Więc jaki jest problem z wykonaniem wysokosprawnego silnika Stirlinga? Silnik termoakustyczny to silnik Stirlinga bez tłoków.

Przez długi czas takie wady silników spalinowych (ICE), jak surowe wymagania dotyczące paliw i olejów, zanieczyszczenie atmosfery, hałas spalin, gwałtowne pogorszenie wydajności i inne cechy w przypadku odejścia od optymalnego trybu pracy i wreszcie niemożność korzystania ze źródeł ciepła, które nie są podłączone ze spalaniem nie były znaczące. Jednak wraz ze wzrostem liczby i mocy eksploatowanych ICE problemy toksyczności i zanieczyszczenia środowiska hałasem nabrały żywotnego znaczenia.

Gwałtowne wyczerpywanie się sprawdzonych światowych zasobów ropy doprowadziło w ostatniej dekadzie do przejścia od ery taniej ropy do ery wysokich cen energii. Z drugiej strony w nowych gałęziach techniki istnieje pilna potrzeba specjalnych silników cieplnych (np. Do pracy w kosmosie, warunkach podwodnych), które nie potrzebują tlenu atmosferycznego, ale mogą pracować z dowolnego źródła ciepła o wysokiej temperaturze.

Problemy te zwiększyły zainteresowanie specjalistów alternatywnym silnikiem z zewnętrznym doprowadzaniem ciepła, zaproponowanym w 1816 roku przez szkockiego wynalazcę Roberta Stirlinga. Opublikowano zasadę działania silnika Stirlinga (DS), krótkie tło historyczne jego rozwoju oraz opis niektórych konstrukcji takich silników (patrz artykuł GB Liebeforta „Silnik spalinowy”).

Według prognoz czołowych ekspertów dużych firm z USA, Japonii, Szwecji, Holandii, DS może stać się dominującym silnikiem w następnym stuleciu.

Dlaczego DS przewiduje tak wspaniałe perspektywy? Aby odpowiedzieć na to pytanie, konieczne jest przypomnienie historii silników cieplnych.

Do granic ekonomii

Jeszcze przed opublikowaniem pracy S. Carnota R. Stirling z powodzeniem pokonał tę trudność, wprowadzając odzyskiwanie ciepła do cyklu silnika cieplnego. Jednak niski poziom technologii na początku XIX wieku. nie pozwoliły na stworzenie wystarczająco doskonałych konstrukcji silników tego typu i na długi czas zostały zapomniane.

Obliczenia przeprowadzone w 1938 roku przez specjalistów z firmy Philips wykazały, że obiegi Stirlinga i Carnota są równie wartościowe termodynamicznie. Cykl Stirlinga, składający się z dwóch izoterm i dwóch izochorów. może służyć jako ten sam standard termodynamiczny, co cykl Carnota. Ponadto regeneracja ciepła w tym cyklu umożliwia pracę w szerokim zakresie temperatur, a co za tym idzie, dużą sprawność przy niskich stosunkach ciśnień sprężania i rozprężania płynu roboczego. Ta cecha cyklu Stirlinga sprawia, że \u200b\u200bjego praktyczna realizacja jest realna w silnikach o sprawności zbliżonej do maksymalnej możliwej dla danej różnicy temperatur między grzejnikiem a lodówką.

Rozważmy nieco wyidealizowany przepływ pracy silnika Stirlinga wyporowego na wizualnym schemacie rozmieszczenia z cylindrami ustawionymi pod kątem 90 ° i konwencjonalnym mechanizmem korbowym (ryc.

Sprawność cieplna idealnego cyklu Stirlinga, takiego jak cyklu Carnota, jest określona wzorem

Jednak w praktyce sprawność cieplna tych silników jest zauważalnie niższa.

W prawdziwych silnikach Stirlinga energia jest zużywana na tarcie i przewodność cieplną, a także odchodzi z produktami spalania itp. Jednak ze względu na podstawowe zalety termodynamiczne cyklu Stirlinga w już utworzonym DS, najwyższe wartości efektywnej sprawności uzyskano w porównaniu z innymi silnikami cieplnymi o tej samej mocy. (rys. 2).

W silniku Stirlinga można stosować dowolne tanie paliwo: gaz, węgiel, drewno, a nawet torf. Jednocześnie, w odróżnieniu od silnika spalinowego, paliwo spalane jest w sposób ciągły przy niskim ciśnieniu i optymalnym nadmiarze powietrza w komorze spalania znajdującej się poza objętością roboczą.Zawartość toksycznych substancji w produktach spalania w takich warunkach spada do minimum, a ilość uwalnianej energii wzrasta. Oprócz tradycyjnych paliw do DS nadają się inne źródła ciepła, stopione sole, radioizotopy, a także energia jądrowa i słoneczna, ciepło wnętrza Ziemi itp.

Wewnętrzna objętość silnika Stirlinga jest hermetycznie zamknięta, dzięki czemu nie dostaje się do niego pył ścierny, olej nie styka się z produktami spalania i nie utlenia się (dlatego prawie się nie zużywa). Dzięki płynnej pracy, wibracje i naprężenia na wszystkich trących elementach silnika są zredukowane.

Cechy te sprawiają, że DS jest bardziej niezawodny i trwalszy w porównaniu z silnikiem spalinowym, pozwala na długie użytkowanie bez konserwacji. Zasada zewnętrznego źródła ciepła zapewnia szybki i bezproblemowy rozruch w niskich temperaturach.

Oprócz tego wyjątkowego zestawu cech, silnik Stirlinga jest praktycznie cichy, ponieważ działa bez zaworów i nie ma gwałtownie pulsującego wydechu.

Perspektywy silników Stirlinga od dawna potwierdzają praktyka. Na przykład firma Philips zademonstrowała kiedyś 16-tonowy autobus ze 100-litrowym silnikiem wysokoprężnym. z., firma "United Stirling" 7-tonowa furgonetka, a Amerykanie - samochód osobowy "Ford-Toronto".

Obecnie około 60 firm za granicą pracuje nad dalszym udoskonaleniem silników Stirlinga. Silniki tego typu dużej mocy zostały już opracowane do lokomotyw spalinowych i elektrowni pracujących na węglu. DS służą do napędzania pomp ciepła, mobilnych agregatów prądotwórczych. Powstały próbki do pracy na satelitach Ziemi. Sporo prac poświęconych jest ciekawemu problemowi - wykorzystaniu miniaturowego DS z radioizotopowym źródłem ciepła do napędzania sztucznego serca.

Zastosowanie wodoru jako płynu roboczego pod ciśnieniem do 200 kg / cm 2 (zamiast powietrza, na którym pracowały pierwsze DS) pozwoliło obniżyć ciężar właściwy ostatnich próbek DS do 2,6-3,4 kg / kW, a poszczególnych konstrukcji do 1,2. kg / kW.

Sprawność efektywna silnika wysokoprężnego nowej generacji produkowanego przez "Mechanic-Technology" (USA) sięga 43,5% (zamiast 32 ÷ 35% dla najlepszych modeli samochodowych silników diesla). Postęp w technologii wytwarzania ceramiki żaroodpornej jeszcze bardziej zwiększy maksymalną temperaturę cyklu i stworzy DS o wydajności do 60%.

W ramach programu oszczędzania energii w Japonii realizowany jest sześcioletni plan rozwoju DC. Już w 1987 r. Silniki wielopaliwowe o wysokiej efektywności paliwowej i ekologiczności powinny być opracowywane do różnych celów. Niektóre typy opracowywanych silników będą wykorzystywały gaz ziemny. Niedawno na pustyni Mokhov w Stanach Zjednoczonych z powodzeniem przetestowano sprzęt słoneczny z silnikiem Stirlinga, który przekształca energię słoneczną w energię elektryczną. Jego ogólna wydajność wynosiła 29%. Energia słoneczna, skoncentrowana za pomocą parabolicznego lustra, napędza roślinę, która działa według pomysłu Stirlinga.

Główne wskaźniki wydajności - silniki spalinowe - sprawność, żywotność silnika i niezawodność działania - wraz ze spadkiem mocy spadają w znacznie większym stopniu niż w DS. Nie jest to zaskakujące, ponieważ przy niewielkich rozmiarach cylindra silnika spalinowego trudno jest zapewnić całkowite spalanie mieszanki roboczej, ale palnik silnika Stirlinga nawet przy małej mocy zapewnia prawie całkowite spalanie paliwa.

Jak widać na rys. 2. Efektywna sprawność silnika wysokoprężnego w szerokim zakresie mocy jest ponad dwukrotnie większa niż sprawność benzynowego silnika spalinowego. Jednocześnie przy mocy na wale mniejszej niż 1 kW sprawność silnika Stirlinga przekracza 3-4-krotnie sprawność benzynowego silnika spalinowego.

Jak pokazują wyniki testów porównawczych przeprowadzonych w Stanach Zjednoczonych, obszar ekonomicznych charakterystyk prędkości i obciążenia silników wysokoprężnych jest około siedmiokrotnie większy niż nowoczesnych silników spalinowych. Dzięki temu podczas pracy przy częściowym obciążeniu i niestabilnych trybach (na przykład podczas jazdy samochodem w warunkach miejskich), DC zapewnia do 50% oszczędności paliwa w porównaniu z silnikiem spalinowym posiadającym taką samą sprawność efektywną w trybie maksymalnej ekonomii. Efekt ten niewątpliwie będzie obserwowany dla łodzi i silniki okrętowe.

