Obliczanie silnika Stirlinga. Elektrownie silnikowe Stirlinga – prostota, oszczędność i bezpieczeństwo ekologiczne

Ekologia zużycia Nauka i technika: Silnik Stirlinga jest najczęściej używany w sytuacjach, gdy wymagane jest urządzenie do przetwarzania energii cieplnej, które jest proste i wydajne.

Niecałe sto lat temu silniki wewnętrzne spalanie starali się wywalczyć należne im miejsce w konkursie wśród innych dostępnych maszyn i mechanizmów ruchomych. Jednocześnie w tamtych czasach wyższość silnik benzynowy nie było tak oczywiste. Istniejące maszyny na silniki parowe charakteryzuje się bezgłośnością, doskonałymi jak na tamte czasy charakterystykami mocy, łatwością konserwacji, możliwością użytkowania różnego rodzaju paliwo. W dalszej walce o rynek zwyciężyły silniki spalinowe ze względu na swoją sprawność, niezawodność i prostotę.

Kolejny wyścig o ulepszanie agregatów i mechanizmów jezdnych, w który weszli w połowie XX wieku Turbiny gazowe silników typu rotacyjnego, doprowadziły do ​​tego, że pomimo wyższości silnika benzynowego podjęto próby wprowadzenia całkowitego nowy rodzaj silniki - termiczne, wynalezione po raz pierwszy w 1861 roku przez szkockiego księdza Roberta Stirlinga. Silnik został nazwany na cześć jego twórcy.

SILNIK STIRLINGA: FIZYCZNA STRONA PROBLEMU

Aby zrozumieć, jak działa elektrownia stołowa Stirling, należy zrozumieć informacje ogólne o zasadach eksploatacji silników cieplnych. Fizycznie zasadą działania jest wykorzystanie energii mechanicznej, którą uzyskuje się podczas rozprężania gazu podczas ogrzewania i jego późniejszego sprężania podczas chłodzenia. Aby zademonstrować zasadę działania, można podać przykład oparty na zwykłej plastikowej butelce i dwóch garnkach, z których jeden zawiera zimną wodę, a drugi gorącą.

Podczas opuszczania butelki do zimna woda, którego temperatura jest zbliżona do temperatury tworzenia się lodu przy wystarczającym schłodzeniu powietrza wewnątrz plastikowego pojemnika, należy go zamknąć korkiem. Ponadto, gdy butelka zostanie umieszczona we wrzącej wodzie, po chwili korek „wystrzeliwuje” mocno, ponieważ w ta sprawa ogrzane powietrze wykonało wielokrotnie większą pracę niż podczas chłodzenia. Przy wielokrotnym powtarzaniu eksperymentu wynik się nie zmienia.

Pierwsze maszyny, które zbudowano przy użyciu silnika Stirlinga, wiernie odtworzyły proces zademonstrowany w eksperymencie. Oczywiście mechanizm ten wymagał lepszego wykorzystania części ciepła utraconego przez gaz podczas procesu chłodzenia do dalszego ogrzewania, co umożliwiło oddanie ciepła do gazu w celu przyspieszenia nagrzewania.

Ale nawet zastosowanie tej innowacji nie mogło uratować stanu rzeczy, ponieważ pierwsze Stirlingi wyróżniały się dużymi rozmiarami i niską mocą wyjściową. W przyszłości niejednokrotnie podejmowano próby unowocześnienia konstrukcji do mocy 250 KM. doprowadziło do tego, że przy cylindrze o średnicy 4,2 metra rzeczywista moc, jaką elektrownia Stirling wyprodukowała w 183 kW, wynosiła w rzeczywistości tylko 73 kW.

Wszystkie silniki Stirlinga działają na zasadzie cyklu Stirlinga, który obejmuje cztery fazy główne i dwie fazy pośrednie. Główne z nich to ogrzewanie, rozszerzanie, chłodzenie i kurczenie. Przejście do generatora zimna i przejście do elementu grzejnego uważa się za etap przejściowy. Użyteczna praca wykonywana przez silnik opiera się wyłącznie na różnicy temperatur między częściami grzejnymi i chłodzącymi.

