd rombowy, podkładka skośna i mechanizm korbowy.

Pierwszym w silniku Stirlinga był mechanizm napędowy typu krzywo-szpic-balapsirp (rys. 1.17), w którym drążek równoważący jest przegubowy za pomocą dwóch dźwigni z tłokiem roboczym i wyporowym, a tłok roboczy napędzany jest bezpośrednio z wału korbowego . W przypadku tego typu napędu nadciśnienie w skrzyni korbowej jest nieuniknione i dlatego nadaje się tylko do małych silników. Taki napęd nie zapewnia również dynamicznego wyważania silnika jednocylindrowego.

Wzrost mocy silnika Stirlinga w procesie jego ulepszania doprowadził do konieczności odizolowania cylindrów od skrzyni korbowej, aby uniknąć nadciśnienia w skrzyni korbowej. Problem ten rozwiązuje instalacja napędu rombowego (ryc. 1.18), opracowanego przez firmę Philips w latach 50-tych. Zaletą takiego napędu jest również możliwość dynamicznego wyważania, nawet w przypadku silnika jednocylindrowego. Jego główne wady to złożoność mechanizmu, ponieważ składa się on z dużej liczby ruchomych części, powierzchni trących itp. Oraz obecność dwóch kół zębatych zazębiających się w mechanizmie.

Podkładka skośna (rys. 1.19) stosowana jest głównie w silnikach przeznaczonych do montażu w samochodach, gdzie decydującym czynnikiem jest kompaktowość jednostka mocy... Taki mechanizm jest dynamicznie wyważany pod pewnym kątem nachylenia podkładki. Ułatwia również odizolowanie cylindrów od skrzyni korbowej. Jednak w przypadku montażu silnika w samochodzie problem niezawodności uszczelnień pojawia się w warunkach szybkiej zmiany dużej liczby cykli. Podkładka skośna pozwala również kontrolować moc silnika poprzez zmianę kąta pochylenia podkładki, co z kolei prowadzi do zmiany skoku tłoków silnika. W tym przypadku silnik jest wyważany dynamicznie tylko przy jednej wartości kąta podkładki.

Mechanizm korbowy (rys. 1.20) stosowany jest w silnikach spalinowych od wielu lat. Jest niezwykle niezawodny, a w jego obsłudze zgromadzono już duże doświadczenie. Mechanizm ten jest szeroko stosowany w silnikach Stirlinga dwustronnego działania z poprzeczką i bez. Zaletami mechanizmu są jego niezawodność i łatwość wykonania, jednak dynamiczne wyważenie silnika z takim mechanizmem napędowym jest praktycznie nieosiągalne.

Mechanizm korbowy, jak mogliśmy się przekonać, nie jest prostym rozwiązaniem problemu napędu w przypadku, gdy tłoki robocze i wyporowe są rozmieszczone kolejno w jednym cylindrze. Jednak taki mechanizm jest szeroko

Jest używany w modyfikacji układu silnika Stirlinga z dwoma cylindrami. Początkowo modyfikacja ta wykorzystywała tłoki robocze i wyporowe znajdujące się w dwóch cylindrach połączonych krótką rurką (rys. 1.21).

W XIX wieku. taki silnik zbudowali Henrich i Robinson. W literaturze dotyczącej silników Stirlinga, począwszy od (> 0s naszego wieku i później, ten wariant jest często określany jako konfiguracja gamma.

Silniki dwucylindrowe zostały zaproponowane przez Ryder, co doprowadziło do znacznego wzrostu określona moc w porównaniu z innymi modyfikacjami silnika Stirlinga stworzonymi do tego czasu. Od tego czasu silniki dwucylindrowe zyskały powszechną akceptację. W modyfikacji Rydera zamiast układu tłok-wypieracz zastosowano dwa tłoki całkowicie uszczelnione w cylindrach. Wymienniki ciepła typu „grzałka – regenerator – lodówka” zabudowane są pomiędzy dwoma cylindrami tworząc kanał łączący (rys. 1.22).