W przyszłości istnieją duże potencjalne możliwości oszczędzania paliwa i smarów podczas eksploatacji silników wysokoprężnych. Rzeczywiście, jeśli weźmiemy pod uwagę wyższą sprawność silnika wysokoprężnego, dwukrotność kosztu paliwa (gazu) oraz sprawność przy pracy przy obciążeniach częściowych, to okazuje się, że dla tego typu silnika koszty paliwa obniżają się około 4-5 razy w szerokim zakresie pojemności. io mocy mniejszej niż 1 kW - 6 do 8 razy.

Jeden z zaprojektowanych i wyprodukowanych przeze mnie silników Stirlinga o mocy 0,1 kW chłodzonych powietrzem pokazano na rys. 1. Działa prawie bezgłośnie, toksyczność spalin jest poniżej granicy czułości urządzenia Infpalit-8. paliwo to skroplony propan.

Moc prądu stałego do 1 kW powinna być szeroko stosowana w mini-samochodach, gokartach, kultywatorach, kosiarkach i kosiarkach, traktorach jednoosiowych, do napędzania pomp wodnych do różnych celów itp. Niespotykana dotąd oszczędność paliwa została praktycznie potwierdzona przez autora przy stosowaniu prądu stałego o małej mocy w kosiarce i innych cele. Dzisiaj DS jest w rzeczywistości jedynym silnikiem cieplnym, który może być używany bez szkody dla zdrowia ludzi w zamkniętych magazynach, szklarniach, tunelach itp.

Zdolność DS do długiej pracy bez konserwacji pozwala na efektywne wykorzystanie go jako źródła zasilania dla radiolatarni, radiolatarni, automatycznych stacji pogodowych itp.

Silnik okrętowy

Ta istotna trudność całkowicie znika przy stosowaniu DS w transporcie wodnym, gdzie medium chłodzące - woda morska - jest nieograniczone. Jego stosunkowo niska temperatura (4-15 ° dla średnich szerokości geograficznych) zwiększa różnicę temperatur między grzejnikiem a lodówką, przez co sprawność silnika jest wyższa. Na przykład wolnoobrotowe okrętowe silniki wysokoprężne nowej generacji o mocy około 1000-9000 kW mają efektywną sprawność do 50%.

Zastosowanie DS, w którym będzie spalany węgiel, znacznie zwiększy efektywność pracy statków. Decydującym argumentem przemawiającym za tą decyzją jest to, że koszt węgla jest 6-10 razy niższy niż koszt oleju napędowego. Jednocześnie dzięki cechom nowego silnika wzrośnie niezawodność elektrowni i gotowość statku do eksploatacji, a zmniejszy się nakład pracy przy jej utrzymaniu. Kanadyjscy naukowcy docenili te zalety i prowadzą badania nad przekształceniem konwencjonalnych morskich silników wysokoprężnych o mocy do 1700 kW w silniki węglowe Stirlinga. Mielony węgiel ma być wprowadzony do komory spalania DS za pomocą dysz i spalony w stanie rozpylonym.

Ostatnio nawet niektóre firmy specjalizujące się w produkcji okrętowych silników wysokoprężnych wykazały zainteresowanie silnikiem Stirlinga. Na przykład japońska firma Mitsubishi przeprowadziła niedawno udany test elektrowni okrętowej o mocy 66 kW. W okresie od 1980 do 1983. w Szanghajskim Instytucie Badawczym Morskich Silników Diesla opracowano dwucylindrowy silnik wysokoprężny o mocy 7,5 kW.

Dużym zainteresowaniem cieszy się możliwość zastosowania akumulatorów termicznych zamiast paliwa do statku DS. Zapas energii cieplnej w stopionych niektórych solach, na przykład fluorku litu, wynosi około 0,5 kWh / l (500 kWh / m 3). Zatem energochłonność akumulatorów ciepła jest współmierna do wartości opałowej paliw konwencjonalnych i jest wystarczająca dla wielu statków, które nie zbyt długie loty. Nikolaev Shipbuilding Institute opracował projekt elektrowni okrętowej o mocy 100 kW z akumulatorem termicznym, którego materiałem jest zwykły grafit.

Akumulatory ciepła na statkach można ładować spalając węgiel, wykorzystując nadwyżki energii elektrycznej w nocy, a także z wysokotemperaturowych reaktorów jądrowych zlokalizowanych w portach.

Silnik Stirlinga jest bardzo wydajny dla małych łodzi. Tak więc firma "United Stirling" zainstalowała jednocylindrowy DS o pojemności 10 litrów. z. na seryjnie produkowanej łodzi typu „Albin” o długości 10 m zapewniającej prędkość łodzi 7 węzłów. Silnik został zainstalowany na rufie i wyposażony w bieg wsteczny. Poziom hałasu zmierzony w odległości 1 m od silnika pracującego z pełnym obciążeniem bez tłumika wyniósł tylko 68 dB, czyli o 20 dB mniej niż w przypadku silnika spalinowego.

Podobne testy przeprowadzono na duńskiej łodzi Stirling Silens. Łódź osiągnęła prędkość 13 węzłów, silnik okazał się niezawodny, wibracje nie były odczuwalne. Można założyć, że wraz z seryjną produkcją DC, ICE na małych statkach zostaną wymienione.

Jedna ze szczególnych cech silnika Stirlinga - możliwość współpracy z akumulatorem ciepła bez powietrza atmosferycznego może być z powodzeniem wdrażana w pojazdach podwodnych. Całkowity brak zanieczyszczenia środowiska wodnego, możliwość wielokrotnego i szybkiego nagrzewania materiału akumulatora ciepła na zbiorniku zasilającym, pozwalają na efektywne wykorzystanie takiej aparatury we wszelkiego rodzaju badaniach i pracach podwodnych.

Rezerwa mocy elektrowni z prądem stałym i akumulatorem ciepła (ze stopionym fluorkiem litu) jest 8-10 razy większa niż w przypadku systemu konwencjonalnego z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi i silnikiem elektrycznym prądu stałego.

Silnik Stirlinga, w przeciwieństwie do silnika elektrycznego, wydziela dużo ciepła do otoczenia nawet przy najwyższej sprawności. Dzięki temu podwodny pojazd holujący z DS można łatwo przystosować do jednoczesnego ogrzewania nurka.

Według danych eksperymentalnych uzyskanych przez autora, standardowa pięciolitrowa butla propanu wystarcza do ciągłej pracy domowego prądu stałego o mocy 0,1 kW przez 40 godzin. Taki silnik łodzi jest wygodny i niezawodny w działaniu, wyklucza zanieczyszczenie zbiorników wodnych.

Tak więc istnieją wszystkie techniczne i ekonomiczne warunki wstępne dla silników Stirlinga o mocy do 1 kW, które mają być stosowane w pojazdach holujących pod wodą i jako masowe silniki zaburtowe. Faktem jest, że podczas masowej produkcji koszt takich silników o uproszczonej konstrukcji, zgodnie z moimi wstępnymi obliczeniami, już w chwili obecnej nie może przekroczyć kosztu konwencjonalnych silników zaburtowych do łodzi z silnikami spalinowymi.

Dzisiaj o silniku Stirlinga.
(wiele interesujących filmów)
Część 1.
Dla wielu nie wiadomo, co to jest, więc będzie dużo teorii.
Ten wspaniały wynalazek nazywany jest również silnikiem spalinowym.
Tłok roboczy jest wypełniony powietrzem lub gazem i jest wystawiony na działanie ciepła z zewnątrz.
Więc do takiego silnika benzyna nie jest potrzebna, może pracować na wszystkim, co wytwarza ciepło, słońce, drewno opałowe, węgiel, gaz, olej, paliwo jądrowe. Wszędzie tam, gdzie można uzyskać różnicę temperatur, istnieją modele, które działają nawet pod wpływem ciepła dłoni.

Praca silnika z podgrzewania filiżanki:

Dość powiedzieć, że lodówki, pompy ciepła i klimatyzatory są w rzeczywistości również silnikami Stirlinga, pracującymi tylko w przeciwnym kierunku.

Przemysłowe instalacje słoneczne, w których światło słoneczne koncentruje się na płynie roboczym silnika, powodując ogromną różnicę temperatur.
Moc takich instalacji sięga 50-70 kW.

Sprawność takich silników może wynosić od 5 dla modeli konwencjonalnych do 70% dla wersji przemysłowych pracujących pod ciśnieniem 300 atmosfer, czyli o 50-70% więcej niż w przypadku silników spalinowych. Dość powiedzieć, że silniki Stirlinga są używane w statkach kosmicznych i najnowszych łodziach podwodnych.

To silnik opracowany przez NASA do pracy w kosmosie, o mocy 2500 kW.
płyn roboczy w wodorze pod ciśnieniem 300 atmosfer.

Wtedy pojawia się pytanie, dlaczego ten cudowny wynalazek nie jest tego wart w każdym domu i na podwórku,
kiedy wystarczy włożyć płyn roboczy do zwykłego ognia i cieszyć się obecnością prądu? Myślę, że odpowiedź jest oczywista, o ile jest olej i ci, którzy są właścicielami go w normalnym użytkowaniu, nie zobaczymy tego.
Aby kontrolować rezerwy ropy, rozpętane są wojny i niszczone są całe stany.
Myślę, że nikogo nie dziwi, że Stany Zjednoczone wprowadzają demokrację tylko do tych krajów, w których jest wydobycie ropy, Syrii, Kuwejtu, Iraku, Libii, Iranu, Sudanu, Pakistanu itd.
I z jakiegoś powodu nie ma zainteresowania innymi reżimami dyktatorskimi.

To były teksty.
Sprzedawany jest przemysłowo produkowany silnik Stirlinga do użytku domowego, ale jego cena jest absolutnie nieracjonalna w granicach 20-25 tysięcy dolarów, o mocy 5-7 kW.
Prawdopodobnie nie ma wielu chętnych.