NOWOCZESNE KONFIGURACJE STIRLING

Współczesna inżynieria rozróżnia trzy główne typy takich silników:

• stylizacja alfa, której różnica polega na dwóch aktywnych tłokach umieszczonych w osobnych cylindrach. Ze wszystkich trzech opcji ten model różni się najbardziej duża moc mając najwyższą temperaturę tłoka grzewczego;
• stylizacja beta, oparta na jednym cylindrze, którego jedna część jest gorąca, a druga zimna;
• stylizacja gamma, która oprócz tłoka ma również wypychacz.

Produkcja elektrowni Stirling będzie zależeć od wyboru modelu silnika, który uwzględni wszystkie pozytywne i negatywne strony podobny projekt.

ZALETY I WADY

Ze względu na swoje cechy konstrukcyjne silniki te mają szereg zalet, ale nie są pozbawione wad.

Elektrownia stacjonarna Stirlinga, której nie można kupić w sklepie, a tylko od amatorów, którzy samodzielnie zbierają takie urządzenia, to:

• duże gabaryty, które spowodowane są koniecznością ciągłego chłodzenia tłoka roboczego;
• stosowanie wysokie ciśnienie co jest wymagane do poprawy osiągów i mocy silnika;
• strata ciepła, która następuje w związku z tym, że wytworzone ciepło nie jest przekazywane do siebie ciało robocze, ale poprzez system wymienników ciepła, których ogrzewanie prowadzi do utraty wydajności;
• drastyczne zmniejszenie mocy wymaga zastosowania specjalnych zasad, które różnią się od tradycyjnych dla silników benzynowych.

Wraz z wadami elektrownie działające na jednostkach Stirlinga mają niezaprzeczalne zalety:

• każdy rodzaj paliwa, bo jak każdy silnik wykorzystujący energię cieplną, ten silnik zdolny do funkcjonowania w różnych temperaturach w każdym środowisku;
• rentowność. Urządzenia te mogą być doskonałym zamiennikiem jednostek parowych w przypadku konieczności przetwarzania energii słonecznej, dając sprawność wyższą o 30%;
• Bezpieczeństwo środowiska... Ponieważ elektrownia stołowa kW nie wytwarza momentu spalin, nie generuje hałasu i nie emituje do atmosfery szkodliwe substancje... Zwykłe ciepło działa jak źródło energii, a paliwo wypala się prawie całkowicie;
• konstruktywna prostota. Do swojej pracy Stirling nie będzie wymagał dodatkowych części ani osprzętu. Jest w stanie uruchomić się samodzielnie bez użycia rozrusznika;
• zwiększona żywotność. Dzięki swojej prostocie silnik może zapewnić ponad sto godzin ciągłej pracy.

ZASTOSOWANIA DO SILNIKÓW STIRLINGA

Silnik Stirlinga jest najczęściej stosowany w sytuacjach, gdy wymagane jest urządzenie do przetwarzania energii cieplnej, co jest proste, podczas gdy sprawność innych typów jednostek termicznych jest znacznie niższa w podobnych warunkach. Bardzo często takie jednostki są wykorzystywane do zasilania urządzeń pompujących, chłodni, łodzi podwodnych, akumulatorów magazynujących energię.

Jeden z obiecujące kierunki Silniki Stirlinga są wykorzystywane w elektrowniach słonecznych, ponieważ jednostka ta z powodzeniem może być wykorzystywana do przetwarzania energii promieni słonecznych na energię elektryczną. Aby zrealizować ten proces, silnik jest umieszczony w centrum lustra, które akumuluje promienie słoneczne, co zapewnia stałe oświetlenie obszaru wymagającego ogrzewania. To pozwala Ci się skoncentrować energia słoneczna na małym obszarze. W tym przypadku paliwem do silnika jest hel lub wodór. opublikowany

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 nagrzewania) rozprężanie w wysokiej temperaturze. Ponieważ praca poświęcona tłokowi na sprężenie czynnika roboczego jest mniejsza niż praca, którą wykonuje 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, pomiędzy 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.