Ten układ rozszerzył możliwości tworzenia różnych konfiguracji silnika, które realizują zasadę Stirlinga; na przykład cylindry mogą być umieszczone jeden na drugim poziomo lub pionowo, równolegle do siebie, w kształcie litery V (ryc. 1.23) i na innych schematach.

Wszystkie wymienione powyżej silniki są, w swojej ogólnej zasadzie działania, silnikami jednostronnego działania. Należy podkreślić, że nazwa ta odnosi się do silnika, a nie do tłoka, bo chociaż
tłok wyporowy może działać podwójnie, a jego górna i dolna powierzchnia kontrolują ruch gazu, podczas gdy silnik jako całość można nadal określić jako silnik prosta czynność... Terminy „silnik

Jednostronnego działania „” i „dwustronnego działania” w odniesieniu do silników Stirlinga służą do scharakteryzowania silnika jako całości. Na przykład, jak pokazano poniżej, nie

Ile jednostek jednostronnego działania można połączyć w silniku dwustronnego działania. Metodę tę zilustrujemy na przykładzie rozmieszczenia cylindrów zaproponowanego przez Rydera, nazywanego również modyfikacją układu alfa (rys. 1.24).

Cykl jednostronnego działania jest zapewniony przez połączone działanie górnej powierzchni jednego tłoka i dolnej powierzchni

Nos innego tłoka w sąsiednich cylindrach. Płyn roboczy krąży między tymi dwoma cylindrami. Nie przemieszcza się przez cały system – od pierwszego cylindra do czwartego. W ten sposób tłok w każdym cylindrze działa zarówno jako tłok roboczy, jak i wyporowy, a jednocześnie

Każdy tłok jest jednocześnie zaangażowany w dwa cykle robocze. W konsekwencji w układzie czterocylindrowym (rys. 1.24) jednocześnie zachodzą cztery oddzielne cykle:

Ten typ silnika Stirlinga został pierwotnie zaproponowany przez angielskiego inżyniera Siemensa i niezależnie przez holenderskich inżynierów Reeny'ego i Van Veena podczas ich kadencji w firmie Philips, gdzie został ulepszony. Silnik dwustronnego działania jest szczególnie wydajny w urządzeniach generujących energię ■ ze względu na wysoki stosunek mocy do masy, ponieważ tłok wykonuje pełny skok na każdy obrót wału korbowego w każdym cylindrze.

Oznacza to, że w silniku dwustronnego działania tłok pełni dwie funkcje (lub pełni podwójną funkcję):

1) wypełnienie płynem roboczym dwóch wnęk o zmiennej objętości i wyparcie płynu roboczego z tych wnęk;

2) przeniesienie siły na wał wyjściowy.

Silniki Stirlinga dwustronnego działania muszą być nieuchronnie wielocylindrowe, ponieważ do uzyskania przesuniętych fazowo procesów rozprężania i sprężania wymagane są co najmniej trzy tłoki (konieczność takiego przesunięcia została zauważona wcześniej). W praktyce jednak zwykle stosuje się co najmniej cztery tłoki, połączone z jednym wałem korbowym, a sąsiednie tłoki działają razem w parze, co zapewnia działanie podwójne. Silnikowe mechanizmy napędowe dwustronnego działania muszą. wykonać powyższe dwie funkcje. Najbardziej odpowiedni do tego wydaje się być konwencjonalny wielołożyskowy wał korbowy silnika rzędowego.

Ryż. 1.26. Konfiguracja współosiowa] RIS "L25) - Ten rodzaj mechanizmu to specjalny silnik dwustronnego działania, który jest szczególnie odpowiedni dla dużych układów napędowych.

Najlepszą zwartość zapewnia układ cylindrów w kwadracie, tzw. układ współosiowy (rys. 1.26), który pozwala nie tylko na zastosowanie wspólny system spalanie, ale też zastosowanie Różne rodzaje mechanizmy napędowe. Większość typów mechanizmów napędowych odpowiednich do takich silników to modyfikacje mechanizmu korbowodu z krzywymi kolcami, jednak firmy „Philips”, „General Motors” i „Ford” włożyły wiele wysiłku w ulepszenie mechanizmu za pomocą podkładki skośnej . Optymalna konstrukcja tego typu napędu zapewnia sprawność mechaniczną. przekraczający 90%.