Dopiero niedawno niemiecka firma produkująca domowe kotły grzewcze uzyskała licencję na montaż silników z liniowym generatorem prądu w swoich produktach.
O mocy cieplnej 16-20 kW. (chodzi o ogrzewanie domu o powierzchni 120-150 metrów)
całe nadmiarowe ciepło nie wychodzi do rury, lecz jest zamieniane na energię elektryczną o mocy około 2 kW.
Rozmiar takiego konwertera to 3-litrowy termos.
Trudno powiedzieć, ile będą kosztować takie kotły, ale mając taki konwerter,
problem z zasilaniem zostałby rozwiązany. Wrzuć płyn roboczy do ognia lub pieca i gotowe!
Można sobie wyobrazić, jak zmienność odwróciłaby się do góry nogami, gdyby w każdej kotłowni, która dostarcza ciepło do ogrzewania całych obszarów, w piecach były ogromne wysokociśnieniowe Stirlingi. Być może przez cały sezon grzewczy można było nie polegać na elektrowniach.
A kto w takim razie przyniesie gigantyczne zyski firmom generującym?

W sprzedaży można znaleźć piękne, działające modele Stirlinga,
ale modele są bardzo drogie, np. ten na zdjęciu kosztuje 32 000 rubli.

Wideo z ich pracy:

Zdjęcia domowych modeli

Wideo silników domowej roboty:

Działają nawet od słońca:

Bardziej zaawansowana i wydajna maszyna chłodzona wodą:

Ciekawe wideo z pracy modelki szkolnej:

Nie rozpieszczamy nas wzorami przemysłowymi.
Nikt jednak nie może zabronić samodzielnego wykonania takiego silnika, choć będzie on dużo mniej niezawodny i produktywny niż wzór przemysłowy, będzie wszystkożerny i właśnie tego potrzebujemy.
Dla tych, którzy wiercili i znaleźli olej w swoim ogrodzie, to nie jest temat dla ciebie,
poszukaj schematów zdjęć.)))

Historia.
Silnik Stirlinga został po raz pierwszy opatentowany przez szkockiego księdza Roberta Stirlinga 27 września 1816 roku. Podstawową zasadą działania silnika Stirlinga jest ciągłe naprzemienne podgrzewanie i chłodzenie płynu roboczego w zamkniętym cylindrze.
Warto powiedzieć, że pierwszy przemysłowy Stirling pracował w zakładzie mechanicznym, wbijając młot mechaniczny przez 80 lat.
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.
Zasadniczo istnieją trzy odmiany silnika Stirlinga.

Alpha Stirling - zawiera dwa oddzielne tłoki mocy w oddzielnych cylindrach. Jeden tłok jest gorący, drugi zimny. Gorący cylinder tłokowy znajduje się w wymienniku ciepła o wyższej temperaturze, podczas gdy zimny cylinder tłokowy znajduje się w zimniejszym wymienniku ciepła. Ten typ silnika ma dość wysoki stosunek mocy do objętości, ale niestety wysoka temperatura „gorącego” tłoka stwarza pewne problemy techniczne.

Regenerator znajduje się pomiędzy gorącą częścią rurki łączącej a zimną.

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

Gamma Stirling też ma tłok i „wypieracz”, ale jednocześnie są dwa cylindry - jeden zimny (tam porusza się tłok, z którego odbierana jest moc), a drugi jest gorący z jednego końca i zimny z drugiego (porusza się tam „wypornik”). Regenerator może być zewnętrzny, w tym przypadku łączy gorącą część drugiego cylindra z zimną i jednocześnie z pierwszym (zimnym) cylindrem. Wewnętrzny regenerator jest częścią wypieracza.

Wady Stirlinga:
Zużycie materiału jest główną wadą silnika. W generalnie silnikach spalinowych, a zwłaszcza w silniku Stirlinga, płyn roboczy musi być schłodzony, co prowadzi do znacznego wzrostu masy i wymiarów elektrowni z powodu zwiększonych chłodnic.
Aby uzyskać właściwości porównywalne z silnikiem spalinowym, konieczne jest stosowanie wysokich ciśnień (powyżej 100 atm) oraz specjalnych rodzajów cieczy roboczej - wodoru, helu.
(tutaj, tak, nie pozwolą nam grabić łodzi podwodnej ani statku kosmicznego)
Ciepło nie jest dostarczane bezpośrednio do płynu roboczego, ale tylko przez ściany wymienników ciepła. Ściany mają ograniczoną przewodność cieplną, co powoduje, że wydajność jest niższa od oczekiwanej. Gorący wymiennik pracuje w bardzo trudnych warunkach wymiany ciepła i przy bardzo wysokich ciśnieniach, co wymaga stosowania drogich materiałów wysokiej jakości. Zaprojektowanie wymiennika ciepła spełniającego sprzeczne wymagania jest trudne. Im większa powierzchnia wymiany ciepła, tym mniejsze straty ciepła. Jednocześnie zwiększa się rozmiar wymiennika ciepła i objętość płynu roboczego, który nie bierze udziału w pracy. Ponieważ źródło ciepła znajduje się na zewnątrz, silnik wolno reaguje na zmiany przepływu ciepła do cylindra i może nie dostarczać natychmiast wymaganej mocy podczas rozruchu.
Aby szybko zmienić moc silnika, stosuje się metody inne niż stosowane w silnikach spalinowych: pojemność buforowa o zmiennej objętości, zmiana średniego ciśnienia płynu roboczego w komorach, zmiana kąta fazowego między tłokiem roboczym a wypornikiem. (bezwładność i właśnie tego potrzebujemy do generatora).

Korzyści:
Niemniej jednak silnik Stirlinga ma zalety, które zmuszają nas do jego opracowania.
Sprawność silnika Stirlinga może osiągnąć 65-70% wydajności z cyklu Carnota przy obecnym poziomie projektowania i technologii produkcji. Ponadto moment obrotowy silnika jest prawie niezależny od prędkości wału korbowego. Z drugiej strony w silnikach spalinowych maksymalny moment obrotowy uzyskuje się w wąskim zakresie prędkości.
Silnik „wszystkożerny” - podobnie jak wszystkie silniki spalinowe (a raczej - zewnętrzne źródło ciepła), silnik Stirlinga może pracować przy prawie każdej różnicy temperatur: na przykład między różnymi warstwami wody w oceanie, ze słońca, z grzejnika jądrowego lub izotopowego, pieca na węgiel lub drewno itp.
Silnik nie będzie „kapryśny” z powodu utraty iskry, zatkania gaźnika lub niskiego poziomu naładowania akumulatora, ponieważ nie ma tych jednostek. Określenie „zgaśnięcie silnika” nie ma sensu dla Stirlingów. Stirling może się zatrzymać, jeśli obciążenie przekracza projekt. Ponowne uruchomienie odbywa się poprzez jednokrotne obrócenie koła zamachowego wału korbowego.
Prostota konstrukcji - konstrukcja silnika jest bardzo prosta, nie wymaga dodatkowych systemów, takich jak mechanizm dystrybucji gazu. Uruchamia się sam i nie potrzebuje rozrusznika. Jego cechy pozwalają pozbyć się skrzyni biegów. Jednak, jak wspomniano powyżej, powoduje większe zużycie materiału.
Zwiększone zasoby - prostota konstrukcji, brak wielu „delikatnych” jednostek sprawia, że \u200b\u200bstirling zapewnia niespotykane dotąd zasoby dla innych silników w dziesiątkach i setkach tysięcy godzin ciągłej pracy.
Sprawność - w przypadku zamiany energii słonecznej na energię elektryczną, stirlingi dają czasem większą sprawność (do 31,25%) niż silniki parowe.
Spalanie paliwa zachodzi poza wewnętrzną objętością silnika (w przeciwieństwie do silnika spalinowego), co pozwala na równomierne spalanie paliwa i jego całkowite dopalanie (czyli dobór maksymalnej energii zawartej w paliwie oraz minimalizację emisji toksycznych składników).
Konstrukcja silnika nie obejmuje wysokonapięciowego układu zapłonowego, układu zaworów i odpowiednio wałka rozrządu. Dobrze zaprojektowany i zaawansowany technologicznie silnik Stirlinga nie wymaga regulacji i strojenia przez cały okres użytkowania.
Cichy silnik - stylizacja nie posiada wydechu, co oznacza, że \u200b\u200bnie hałasuje. Beta-stirling z mechanizmem rombowym jest urządzeniem idealnie wyważonym i przy dostatecznie wysokiej jakości wykonania nie wykazuje nawet drgań (amplituda drgań poniżej 0,0038 mm).
Przyjazny dla środowiska - sama stylizacja nie zawiera żadnych części ani procesów, które mogą przyczyniać się do zanieczyszczenia środowiska. Nie zużywa płynu roboczego. Przyjazność dla środowiska silnika wynika przede wszystkim z przyjazności dla środowiska źródła ciepła. Należy również zauważyć, że zapewnienie kompletności spalania paliwa w silniku spalinowym zewnętrznym jest łatwiejsze niż w silniku spalinowym.