Zatem 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 cylindra 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 stała temperatura... Gdy tłok osiągnie swoje skrajne prawe położenie (dolny martwy punkt), dopływ ciepła zatrzymuje się i zaczyna się chłodzenie głowicy cylindrów za pomocą jakiegoś zewnętrznego źródła (rys. 1.6).

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

Ryż. 1.8. Zakończenie cyklu pracy.

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

Kiedy tłok osiągnie skrajne lewe położenie ( górny martwy punktów) urządzenie chłodzące jest zastąpione źródłem ciepła (rys. 1.8).

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

Ponieważ proces rozprężania na gorąco odbywa się przy wyższym średnim ciśnieniu niż proces sprężania chłodzonego, silnik pracuje użyteczna praca Jednak ten sposób dostarczania i odprowadzania ciepła jest uciążliwy i niepraktyczny, ponieważ pojemność cieplna materiałów, z których wykonana jest głowica cylindrów, jest zbyt duża, aby zrealizować 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 tego pojęcia na praktykę. Oczywistym rozwiązaniem byłoby utrzymanie stałej na jednym końcu cylindra wysoka gorączka, az drugiej - stały niski. 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 końcach jest zawsze takie samo; ruch ten nie wymaga żadnej pracy.

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 powinien 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 wchodzi do gorącej wnęki zimniej niż 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 gorącej wnęki do 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 kompresji 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 ryc. 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 górnym martwym punkcie, a tłok wyporowy zaczyna poruszać się w dół, przenosząc płyn roboczy do układu lodówki - regeneratora - grzejnika i dalej 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 przemieszczenia w punkcie 3 nie osiągnął jeszcze swojej skrajności niższa pozycja.

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 do osiągnięcia najniższego położenia. W procesie pomiędzy punktami 3 i 4 wykonywana jest pozytywna praca. Punkt 4 odpowiada rozciągnięciu obu tłoków w ich dolnym martwe punkty... Tłok roboczy nadal pozostaje w tej pozycji, 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 zapewnić, że taki cykl będzie 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 niektórych warunkach, zwiększając objętość martwą, można 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 odwzorowuje prawo zmiany objętości, bliskie ideału, to przy jego projektowaniu należy wziąć pod uwagę inne czynniki, a mianowicie: prostotę konstrukcji, zwartość, czynniki dynamiczne oraz 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 można zrównoważyć 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 obciążeniem dynamicznym 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 wymagania te wyrażane są ilościowo przez parametry bezwymiarowe i dlatego nie ustalają żadnych prawdziwe rozmiary... Dobór tych elementów opiera się na kolejnych obliczeniach dynamicznych, w tym określeniu obciążeń łożysk, wielkości momentu zginającego na korbowodzie itp.
de jest bezgłośny, a jeśli przewidziano w nim bezwibracyjny (a więc wyważony dynamicznie) mechanizm napędowy, to jego potencjał praktyczne zastosowanie znacznie się rozwinie. 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 do 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-balapsirped (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 wał korbowy... W przypadku tego typu napędu nadciśnienie w skrzyni korbowej jest nieuniknione, dlatego nadaje się tylko do małe silniki... 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 w celu uniknięcia nadciśnienie 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 i do tej pory zgromadzono w jego działaniu duże doświadczenie. Mechanizm ten jest szeroko stosowany w silnikach Stirlinga. dwustronnego działania z poprzeczką lub bez. Zaletami mechanizmu jest jego niezawodność i łatwość wykonania, jednak dynamiczne wyważenie silnika z takim mechanizmem napędowym jest praktycznie nieosiągalne.

Mechanizm korbowy, jak widzieliśmy, nie jest proste rozwiązanie problemy z napędem w przypadku, gdy tłoki robocze i wyporowe są umieszczone kolejno w tym samym cylindrze. Jednak taki mechanizm jest szeroko

Jest używany w modyfikacji układu silnika Stirlinga z dwoma cylindrami. Początkowo modyfikacja ta wykorzystywała tłoki robocze i wyporowe umieszczone 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 (rys. 1.23) i na innych schematach.

Wszystkie wymienione powyżej silniki są, z zasady 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, 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).