Konfiguracje silnika Stirlinga w połączeniu z różnymi mechanizmami napędowymi pokazano na ryc. 1.27. Oczywiście powodem wyboru jednego lub drugiego mechanizmu napędowego jest nie tylko jego zwartość, ale także inne czynniki. Czynniki te zostały szczegółowo omówione w rozdz. 2.5.

We wszystkich dotychczas rozważanych silnikach zastosowano mechanizmy napędowe, w których tłoki są sztywno połączone ze sobą różnymi ogniwami kinematycznymi, a te z kolei są sztywno połączone z wałem wyjściowym, który służy do przenoszenia energii mechanicznej z silnik. Silnik Stirlinga może działać bez mechanicznego
. ui Cześć między tłokami. W tym przypadku pracownik i wysiedleńca to iii. iii tłoki nazywane są wolnymi tłokami. Ta koncepcja Tsii może być stosowany nie tylko w silnikach Starinna, ale tylko w stosunku do takich silników. pomyślnie wdrożyć. Po raz pierwszy wcielił to w rzeczywistość

Jestem". 1.38. Opcje silnika fluidydyny z różnymi sposobami przenoszenia energii.

Ra. szok ciśnieniowy; b drążek wahadłowy; c - strumień odrzutowy; 1 - gorąca ciotka; 2 - zimna wnęka; 3-zawiasowy; 4-regenerująca sprężyna.

„■ temat. Układ wykonuje ruchy kątowe, a ponieważ konstrukcja „temp” jest sztywna, te ruchy kątowe przenoszone są na kolumny płynu wypieracza, gdzie neutralizują straty lepkości i utrzymują stabilne oscylacje.

Silnik strumieniowy Fluidine, podobnie jak silnik ii ​​i silnik różnicowy, mają integralną komorę zimną.Rury zimnej i wylotowej łączą się z gorącą rurą u jej podstawy.To połączenie zapewnia efekt strumienia.
Menisk w gorącej wnęce części cieczy jest kierowany w kierunku zimnej wnęki, co powoduje, że słup cieczy w zimnej rurze porusza się w górę, a podczas suwu powrotnego ciecz wpadająca do gorącej rury powoduje ruch przepływu z zimnej rury wypornik z przyspieszeniem. Osiąga to zarówno suw górny, jak i dolny.

Ryż. 1.39. Kolejne etapy „samodzielnego rozruchu” silnika „Fluidine”.

A - pozycja wyjściowa przed startem; b - faza ekspansji; c - przeregulowanie pierwotne: g - przeregulowanie wtórne; e - faza samowzbudzenia.

Efekt reaktywnych s, trui. Jednak rzeczywiste procesy zachodzące w tym połączeniu hydraulicznym nie zostały jeszcze wystarczająco zbadane. Mimo to wersja odrzutowa jest najbardziej powszechna wśród silników Fluidine. Cykl pracy silnika odrzutowego zostanie omówiony poniżej.

Przyjrzyjmy się teraz bliżej procesom, które zachodzą sekwencyjnie podczas uruchamiania silnika Fluidine, ponieważ jedną z jego najważniejszych cech jest możliwość „samodzielnego rozruchu”.

Sekwencję procesów podczas samostartu pokazano na ryc. 1.39. W przedstartowej pozycji równowagi poziomy płynów takh2 oraz h3 są określane przez wartości ciśnienia statycznego w rurach. Jeśli ciśnienie we wnękach roboczych przekroczy
Jeśli objętość jest równa tej atmosferycznej, to wszystkie poziomy są takie same (zauważ, że poziomy hi i h2 w tym momencie są zawsze takie same). Kiedy energia cieplna jest dostarczana do prawej rury 1, temperatura płynu roboczego wzrasta i rozszerza się. Zwiększa się również ciśnienie we wnękach roboczych, przez co poziom cieczy w rurach gorących i zimnych również zaczyna spadać.Jednocześnie podnosi się poziom cieczy w rurze wylotowej.Należy zauważyć, że wszelkie zmiany w poziom cieczy jest bardzo mały, pierwotna ekspansja prowadzi do samoczynnego uruchomienia urządzenia dopiero po osiągnięciu krytycznego wahania parametru Tss , w zależności od głównych wartości parametrów określających warunki pracy silnika:

Formuła ta oparta jest na analizie zjawiska omówionego szczegółowo w rozdz. 1.6. Dla większości silników „Flui - 1ain” Tss ~ 0,1.