Okręty podwodne
Zalety „stirlinga” doprowadziły do \u200b\u200btego, że w pierwszej połowie lat sześćdziesiątych XX wieku w podręcznikach marynarki wojennej wskazano na możliwość zainstalowania niezależnych od powietrza silników Stirlinga na okrętach podwodnych typu „Schöurmen” wyprodukowanych w Szwecji. Jednak ani Szurmeni, ani następujące po nich Nakken i Westerjotlands nie otrzymały tych elektrowni. Dopiero w 1988 roku główny okręt podwodny klasy „Nakken” został przebudowany na silniki Stirlinga. Wraz z nimi przebywała pod wodą na ponad 10 000 godzin. Innymi słowy, to Szwedzi zapoczątkowali erę beztlenowych układów napędowych pomocniczych w konstrukcji okrętów podwodnych. A jeśli Nakken jest pierwszym eksperymentalnym statkiem tej podklasy, to okręty podwodne klasy Gotland stały się pierwszymi seryjnymi łodziami z silnikami Stirlinga, które pozwalają im pozostawać pod wodą nieprzerwanie do 20 dni. Obecnie wszystkie okręty podwodne Szwedzkiej Marynarki Wojennej wyposażone są w silniki Stirlinga, a szwedzcy stoczniowcy już dobrze sprawdzili technologię wyposażenia okrętów podwodnych w te silniki, wycinając dodatkowy przedział, w którym znajduje się nowy układ napędowy. Podobne silniki są również instalowane w najnowszych japońskich okrętach podwodnych.

Jedną z niekonwencjonalnych dziedzin zastosowań silnika Stirlinga jest medycyna. Jest stosowany w systemach sztucznego serca. Z reguły źródłem energii w takich systemach są radioizotopy.

Przykład zastosowania silnika do chłodzenia procesora

Dla nas zaletą całej tej technologii jest to, że kompetentna osoba będzie w stanie odtworzyć projekt z tych materiałów, które będą pod ręką, ale aby uzyskać wysokiej jakości i trwały projekt, trzeba o tym pomyśleć już dziś.
Dla każdej osoby taki silnik może być źródłem energii.
Jeśli w rozliczeniu jest więcej niż 30-50 osób, możesz wymyślić palacza na całą dobę
pobieranie prądu. A elektryczność to WSZYSTKO.
Pompy, pobór wody, oświetlenie, ochrona terenu, elektronarzędzia, sprzęt AGD, komputer z zebranymi danymi, w ogóle twierdza cywilizacji.
Ciekawe wideo od entuzjastów, którzy przebudowują silniki Stirlinga
z powodzeniem działający na początku ubiegłego wieku.

Co chcę powiedzieć na zakończenie.
Najprawdopodobniej silnik Stirlinga jest panaceum w okresie BP na wytwarzanie energii,
zarówno elektryczne, jak i mechaniczne.
Ponieważ nie jest przywiązany do słońca, które świeci w dzień, a w nocy potrzebny jest prąd,
Co więcej, kiedy zimą najbardziej potrzebne jest światło, zdradzieckie chmury wiszą na niebie miesiącami.
Nie jestem przywiązany do wiatru, który wieje, kiedy chce i jak chce, nie wiem jak Ty, mam dość wiatru, który wieje 20 dni w roku.
Nie związany z benzyną i ropą, może w Tiumeniu i jeśli chcesz, możesz dotrzeć do dna ropy,
u nas tylko wtedy, gdy przekopiesz się do złóż Wenezueli.
Nie przywiązany do ciśnienia i przepływu wody, ktoś czuje się dobrze u podnóża wśród rzek i strumieni, najbliższa mi duża woda jest ściśle na północy na horyzoncie 12 km lub ściśle w dół 40 metrów.

Stirling dał nam swój wyjątkowy wynalazek, który można i należy wdrożyć.
Wygoda, niezawodność, wszystkożerność jak zwykły piec czy palenisko.
Najważniejsze to wrzucić drewno opałowe do paleniska lub węgla, jak ktoś inny.

Dziękuję za uwagę, ciąg dalszy ...

Silnik Stirlinga, którego zasada działania różni się jakościowo od zwykłych silników spalinowych, kiedyś stanowił godną konkurencję dla tych drugich. Jednak na chwilę o nim zapomnieli. Jak ten silnik jest dziś używany, jaka jest zasada jego działania (w artykule można również znaleźć rysunki silnika Stirlinga, które wyraźnie pokazują jego działanie) i jakie są perspektywy jego użytkowania w przyszłości, czytaj poniżej.

Historia

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

Silnik został uznany za najtrwalszą maszynę parową dostępną w tamtym czasie, ponieważ nigdy nie wybuchł. Przed nim ten problem pojawiał się często w innych silnikach. Pomimo szybkiego sukcesu, na początku XX wieku zarzucono jego rozwój, gdyż stał się mniej ekonomiczny niż inne pojawiające się wówczas silniki spalinowe i elektryczne. Jednak Stirling nadal był używany w niektórych branżach.

Silnik spalinowy

Zasada działania wszystkich silników cieplnych polega na tym, że aby uzyskać gaz w stanie rozprężonym, wymagane są większe siły mechaniczne niż przy sprężaniu zimnego. Aby to zademonstrować, można przeprowadzić eksperyment z dwoma garnkami wypełnionymi zimną i gorącą wodą oraz butelką. Ten ostatni zanurza się w zimnej wodzie, zakrywa, a następnie przenosi do gorącej wody. Spowoduje to, że gaz w butelce wykona prace mechaniczne i wypchnie korek. Pierwszy silnik o spalaniu zewnętrznym całkowicie polegał na tym procesie. To prawda, że \u200b\u200bpóźniej wynalazca zdał sobie sprawę, że część ciepła można wykorzystać do ogrzewania. W ten sposób wydajność znacznie wzrosła. Ale nawet to nie pomogło w upowszechnieniu się silnika.

Później Erickson, inżynier ze Szwecji, ulepszył projekt, proponując chłodzenie i ogrzewanie gazu przy stałym ciśnieniu zamiast objętości. W efekcie wiele egzemplarzy zaczęto używać do pracy w kopalniach, na statkach iw drukarniach. Ale dla załóg były zbyt ciężkie.

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 pozostałymi typami jednostek, które się pojawiły. Jednak firma Philips wznowiła działalność w 1938 roku. Silniki zaczęły służyć do napędzania generatorów w obszarach niezelektryfikowanych. W 1945 roku inżynierowie firmy znaleźli dla nich odwrotne zastosowanie: jeśli wał jest obracany przez silnik elektryczny, wówczas chłodzenie głowicy cylindra 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 ściskanie i rozszerzanie zachodzi w różnych temperaturach. W tym przypadku regulacja przepływu płynu roboczego jest realizowana 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 ich instalacjami pracują jako pompy ciepła, lodówki, generatory ciśnienia i tak dalej.

Ponadto istnieją silniki w cyklu otwartym, w których sterowanie przepływem odbywa się za pomocą zaworów. Nazywa się je silnikami Ericksona, z wyjątkiem nazwy zwyczajowej Stirling. W silniku spalinowym użyteczna praca jest wykonywana po wstępnym sprężeniu powietrza, wtrysku paliwa, podgrzaniu powstałej mieszanki, zmieszaniu ze spalaniem i rozprężeniem.

Silnik Stirlinga ma tę samą zasadę działania: w niskich temperaturach występuje sprężanie, a przy wysokich temperaturach rozszerzanie. 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 za pomocą tłoka wyporowego. Ten ostatni przenosi gaz z jednej wnęki butli do drugiej. Z jednej strony temperatura jest stale niska, az drugiej wysoka. Kiedy 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 z grzejnika tyle, ile dał. Pomiędzy grzejnikiem a lodówką umieszczony jest regenerator - wnęka wypełniona materiałem, do którego gaz oddaje ciepło. W przypadku przepływu wstecznego regenerator zwraca go.

Układ wypierający jest połączony z tłokiem roboczym, który spręża gaz w zimne dni i umożliwia rozszerzanie się pod wpływem ciepła. Przydatna praca polega na kompresji w niższej temperaturze. Cały system przechodzi przez cztery cykle z przerywanymi ruchami. Mechanizm korbowy zapewnia w ten sposób ciągłość. Dlatego nie obserwuje się ostrych granic między etapami cyklu, a Stirling nie maleje.

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

Szczegóły pracy

Słońce, elektryczność, energia jądrowa lub jakiekolwiek inne źródło ciepła może dostarczać energię do silnika Stirlinga. Zasada działania jego ciała polega na używaniu helu, wodoru lub powietrza. Idealny cykl ma maksymalną możliwą sprawność cieplną od trzydziestu do czterdziestu procent. Ale z wydajnym regeneratorem może pracować z większą wydajnością. Regenerację, ogrzewanie i chłodzenie zapewniają wbudowane wymienniki ciepła pracujące bez oleju. Należy zauważyć, że silnik potrzebuje bardzo mało smarowania. Średnie ciśnienie w butli wynosi zwykle od 10 do 20 MPa. Dlatego wymagany jest tutaj doskonały system uszczelniający i możliwość przedostania się oleju do komór roboczych.

Charakterystyka porównawcza

Większość obecnie używanych silników tego typu wykorzystuje paliwa płynne. Ciągłe ciśnienie jest łatwe do kontrolowania, co pomaga zmniejszyć emisje. Brak zaworów zapewnia cichą pracę. Moc do masy jest porównywalna z silnikami z turbodoładowaniem, a stosunek mocy do masy jest równy jednostce wysokoprężnej. Prędkość i moment obrotowy są niezależne od siebie.

Koszt wyprodukowania silnika jest znacznie wyższy niż w przypadku silnika spalinowego. Ale podczas pracy uzyskuje się przeciwny wskaźnik.