Jednostronnego działania zapewnia 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 po całym układzie – 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 pracy 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 współpracują ze sobą parami, co zapewnia działanie podwójne. Silnikowe mechanizmy napędowe dwustronnego działania muszą. wykonywać 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, szczególnie odpowiedni do 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 dla takich silników to modyfikacje mechanizmu krzywo - kolca-korbowód, 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 takiego lub innego 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 osoba przemieszczająca się 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 silników Fluidyny z różnymi sposobami przenoszenia energii.

Ra. szok ciśnieniowy; b drążek wahadłowy; c - strumień odrzutowy; 1 - gorąca ciocia; 2 - zimna wnęka; 3 zawiasy; 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 lepkościowe i utrzymują stabilne oscylacje.

Silnik strumieniowy Fluidine, a także silnik ii ​​i silnik różnicowy mają integralną komorę zimną.Rury zimnej i wylotowej są połączone z gorącą rurą u jej podstawy.To połączenie zapewnia efekt strumienia.
Menisk w gorącej wnęce, część cieczy jest kierowana w kierunku zimnej wnęki, co powoduje, że słup cieczy w zimnej rurze porusza się do góry, a podczas suwu powrotnego ciecz wpadająca do gorącej rury powoduje przepływ z zimnej rury do poruszaj się w wypieraczu 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 uruchomienia”.

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 głośność jest równa atmosferycznemu, 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 poziomów cieczy po gorącej i zimnej stronie. W konsekwencji poziom cieczy w gorącej rurze podnosi się, podczas gdy na wylocie spada. Jednocześnie objętość ogrzanego gazu i jego ciśnienie we wnęce roboczej zmniejszają się z powodu spadku temperatury w tej wnęce z powodu wzrostu poziomu cieczy w gorącej rurze i odpowiedniego zmniejszenia ilości roboczej podgrzewanie gazu. Procesom tym sprzyja 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 płynu roboczego 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, zostaje całkowicie przekształcona w część tłoczną pompy, natomiast przy wtrysku pośrednim rura rezonansowa pozostaje w swojej pierwotnej postaci, a efekt wtrysku uzyskuje się osobnym kanałem podłączonym do zimna wnęka (ryc. 1.40, 1.41) ...

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

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” „Fluy-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 przy dostarczaniu i odprowadzaniu 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 wciąż brak jest informacji, czy takie urządzenia działają z powodzeniem lub przynajmniej zostały opracowane. W latach 30. angielski inżynier Malone zbudował maszynę o ruchu posuwisto-zwrotnym z zamkniętym szpikulcem, używając cieczy jako płynu roboczego. Walker sugeruje, że silnik Malone jest w rzeczywistości silnikiem Stirlinga, a jedyna publikacja Malone wydaje się dostarczać dalszych dowodów.

4 Zak. 839 dla tego założenia. Jednak dokładniejsza analiza i późniejsze 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 co do zasad działania silnika Malone, nawet w jego pierwotnej postaci, dlatego uważamy za przedwczesne opisywanie jego cyklu pracy.

Opisaliśmy już cykle pracy różnych postaci silnika Stirlinga, które przekształcają energię cieplną w energię mechaniczną. Wszystkie te silniki mają te same podstawowe zasady działania, jednak istnieją pewne różnice w konstrukcji, zwłaszcza jeśli chodzi o wykorzystanie 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.

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 odnaleźć swoje miejsce w nowej modyfikacji 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 zapomniano o nim. Mimo to, dzięki swoim zaletom, dziś silnik Stirlinga (wielu amatorów buduje go w domu własnymi rękami) wraca do łask.

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. Kiedy ciało się nagrzewa, powietrze rozszerza się i działa, wyginając w ten sposób tłok. Następnie stygnie i ponownie się składa. To jest cykl mechanizmu.

Nic dziwnego, że wiele silników termoakustycznych Stirlinga do samodzielnego wykonania jest tworzonych w domu. Narzędzia i materiały do ​​tego wymagają minimum, które można znaleźć w każdym domu. Przyjrzyjmy się dwóm różnym sposobom łatwego tworzenia.

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 dobierane są 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.

Następnie pojawia się wypieracz. Do produkcji weź blankiet 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 i łączy z innym, mniejszym cylindrem.