Pod koniec fazy rozprężania pierwotnego poziom cieczy w rurze wylotowej nadal rośnie z powodu bezwładności poruszającej się cieczy. Poziom cieczy po gorącej stronie nadal spada, aż do osiągnięcia równowagi między cieczą a medium roboczym. W tym momencie poziom cieczy w rurze po stronie zimnej jest wyższy niż w rurze po stronie gorącej. Ten stan, polegający na zastępowaniu się sekwencji faz podczas uruchamiania silnika, nazywany jest „przeregulowaniem pierwotnym”.

Gdy tylko grawitacja zatrzyma ruch cieczy w górę w rurze wylotowej, poziom cieczy po gorącej stronie również się stabilizuje; jednocześnie występuje tendencja do wyrównywania się poziomów cieczy po stronie gorącej i zimnej. W konsekwencji poziom cieczy w gorącej rurze wzrasta, podczas gdy na wylocie spada. Jednocześnie zmniejsza się objętość ogrzanego gazu i jego ciśnienie we wnęce roboczej z powodu spadku temperatury w tej wnęce z powodu wzrostu poziomu cieczy w gorącej rurze i odpowiedniego zmniejszenia ilości roboczej podgrzewanie gazu. Procesy te ułatwia ciągły ruch poziomu cieczy w rurze wylotowej w dół, co powoduje znaczny skok dynamiczny w połączeniu hydraulicznym i dodatkowy wzrost poziomu w rurze po gorącej stronie. Razem te procesy powodują, że poziom cieczy w rurze po gorącej stronie podnosi się do poziomu wyższego niż poziomy w pozostałych dwóch rurach. Ten stan nazywa się przeregulowaniem wtórnym. Prowadzi to do dalszego wzrostu potencjału grawitacyjnego między łąkotkami.

W tym momencie układ znajduje się w stanie równowagi niestabilnej, a poziomy cieczy zaczynają zbliżać się do stanu równowagi stabilnej. Obniża się poziom cieczy po gorącej stronie, co pozwala większej ilości cieczy roboczej na odbieranie energii ze źródła energii. Ciało robocze rozszerza się, a proces zaczyna się od nowa,

Jednak oscylacje stają się teraz samowzbudne i stabilne.

Opisany powyżej cykl pracy ma taką samą podstawę fizyczną jak cykl dla systemu podwójnego U-rury.

Fluidyna może działać zarówno w trybie mokrym, jak i suchym. W pierwszym przypadku dochodzi do kontaktu wypartego płynu z płynem roboczym. W drugim powierzchnie cieczy i gazu roboczego są oddzielone warstwą gazu „obojętnego” lub pływakiem mechanicznym. Energia w Fluidynie jest generowana w postaci drgań płynu w rurze wylotowej, co jest szczególnie wygodne w przypadku używania silnika jako dmuchawy. (Historia technologii zna bardzo podobne urządzenie - pompę Humphreya z otwartą pętlą.) Efekt pompowania osiąga się na dwa główne sposoby, znane jako pompowanie bezpośrednie i pośrednie. W pierwszym przypadku rura wylotowa, czyli rezonansowa jest całkowicie przekształcona w część tłoczną pompy, natomiast przy wtrysku pośrednim rura rezonansowa pozostaje w swojej pierwotnej postaci, a efekt wtrysku uzyskuje się za pomocą oddzielnego kanału połączonego z zimna wnęka (ryc. 1.40, 1.41) ...

W przypadku pompowania pośredniego trudno jest przeprowadzić „samotanycK” i wymagane są specjalne urządzenia dodatkowe, takie jak linia odpływowa zbudowana równolegle do wylotu gruboziarnistego i pełniąca rolę urządzenia pompującego pierwotną.