Korzyści

Każdy model silnika Stirlinga ma wiele zalet:

• Wydajność w nowoczesnym designie może sięgać nawet siedemdziesięciu procent.
• Silnik nie ma układu zapłonowego wysokiego napięcia, wałka rozrządu ani zaworów. Nie trzeba jej regulować przez cały okres użytkowania.
• W Stirlings nie ma takiej eksplozji jak w silniku spalinowym, która mocno obciąża wał korbowy, łożyska i korbowody.
• Nie mają takiego efektu, gdy mówią, że „zgasł silnik”.
• Ze względu na prostotę urządzenia może służyć przez długi czas.
• Może pracować zarówno na drewnie, jak i na paliwie jądrowym i każdym innym rodzaju paliwa.
• Spalanie odbywa się poza silnikiem.

niedogodności

Podanie

Obecnie silnik Stirlinga z generatorem jest używany w wielu obszarach. Jest wszechstronnym źródłem energii elektrycznej w lodówkach, pompach, łodziach podwodnych i elektrowniach słonecznych. To właśnie dzięki zastosowaniu różnego rodzaju paliw możliwe jest jego szerokie zastosowanie.

Odrodzenie

Dzięki firmie Philips te silniki zostały ponownie opracowane. W połowie XX wieku General Motors zawarł z nią umowę. Prowadziła prace nad zastosowaniem Stirlingsa w kosmosie i urządzeniach podwodnych, na statkach i samochodach. Podążając za nimi, ich rozwojem, w tym możliwym wykorzystaniem w

Obecnie silnik liniowy Stirlinga jest stosowany w instalacjach pojazdów podwodnych, kosmicznych i słonecznych. Duże zainteresowanie nim wiąże się z aktualnością kwestii degradacji środowiska, a także walki z hałasem. W Kanadzie i USA, Niemczech i Francji, a także w Japonii trwają aktywne poszukiwania rozwoju i doskonalenia jego wykorzystania.

Przyszłość

Wyraźne zalety tłoka i Stirlinga, polegające na dużej żywotności, zastosowaniu różnych paliw, bezgłośności i niskiej toksyczności, sprawiają, że jest on bardzo obiecujący na tle silnika spalinowego. Jednak biorąc pod uwagę, że silnik spalinowy był przez cały czas ulepszany, nie można go łatwo przemieścić. Tak czy inaczej, to właśnie taki silnik zajmuje dziś wiodącą pozycję i nie zamierza oddawać go w najbliższej przyszłości.

Wymieńmy główne cechy silnika:

1. W silniku Stirlinga energia cieplna jest zamieniana na energię mechaniczną poprzez sprężanie stałej ilości płynu roboczego w niskiej temperaturze, a następnie (po okresie grzewczym) jego rozszerzanie w wysokiej temperaturze. Ponieważ praca wydatkowana przez tłok na sprężanie czynnika roboczego jest mniejsza niż praca, jaką wykonuje tłok podczas rozprężania czynnika roboczego, silnik wytwarza użyteczną energię mechaniczną.

2. W zasadzie w przypadku regeneracji konieczne jest jedynie doprowadzenie ciepła, aby nie dopuścić do ochłodzenia się płynu roboczego podczas jego rozprężania i odprowadzenia ciepła wydzielanego podczas jego sprężania.

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

4. Zmiany objętości w tych dwóch wnękach nie powinny być w fazie, a wynikające z tego cykliczne zmiany objętości całkowitej z kolei nie powinny być zgodne 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 zwizualizować, jak ta prosta zasada jest realizowana w praktyce, rozważmy najpierw elementarny układ tłok-cylinder, w którym płyn roboczy jest izolowany od środowiska zewnętrznego sztywnym tłokiem połączonym mechanicznie z korbą (rys. 1.4).

Wraz z doprowadzeniem ciepła do głowicy cylindra ciśnienie płynu roboczego wzrasta, a tłok zaczyna przesuwać się w prawo pod wpływem rozprężającego się płynu roboczego (rys. 1.5).

Kiedy płyn roboczy rozszerza się, ciśnienie w cylindrze spada. Aby skompensować chłodzenie płynu roboczego podczas jego rozszerzania, dopływ ciepła jest kontynuowany, dzięki czemu proces

Płynie w stałej temperaturze. Gdy tłok osiągnie skrajne prawe położenie (dolny martwy punkt), dopływ ciepła zostaje zatrzymany i rozpoczyna się chłodzenie głowicy cylindra za pomocą jakiegoś zewnętrznego źródła (rys. 1.6).

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

Postać: 1.8. Zakończenie cyklu pracy.

W tym przypadku chłodzenie kontynuuje kompensację nagrzewania podczas sprężania, tak że kompresja również przebiega w stałej temperaturze (rys. 1.7).

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

Sekwencję tę można zobrazować na diagramach stanów termodynamicznych (rys. 1.9).

Ponieważ proces rozprężania z nagrzewaniem przebiega przy wyższym średnim ciśnieniu niż sprężanie z chłodzeniem, silnik wykonuje pożyteczną pracę, jednak ten sposób dostarczania i odprowadzania ciepła jest uciążliwy i niepraktyczny, gdyż pojemność cieplna materiałów, z których wykonana jest głowica cylindrów jest zbyt duża, aby osiągnąć wymagane
gwałtowne 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 przedstawiona.

Tom I

Powstaje 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 nie byłoby możliwe zastosowanie układu tłok-cylinder wspomnianego w opisie cyklu pracy, gdyż płyn roboczy jednocześnie odbierałby i oddawał ciepło w naprzemiennych fazach procesu. Robert Sterling pokonał tę trudność, wprowadzając tłok wyporowy lub element wypierający, umieszczony szeregowo z oryginalnym tłokiem, który otrzymał

Teraz nazwa brzmi „tłok roboczy”. Tłok wyporowy służy do przemieszczania płynu roboczego pomiędzy lokalnie zlokalizowanymi 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 działanie tłoka wyporowego pokazano bez odniesienia do tłoka roboczego.

Kiedy element wypierający przesuwa się w górę w kierunku gorącego końca cylindra, ogrzany płyn roboczy wpływa do zimnej wnęki przez pierścieniową szczelinę na bocznych ścianach wyporu
tłok. W takim przypadku ciśnienie płynu roboczego spada z powodu chłodzenia. W cylindrze nie ma zaworów, więc jeśli nie weźmie się pod uwagę niewielkiego, prawie pomijalnego spadku ciśnienia w szczelinie pierścieniowej wokół tłoka wyporowego, ciśnienie we wszystkich obszarach cylindra będzie takie samo. Podczas przemieszczania się do dolnego martwego punktu tłok wyporowy zmusza płyn roboczy do przejścia przez zimną wnękę i pierścieniową szczelinę wokół bocznej powierzchni tłoka do gorącej wnęki w celu podgrzania. Ponieważ o godz

Kiedy tłok wyporowy porusza się, ciśnienie na obu końcach jest zawsze takie samo; na ten ruch nie jest wymagana żadna praca.

Ruch tłoka wyporowego i tłoka roboczego jest przesunięty 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 miałby znajdować się w gorącej wnęce, aw innej fazie cyklu - w zimnej, to oba tłoki nie mogą być w tej samej fazie. Uzyskanie takiego przesunięcia w fazie ruchu tłoka jest konieczne. mechanizm napędowy inny niż konwencjonalny. Przykład mechanizmu zastosowanego przez samego Stirlinga pokazano na ryc. 1.12.

Do uzyskania znanego dzisiaj silnika Stirlinga potrzebny jest jeszcze jeden element. Jest to regenerator lub „ekonomizer”, jak pierwotnie nazywał go Stirling. Gdy tłok wyporowy przesuwa rozszerzający 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. Po skompresowaniu cieczy roboczej przechodzi ona do gorącej wnęki przez zimną, dodatkowo chłodząc. W konsekwencji płyn roboczy wpływa do gorącej komory zimniej niż jest to wymagane, a do zimnej - cieplej.

Jeśli w szczelinie pierścieniowej wokół tłoka wyporowego zostanie zainstalowana stalowa siatka druciana, przez którą przepływa płyn roboczy, wówczas płyn roboczy przechodzący przez tę szczelinę z gorącej wnęki do zimnej będzie miał wyższą temperaturę niż siatka, a zatem wydziela ciepło ta siatka. W tym przypadku kratka działa jako chłodnica wstępna, zmniejszając obciążenie cieplne chłodnicy głównej. Po procesie sprężania płyn roboczy wpłynie do gorącej wnęki, nagrzewając się, gdy przechodzi przez siatkę, to znaczy ponownie odbierze ciepło przekazane wcześniej siatce. Regenerator działa teraz jako podgrzewacz wstępny, zmniejszając wymagany pobór energii. Całość opisanego systemu przedstawia rys. 1.13.

Chociaż obwód pokazany na ryc. 1.13 znajduje praktyczne zastosowanie w wielu silnikach, problem szybkiego przenoszenia energii pozostaje nierozwiązany, ponieważ nadal konieczne jest przezwyciężenie bezwładności cieplnej ścian cylindra. Gdy firma Philips zmodernizowała silnik Stirlinga, w nagrzewnicy i chłodnicy zastosowano rurowe wymienniki ciepła i chociaż wymagało to uszczelnienia tłoka wyporowego, główny cel został osiągnięty. Cały cykl roboczy można teraz opisać za pomocą rys. 1.14. Na rys. 1.14, łatwo rozróżnić składowe procesów cyklu roboczego przedstawione na wykresie ciśnienie-objętość (rys. 1.9, a).