Mechanizm korbowy zbudowany jest na dużym cylindrze. 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 pętelkę, a w wieczku kolejny, większy otwór.

Blacha blaszana 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 od drugiego.

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 korbowodu 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 niezmienna: objętość powietrza jest podgrzewana, a następnie chłodzona. I to się ciągle powtarza.

Na koniec spójrz na te rysunki silnika Stirlinga (możesz to zrobić samodzielnie bez specjalnych umiejętności). Może już rozpala Ci się pomysł i chciałbyś zrobić coś podobnego?

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. Powszechne obecnie silniki spalinowe mają szereg wad: ich pracy towarzyszy hałas, drgania, emitują szkodliwe spaliny, zanieczyszczając tym samym naszą przyrodę i zużywają dużo paliwa. Ale dzisiaj 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 o małej mocy rozpoczęto w firmie w połowie lat 30-tych 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 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 ekonomicznej konsumpcji konwencjonalnego paliwa płynnego wydawał się szczególnie atrakcyjny, co wydawało się 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 firma Philips zainwestowała w silnik Stirlinga o mocy ponad dwustu koni mechanicznych i sprawności 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 eksperymentalnych przetestowano 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 sprawności termodynamicznej, a nawet ma przewagę. Faktem jest, 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. W ten sposób podczas przechodzenia ze źródła ciepłego do źródła zimnego gaz w butli rozszerza się i kurczy. Różnicę w objętościach gazu można zamienić w pracę, co robi silnik Stirlinga. Cykl pracy silnika Stirlinga typu beta to:

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, gorący z jednego końca i zimny z drugiego. Wewnątrz cylindra porusza się tłok (z którego usuwana jest moc) i „wypieracz”, zmieniając objętość gorącej wnęki. Gaz pompowany jest od zimnego do gorącego końca butli przez regenerator. Regenerator może być zewnętrzny, będący częścią wymiennika ciepła lub 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.

Silnik Stirlinga, którego zasada działania różni się jakościowo od zwykłej dla wszystkich silników spalinowych, kiedyś stanowił godną konkurencję dla tego ostatniego. Jednak na chwilę o nim zapomnieli. Jak ten silnik jest dziś wykorzystywany, jaka jest zasada jego działania (w artykule można znaleźć również 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 dostępny wówczas silnik parowy, 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 się wtedy 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 zademonstrować, można przeprowadzić eksperyment z dwoma garnkami wypełnionymi gorącą i zimną wodą oraz butelką. 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 pozostałe nie są najwyższymi wskaźnikami w porównaniu z innymi rodzajami jednostek, 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 schematy konstrukcyjne. Silniki mogą być tłokowe lub obrotowe. Maszyny wraz z instalacjami pracują jako pompy ciepła, lodówki, generatory ciśnienia i tak dalej.

Ponadto istnieją silniki w pętli otwartej, w których sterowanie przepływem realizowane jest za pomocą zaworów. Nazywane są silnikami Erickson, z wyjątkiem popularnej nazwy Stirling. W silniku spalinowym praca użyteczna jest wykonywana po wstępnym sprężaniu 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 rozprężanie. 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 ciepła 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 wypornika jest połączony z pracującym tłokiem, który spręża gaz na zimno i pozwala na jego rozszerzenie 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 urządzenie 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 z wydajnym regeneratorem będzie mógł pracować z wyższą wydajnością. 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 uszczelnień i możliwość doprowadzenia oleju do komór roboczych.

Charakterystyka porównawcza

Większość działających obecnie tego rodzaju silników wykorzystuje paliwa płynne. 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 wyprodukowania silnika jest znacznie wyższy niż koszt 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.
• Silnik nie posiada wysokonapięciowego układu zapłonowego, wałka rozrządu i zaworów. Nie 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 silnik Stirlinga z generatorem jest używany w wielu dziedzinach. Jest wszechstronnym źródłem energii elektrycznej w lodówkach, pompach, łodziach podwodnych i elektrowniach słonecznych. To właśnie dzięki zastosowaniu różnych rodzajów paliwa możliwe jest jego szerokie zastosowanie.

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.