Należy również zauważyć, że w „mokrej” „fluidynie” nie można zainstalować regeneratorów z dyszami, ponieważ nie są one bardzo skuteczne w atmosferze powstałej mgły

W oparach cieczy. Brak regeneratora w „mokrym” „Flui-1ain” może prawdopodobnie tłumaczyć, dlaczego takie silniki mają bardzo niską sprawność. Należy jednak wziąć pod uwagę, że „mokra” „Fluidyna” może pracować tylko w temperaturach rzędu 350 K (77 ° C), a różnica temperatur podczas dostarczania i odprowadzania ciepła nie przekracza 25 ° C. W tych warunkach wydajność cyklu Carnota jest mniejsza niż 10%.

Omówionych powyżej 15 silników Stirlinga wykorzystywało gazowy płyn roboczy; nawet w „mokrej” „fluidynie” płyn roboczy jest w przeważającej większości przypadków gazowy. Obecnie pojawiają się propozycje stosowania płynów roboczych o zmiennym stanie fazowym, np. stosowanych w silnikach parowych i turbinach parowych, ale brak jest informacji, że takie urządzenia działają z powodzeniem lub przynajmniej zostały opracowane. W latach 30. angielski inżynier Malone zbudował maszynę o działaniu posuwisto-zwrotnym z zamkniętym szpikulcem, używając cieczy jako płynu roboczego. Walker sugeruje, że silnik Malone jest w rzeczywistości silnikiem Stirlinga, a pojedyncza publikacja Malone wydaje się dostarczać dalszych dowodów.

4 Zak. 839 dla tego założenia. Jednak dokładniejsza analiza, a następnie szczegółowe omówienie tego zagadnienia w zespole badaczy pracujących w tym obszarze pod kierunkiem prof. Wheatley z Uniwersytetu Kalifornijskiego (San Diego, USA) doszedł do wniosku, że najprawdopodobniej silnik Malone pracuje w cyklu podobnym do silnika Stirlinga, ale z istotnymi różnicami. Jednocześnie silnik Malone, po niewielkiej modyfikacji, może dokładnie dorównać silnikowi Stirlinga. Niemniej jednak szereg pytań pozostaje niejasnych dotyczących zasad działania silnika Malone, nawet w jego pierwotnej postaci, dlatego uważamy, że próba opisania jego cyklu pracy jest przedwczesna.

Opisaliśmy już cykle pracy różnych form silnika Stirlinga, które przekształcają energię cieplną w energię mechaniczną. Wszystkie te silniki mają te same podstawowe zasady działania, ale istnieją pewne różnice w konstrukcji, zwłaszcza jeśli chodzi o sposoby wykorzystania generowanej energii. Schematy i szczegółowe opisy, choć bardzo przydatne w zrozumieniu podstawowych zasad, na których opierają się te silniki, nie zawsze ułatwiają ustalenie, czy dane urządzenie jest silnikiem Stirlinga. W kolejnym rozdziale podane są zdjęcia i opisy już zbudowanych silników Stirlinga różnych typów, które wyeliminują te trudności.

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 wykorzystania tzw. „nowych” paliw alternatywnych: wiatru, słońca, wody i innych źródeł 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. Rozpowszechnione obecnie silniki spalinowe mają szereg wad: ich pracy towarzyszy hałas, drgania, 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 cyklu 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 małego 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 General Motors zawarł umowę licencyjną z Philipsem, a ich związek trwał 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 pojazdów ciężkich, rozszerzyła swoje zainteresowania o silniki do samochodów osobowych. Prawdziwe zainteresowanie silnikiem Stirlinga odrodziło się dopiero podczas tak zwanego „kryzysu energetycznego”. Wtedy to potencjał tego silnika w stosunku do ekonomicznego zużycia 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 mocy ponad dwustu koni mechanicznych i zwrocie 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 powietrze działa jako płyn roboczy, 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. Specyfiką mieszania z ciekłym płynem roboczym jest jego mały rozmiar, duża gęstość mocy 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 wydajności termodynamicznej, a nawet ma przewagę. Faktem jest, że cykl Carnota składa się z nieco 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: ogrzewanie, 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 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.