Na rys. 1 14, a tłok roboczy znajduje się w skrajnie dolnym położeniu, element wypierający 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 znajduje się nadal w najwyższym położeniu,
tłok kończy ruch do góry, a proces ściskania kończy się (rys. 1.14.6). Tłok roboczy pozostaje w swoim górnym martwym punkcie, a tłok wyporowy zaczyna przesuwać się w dół, przemieszczając płyn roboczy do układu chłodziarko-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 jest przekazywane do płynu roboczego z regeneratora. Punkt 3 odpowiada pobytowi całej cieczy roboczej w gorącej wnęce o temp

To nadal pozostawia tłok roboczy w 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 do osiągnięcia najniższego położenia. W procesie między punktami 3 i 4 praca jest pozytywna. Punkt 4 odpowiada pobytowi obu tłoków w ich dolnych martwych punktach. Tłok roboczy nadal pozostaje w tym położeniu, a tłok wyporowy porusza się do góry, wypierając rozprężony płyn roboczy przez układ grzejnik - regenerator - lodówka do zimnej komory. W takim przypadku płyn roboczy oddaje resztę swojego ciepła regeneratorowi. W procesie 4-1 objętość pozostaje niezmieniona, a ciśnienie spada. Tak przebiega cykl Stirlinga w formie przedstawionej na dwóch diagramach stanów (ryc. 1.15).

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

Przerywany ruch tłoków jest konieczny, aby zapewnić przepływ takiego cyklu, jak opisano powyżej. Wniosek ten można jasno zilustrować wykresem ruchów tłoka (rys. 1.16).

Postać: 1.15. Diagramy stanów termodynamicznych idealnego cyklu Stirlinga.

Gorąca jama rozprężna jest definiowana przez zmienną objętość VE między głowicą cylindra a górnym końcem tłoka wyporowego. Powstaje wyłącznie w wyniku ruchu tłoka wyporowego. Wnęka sprężania na zimno jest określona przez zmienną objętość Vc między dolnym końcem tłoka wyporowego i górnym końcem tłoka roboczego. Objętość grzejnika, lodówki, regeneratora i sąsiednich rur jest objętością niedziałającą i nazywana jest objętością martwej przestrzeni (martwa objętość) Vre. Każda martwa objętość zmniejsza moc generowaną przez silnik i musi być ograniczona do minimum, na jakie zezwala konstrukcja silnika. Jednak w pewnych warunkach zwiększenie martwej objętości może zwiększyć sprawność silnika.

Teraz należałoby rozważyć problemy termodynamiki, dynamiki gazu i wymiany ciepła, które należy rozwiązać, aby zaimplementować zasadę Stirlinga. Również nie podbity
trudności związane z dużą złożonością mechanizmu napędowego i koniecznością zapewnienia dostatecznego wyważenia silnika.

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

Im więcej ruchomych części w mechanizmie napędowym, tym z reguły mniejsza jest sprawność mechaniczna; w tym przypadku zalety wynikające z odtworzenia prawa zmienności objętości bliskiej ideału można zrównoważyć niską ogólną sprawnością silnika. Ponadto duża liczba części powoduje wzrost kosztów produkcji mechanizmu napędowego, całkowity koszt jednostkowy i koszty operacyjne oraz zmniejszoną niezawodność w porównaniu z mechanizmami napędowymi do konwencjonalnych silników spalinowych. Przestrzeń, w której powinien „zmieścić się” silnik Stirlinga, również może być czynnikiem decydującym, a to da projektantowi wybór tego, co preferuje: nieporęczny mechanizm napędowy, który zapewnia prawie idealne prawo zmiany głośności lub bardziej zwarty mechanizm, ale odtwarza prawo zmiany głośności przy mniejszym precyzja.

Czynniki dynamiczne, które należy wziąć pod uwagę podczas projektowania można podzielić na dwie grupy: związane z obciążeniem dynamicznym oraz związane z wyważaniem dynamicznym 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., Jednakże wymagania te wyrażone są ilościowo parametrami bezwymiarowymi i dlatego nie określają żadnych rzeczywistych wymiarów. Wymiarowanie tych elementów opiera się na późniejszych obliczeniach dynamicznych, w tym określeniu obciążeń łożyska, momentu zginającego na korbowodzie itp. Silnik Stirlinga ze względu na zastosowany w nim zamknięty cykl ze swej natury
de jest bezgłośna, a jeśli zapewni bezwibracyjny (a zatem dynamicznie wyważony) mechanizm napędowy, to potencjał jego praktycznego zastosowania znacznie się rozszerzy. Kilka mechanizmów napędowych zaprojektowanych dla silników Stirlinga spełnia te wymagania.

Wreszcie, w silnikach Stirlinga o dużej pojemności skokowej pojawia się problem uszczelek, które oddzielają cylindry silnika od skrzyni korbowej i izolują skrzynię korbową przed nadmiernym ciśnieniem. Dlatego wymieniliśmy główne czynniki wpływające na wybór mechanizmu napędowego silnika Stirlinga.

W silnikach Stirlinga najczęściej stosowane są: krzywy - mechanizm wyważający kolce, napęd rombowy, skośna podkładka i mechanizm korbowy.

Pierwszym w silniku Stirlinga był mechanizm napędowy z zakrzywionym kolcem-balapsirp (rys. 1.17), w którym pręt równoważący jest przegubowy za pomocą dwóch dźwigni z tłokami roboczymi i przesuwowymi, a tłok roboczy jest napędzany 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 w celu uniknięcia nadciśnienia w skrzyni korbowej. Problem ten rozwiązuje zainstalowanie 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 głównymi wadami są złożoność mechanizmu, ponieważ składa się on z dużej liczby ruchomych części, powierzchni trących itp. Oraz obecności dwóch kół zębatych sprzęgniętych w mechanizmie.

Podkładka skośna (rys. 1.19) stosowana jest głównie w silnikach przeznaczonych do montażu w samochodach, gdzie decydującym czynnikiem jest zwartość zespołu napędowego. Taki mechanizm jest dynamicznie wyważany pod pewnym kątem nachylenia podkładki. Ułatwia również izolację cylindrów od skrzyni korbowej. Jednak w przypadku montażu silnika w samochodzie problem niezawodności uszczelek pojawia się w warunkach szybkiej zmiany dużej liczby cykli. Skośna podkładka pozwala również na sterowanie mocą silnika poprzez zmianę kąta nachylenia podkładki, co z kolei prowadzi do zmiany skoku tłoków silnika. W tym przypadku silnik jest dynamicznie wyważany tylko przy jednej wartości kąta podkładki.

Mechanizm korbowy (rys. 1.20) jest stosowany w silnikach spalinowych od wielu lat. Jest niezwykle niezawodny i ma duże doświadczenie w jego eksploatacji. Mechanizm ten jest szeroko stosowany w silnikach Stirlinga dwustronnego działania z wodzikiem i bez. Zaletami mechanizmu jest niezawodność i łatwość wykonania, jednak dynamiczne wyważanie silnika z takim mechanizmem napędowym jest praktycznie nieosiągalne.

Mechanizm korbowy, jak widzieliśmy, nie jest prostym rozwiązaniem problemu z napędem, gdy tłoki robocze i przemieszczeniowe są umieszczone sekwencyjnie w jednym cylindrze. Jednak taki mechanizm jest szeroko rozpowszechniony

Używany w modyfikacji układu silnika Stirlinga z dwoma cylindrami. Początkowo w tej modyfikacji zastosowano tłoki robocze i wyporowe, umieszczone w dwóch cylindrach połączonych krótką rurą (ryc. 1.21).

W XIX wieku. taki silnik zbudowali Henrich i Robinson. W literaturze dotyczącej silników Stirlinga, począwszy od (\u003e 0s naszego wieku i później, ten wariant jest często określany jako konfiguracja gamma).

Ryder zaproponował silniki dwucylindrowe, co doprowadziło do znacznego wzrostu gęstości mocy w porównaniu z innymi modyfikacjami silników Stirlinga powstałymi w tym czasie. Od tego czasu silniki dwucylindrowe zyskały powszechną akceptację. W modyfikacji Rydera zastosowano dwa tłoki całkowicie uszczelnione w cylindrach zamiast układu tłokowo-wypierającego. Wymienniki ciepła typu „grzałka - regenerator - chłodziarka” zabudowane są pomiędzy dwoma cylindrami tworząc kanał łączący (rys. 1.22).

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

Wszystkie wymienione powyżej silniki są silnikami jednostronnego działania z zasady ich ogólnej zasady działania. Należy podkreślić, że nazwa ta odnosi się do silnika, a nie do tłoka, bo mimo to
Tłok wyporowy może wytwarzać podwójne działanie, którego górna i dolna powierzchnia kontrolują ruch gazu, podczas gdy silnik jako całość można nadal zdefiniować jako silnik jednostronnego działania. Pojęcia „silnik

Jednostronnego działania "" i "silnika dwustronnego działania" w odniesieniu do silników Stirlinga używa się do scharakteryzowania silnika jako całości. Na przykład, jak pokazano poniżej, nie

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

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

Końcówka innego tłoka w sąsiednich cylindrach. Płyn roboczy krąży między tymi dwoma cylindrami. Nie przechodzi przez cały system - od pierwszego do czwartego cylindra. W ten sposób tłok w każdym cylindrze służy zarówno jako tłok roboczy, jak i tłok wyporowy i jednocześnie

Każdy tłok jest jednocześnie zaangażowany w dwa cykle robocze. Dlatego w układzie czterocylindrowym (ryc. 1.24) występują jednocześnie cztery oddzielne cykle:

Ten typ silnika Stirlinga został pierwotnie zaproponowany przez angielskiego inżyniera Siemensa i niezależnie przez holenderskich inżynierów Reeny i Van Veen podczas ich kadencji w firmie Philips, gdzie został ulepszony. Silnik dwustronnego działania jest szczególnie wydajny w mechanicznych urządzeniach generujących moc ■ ze względu na wysoki stosunek mocy do masy, wynikający z pełnego skoku tłoka na każdy obrót wału korbowego w każdym cylindrze.

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

1) napełnianie płynem roboczym dwóch wnęk o zmiennej objętości i wypieranie płynu roboczego z tych wnęk;

2) przeniesienie siły na wał wyjściowy.

Silniki Stirlinga dwustronnego działania nieuchronnie muszą być wielocylindrowe, ponieważ do uzyskania przesuniętych fazowo procesów rozprężania i kompresji (potrzebę takiego przesunięcia zauważono wcześniej) wymagane są co najmniej trzy tłoki. W praktyce jednak zwykle stosuje się co najmniej cztery tłoki, połączone z jednym wałem korbowym, a sąsiednie tłoki działają razem w parze, co daje podwójne działanie. Mechanizmy napędu silnikowego dwustronnego działania muszą. pełnić powyższe dwie funkcje. Najbardziej odpowiedni wydaje się do tego konwencjonalny wielożyłowy wał korbowy silnika rzędowego.

Postać: 1.26. Konfiguracja współosiowa] RIS "L25) - Ten typ mechanizmu to specjalny silnik dwustronnego działania, szczególnie odpowiedni do dużych układów napędowych.

Najlepszą zwartość zapewnia ustawienie cylindrów w kwadracie tzw. Układ współosiowy (rys. 1.26), który pozwala nie tylko na zastosowanie wspólnego układu spalania, ale także na zastosowanie różnego rodzaju mechanizmów napędowych. Większość typów mechanizmów napędowych odpowiednich dla takich silników to modyfikacje mechanizmu korbowodu krzywo-kolec, jednak firmy „Philips”, „General Motors” i „Ford” włożyły znaczny wysiłek w udoskonalenie mechanizmu za pomocą skośnej podkładki. Optymalna konstrukcja tego typu napędu zapewnia sprawność mechaniczną. powyżej 90%.

Konfiguracje silnika Stirlinga w połączeniu z różnymi mechanizmami napędowymi pokazano na rys. 1.27. Oczywiście powodem wyboru tego 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 ze sobą sztywno połączone za pomocą różnych łączników kinematycznych, a te z kolei są sztywno połączone z wałem wyjściowym, który służy do przenoszenia energii mechanicznej z silnika. Silnik Stirlinga może działać bez mechaniki
. ui cześć między tłokami. W tym przypadku pracownik i przemieszczający są iii. III nazywane są tłokami swobodnymi. Ta koncepcja Tsii może być stosowany nie tylko w silnikach Starinna, ale tylko w odniesieniu do takich silników, jego p. chop. pomyślnie wdrożyć. Po raz pierwszy urzeczywistnił to w rzeczywistości

Ja jestem. 1.38. Opcje silników płynowych z różnymi metodami transferu energii.

Ra. szok ciśnieniowy; b wahadłowy pręt; c - strumień odrzutowy; 1 - gorąca ciotka; 2 - zimna wnęka; 3-zawiasowy; 4- przywracanie sprężyny.

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

Silnik strumieniowy Fluidine, jak również silnik II i silnik różnicowy, mają integralną zimną komorę. Rury zimna i wylotowe łączą się z rurą gorącą u podstawy. To połączenie zapewnia efekt strumienia.
Menisk w gorącej części wnękowej cieczy jest kierowany w kierunku zimnej wnęki, co zmusza kolumnę cieczy w zimnej rurze do ruchu do góry, a podczas suwu powrotnego ciecz wpływająca do gorącej rury wymusza przepływ z zimnej rury do przemieszczania się w wyporniku z przyspieszeniem. Pozwala to osiągnąć zarówno styl górny, jak i dolny.

Postać: 1.39. Kolejne etapy „samorozruchu” silnika „Fluidine”.

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

Efekt reaktywny, trui. Jednak rzeczywiste procesy zachodzące w tym połączeniu hydraulicznym nie zostały jeszcze dostatecznie zbadane. Mimo to wersja odrzutowa jest najczęściej spotykana wśród silników Fluidine. Cykl pracy silnika odrzutowego zostanie omówiony poniżej.

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

Sekwencję procesów podczas samostartu przedstawiono na rys. 1.39. Poziomy płynów w pozycji przed uruchomieniem hu godz2 i godz3 są określane przez wartości ciśnienia statycznego w rurach. Jeśli ciśnienie w komorach roboczych przekroczy
Jeśli głośność jest równa tej atmosferycznej, to wszystkie poziomy są takie same (zwróć uwagę, że poziomy hi i h2 w tym momencie są zawsze takie same). Gdy energia cieplna jest dostarczana do prawej rury 1, temperatura płynu roboczego wzrasta i rozszerza się. Wzrasta również ciśnienie w komorach roboczych, w związku z czym poziom cieczy w rurach ciepłej i zimnej również zaczyna spadać. Jednocześnie wzrasta poziom cieczy w rurze wylotowej. Należy zauważyć, że wszystkie zmiany poziomu cieczy są bardzo małe. Rozszerzanie pierwotne prowadzi do samoczynne uruchomienie urządzenia dopiero po osiągnięciu krytycznego wahania parametru Tss , w zależności od podstawowych wartości parametrów określających warunki pracy silnika:

Formuła ta opiera się na analizie zjawiska omówionego szczegółowo w rozdz. 1.6. Dla większości silników „Flui - 1ain” Tss ~ 0.1.

Pod koniec pierwotnej fazy rozprężania poziom cieczy w rurze wylotowej nadal rośnie z powodu bezwładności poruszającej się cieczy. Poziom cieczy po stronie gorącej 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. Stan ten, polegający na sekwencji faz wymieniających się wzajemnie podczas uruchamiania silnika, nazywany jest „pierwotnym przeregulowaniem”.

Gdy tylko grawitacja zatrzymuje ruch cieczy w rurze wylotowej do góry, stabilizuje się również poziom cieczy po stronie gorącej; jednocześnie występuje tendencja do wyrównywania poziomów cieczy po stronie ciepłej i zimnej. W konsekwencji poziom cieczy w gorącej rurze podnosi się, a na wylocie maleje. Jednocześnie objętość ogrzanego gazu i jego ciśnienie w komorze roboczej zmniejsza się z powodu spadku temperatury w tej wnęce, spowodowanego wzrostem poziomu cieczy w gorącej rurze i odpowiednim spadkiem ilości ogrzewanego gazu roboczego. Procesy te są ułatwione poprzez ciągły ruch w dół poziomu cieczy w rurze wylotowej, co powoduje znaczny wzrost dynamiki w przyłączu hydraulicznym oraz dodatkowy wzrost poziomu w rurze po stronie gorącej. Łącznie te procesy powodują, że poziom cieczy w rurze po stronie gorącej podnosi się do poziomu wyższego niż w pozostałych dwóch rurach. Ten stan nazywa się wtórnym przeregulowaniem. Prowadzi to do dalszego wzrostu potencjału grawitacyjnego pomiędzy łąkotkami.

W tym momencie układ znajduje się w stanie równowagi niestabilnej, a poziomy cieczy zaczynają zbliżać się do stanu równowagi stabilnej. Poziom cieczy po stronie gorącej jest obniżony, co pozwala większej ilości płynu roboczego na pobranie energii ze źródła energii. Ciało robocze rozszerza się i proces zaczyna się od nowa,

Jednak oscylacje stają się teraz samowzbudne i stabilne.

Opisany powyżej cykl roboczy ma taką samą podstawę fizyczną jak cykl dla systemu podwójnej rury w kształcie litery U.

Fluidine może działać zarówno w trybie mokrym, jak i suchym. W pierwszym przypadku dochodzi do kontaktu wypartej cieczy z cieczą roboczą. W drugim przypadku powierzchnie cieczy i gazu roboczego są oddzielone warstwą gazu obojętnego lub mechanicznym pływakiem. Energia zawarta w Fluidinie 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 - otwartą pompę Humphreya.) Efekt pompowania osiąga się na dwa główne sposoby, znane jako wtrysk bezpośredni i pośredni. 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 odprowadzania uzyskuje się za pomocą oddzielnego kanału podłączonego do zimnej wnęki (rys. 1.40, 1.41) ...

W przypadku wtrysku pośredniego trudno jest przeprowadzić „samo-tanycK” i wymagane są specjalne dodatkowe urządzenia, jak np. Linia spustowa zbudowana równolegle z wylotem zgrubnym i pełniąca rolę pierwotnego urządzenia wtryskowego.

Należy również zaznaczyć, że nie jest możliwe zainstalowanie regeneratorów z uszczelnieniami w „mokrym” „Fluidinie”, gdyż nie są one zbyt skuteczne w atmosferze powstającej mgły

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

15 silników Stirlinga omówionych powyżej wykorzystywało gazowy płyn roboczy; nawet w „mokrej” „Fluidinie” płyn roboczy jest w przeważającej większości przypadków w stanie gazowym. Obecnie wysuwane są propozycje wykorzystania płynów roboczych o zmiennym stanie fazowym, np. Stosowanych w silnikach parowych i turbinach parowych, ale brak jest informacji, że takie urządzenia działają pomyślnie lub przynajmniej zostały opracowane. W latach 30. angielski inżynier Malone zbudował tłok posuwisto-zwrotny z zamkniętym niklem, 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 tej dziedzinie pod kierunkiem prof. Wheatley na Uniwersytecie Kalifornijskim (San Diego, USA) doprowadziło do wniosku, że najprawdopodobniej silnik Malone pracuje w cyklu podobnym do silnika Stirlinga, ale ma znaczące różnice. Jednocześnie silnik Malone, po drobnej modyfikacji, może dokładnie dorównać silnikowi Stirlinga. Niemniej jednak, wiele pytań pozostaje niejasnych co do zasad działania silnika Malone, nawet w jego pierwotnej formie, dlatego uważamy za przedwczesne, aby próbować opisać jego cykl pracy.

Opisaliśmy już cykle pracy różnych form silnika Stirlinga, który przekształca energię cieplną w energię mechaniczną. Wszystkie te silniki mają te same podstawowe zasady działania, jednak istnieją pewne różnice konstrukcyjne, zwłaszcza jeśli chodzi o sposoby wykorzystania wytworzonej energii. Schematyczne diagramy i szczegółowe opisy, choć bardzo przydatne w ułatwianiu zrozumienia podstawowych zasad, na których oparte są te silniki, nie zawsze ułatwiają ustalenie, czy dane urządzenie jest silnikiem Stirlinga. Następna sekcja zawiera zdjęcia i opisy już zbudowanych silników Stirlinga różnych typów, które wyeliminują te trudności.

Współczesny przemysł motoryzacyjny osiągnął taki poziom, że radykalnej modernizacji konstrukcji silników spalinowych nie da się osiągnąć bez poważnych badań. Przyczyniło się to do tego, że projektanci zaczęli zwracać uwagę na alternatywne konstrukcje elektrowni, takie jak silnik Stirlinga.

Niektórzy producenci samochodów skupili się na rozwoju i przygotowaniu do produkcji pojazdów elektrycznych i hybrydowych, podczas gdy inne centra inżynieryjne wydają pieniądze na projektowanie silników na paliwa alternatywne wytwarzane ze źródeł odnawialnych. Istnieje wiele innych konstrukcji silników, które mogą stać się w przyszłości nowym silnikiem dla różnych pojazdów.

Takim możliwym źródłem energii dla ruchu mechanicznego w transporcie drogowym przyszłości może być silnik spalinowy, wynaleziony w XIX wieku przez naukowca Stirlinga.

Urządzenie i zasada działania

Silnik Stirlinga przetwarza energię cieplną otrzymaną z zewnętrznego źródła na ruch mechaniczny w wyniku zmiany temperatury płynu krążącego w zamkniętej objętości.

W pierwszych dniach po wynalazku taki silnik istniał w postaci maszyny działającej na zasadzie rozszerzalności cieplnej.

W cylindrze silnika cieplnego powietrze zostało podgrzane przed rozprężeniem i schłodzone przed sprężeniem. W górnej części cylindra 1 znajduje się płaszcz wodny 3, spód cylindra jest stale ogrzewany ogniem. Cylinder zawiera roboczy tłok 4 z O-ringami. Między tłokiem a dnem cylindra znajduje się element wypierający 2, poruszający się w cylindrze ze znacznym luzem.

Powietrze w cylindrze jest pompowane przez element wypierający 2 do dna tłoka lub cylindra. Element wypierający porusza się pod działaniem tłoczyska 5 przechodzącego przez uszczelnienie tłoka. Z kolei tłoczysko jest napędzane przez urządzenie mimośrodowe obracające się z 90-stopniowym opóźnieniem względem napędu tłoka.

W położeniu „a” tłok znajduje się w najniższym punkcie, a powietrze między tłokiem a wypornikiem jest chłodzone przez ścianki cylindra.

W następnej pozycji „b” wypieracz przesuwa się do góry, a tłok pozostaje na miejscu. Powietrze między nimi jest wypychane na dno cylindra, schładzając się.

Pozycja „w” - praca. W nim powietrze jest podgrzewane przez dno cylindra, rozszerza się i podnosi dwa tłoki do górnego martwego punktu. Po wykonaniu skoku roboczego wypornik opada na dno cylindra, wpychając powietrze pod tłok i chłodząc.

W pozycji „g” schłodzone powietrze jest gotowe do sprężenia, a tłok porusza się od góry do dołu. Ponieważ praca polegająca na sprężaniu schłodzonego powietrza jest mniejsza niż praca nad rozprężaniem ogrzanego powietrza, powstaje praca użyteczna. Koło zamachowe służy jako rodzaj akumulatora energii.

W rozważanej wersji silnik Stirlinga ma niską sprawność, ponieważ ciepło powietrza po suwie roboczym musi być odprowadzane przez ściany cylindra do płynu chłodzącego. Powietrze za jednym pociągnięciem nie miało czasu na obniżenie temperatury o wymaganą ilość, dlatego konieczne było wydłużenie czasu chłodzenia. Z tego powodu prędkość silnika była niska. Sprawność cieplna była również znikoma. Ciepło powietrza wywiewanego przedostało się do wody chłodzącej i zostało utracone.

Różne projekty

Istnieją różne opcje urządzenia jednostek napędowych działających na zasadzie Stirlinga.

Konstrukcja Alpha

Ten silnik zawiera dwa oddzielne tłoki robocze. Każdy tłok znajduje się w oddzielnym cylindrze. Zimny \u200b\u200bcylinder znajduje się w wymienniku ciepła, a gorący się nagrzewa.

Projekt beta

Cylinder z tłokiem jest chłodzony z jednej strony i podgrzewany z drugiej strony. W cylindrze poruszają się tłok mocy i wypieracz, co służy zmniejszaniu i zwiększaniu objętości gazu roboczego. Regenerator wykonuje ruch wsteczny schłodzonego gazu do ogrzewanej przestrzeni silnika.

Projekt gamma

Cały system składa się z dwóch cylindrów. Pierwszy cylinder jest cały zimny. Porusza się w nim tłok roboczy, drugi cylinder jest ogrzewany z jednej strony i zimny z drugiej i jest przeznaczony do poruszania wypornikiem. Regenerator do pompowania schłodzonego gazu może być współużytkowany między dwoma cylindrami lub może być umieszczony w urządzeniu wypierającym.

Korzyści

• Podobnie jak wiele silników o spalaniu zewnętrznym, silnik Stirlinga może pracować na różnych paliwach, ponieważ ważna jest dla niego obecność różnicy temperatur. Nie ma znaczenia, jakim paliwem jest to spowodowane.
• Silnik ma proste urządzenie i nie potrzebuje pomocniczych układów i przystawek (skrzynia biegów, pasek rozrządu, rozrusznik itp.).
• Cechy konstrukcyjne zapewniają długotrwałą eksploatację: ponad 100 tysięcy godzin ciągłej pracy.
• Praca silnika Stirlinga nie powoduje dużego hałasu, ponieważ nie ma detonacji paliwa w silniku i nie ma wydzielania spalin.
• Wersja Beta, wyposażona w mechanizm korbowy w kształcie rombu, jest najbardziej wyważonym mechanizmem, który nie generuje wibracji podczas pracy.

• W cylindrach silnika nie zachodzą procesy, które mają szkodliwy wpływ na środowisko naturalne. Wybierając optymalne źródło ciepła, silnik Stirlinga może stać się urządzeniem przyjaznym dla środowiska.

niedogodności

• Przy znacznych pozytywnych cechach szybka seryjna produkcja silników Stirlinga jest z jakiegoś powodu nierealna. Głównym problemem jest materiałochłonność urządzenia. Do schłodzenia płynu roboczego potrzebna jest duża chłodnica, co znacznie zwiększa gabaryty i wagę sprzętu.
• Obecny poziom technologii umożliwia silnikowi Stirlinga konkurowanie właściwościami z nowymi silnikami benzynowymi dzięki zastosowaniu złożonych rodzajów płynu roboczego (wodór lub hel) pod bardzo wysokim ciśnieniem. To znacznie zwiększa ryzyko korzystania z takich silników.
• Poważny problem eksploatacyjny wiąże się z problemami odporności na temperaturę stopów stali i ich przewodności cieplnej. Ciepło jest dostarczane do obszaru roboczego za pomocą wymienników ciepła. Prowadzi to do znacznych strat ciepła. Ponadto wymiennik ciepła musi być wykonany ze stopów żaroodpornych, które muszą być również odporne na podwyższone ciśnienie. Materiały spełniające te warunki są bardzo trudne w obróbce i mają wysoki koszt.
• Zasady przejścia silnika Stirlinga na inne tryby pracy również różnią się znacznie od zwykłych zasad. Wymaga to stworzenia specjalnych urządzeń sterujących. Na przykład, aby zmienić moc, należy zmienić kąt fazowy między tłokiem mocy a wypornikiem, ciśnienie w cylindrach lub zmienić pojemność objętości roboczej.

Silnik Stirlinga i jego zastosowanie

Jeśli konieczne jest stworzenie konwertera ciepła o kompaktowych wymiarach, można w pełni wykorzystać silnik Stirlinga. Jednocześnie wydajność innych podobnych silników jest znacznie niższa.

• Uniwersalne źródła Elektryczność. Silniki Stirlinga mogą zamieniać ciepło na energię elektryczną. Istnieją projekty instalacji słonecznych wykorzystujących takie silniki. Są wykorzystywane jako autonomiczne elektrownie dla turystów. Niektórzy producenci produkują generatory zasilane palnikiem gazowym. Istnieją również projekty generatorów, które działają z radioizotopowych źródeł ciepła.
• Lakierki ... Jeśli w obiegu grzewczym jest zainstalowana pompa, znacznie wzrasta efektywność ogrzewania. Pompy są również instalowane w układach chłodzenia. Pompa elektryczna może ulec uszkodzeniu i zużywa energię elektryczną. Pompa Stirlinga rozwiązuje ten problem. Silnik Stirlinga do pompowania cieczy będzie prostszy niż zwykły schemat, ponieważ zamiast tłoka można zastosować samą pompowaną ciecz, która służy również do chłodzenia.
• Sprzęt chłodniczy ... Wszystkie lodówki działają na zasadzie pompy ciepła. Niektórzy producenci lodówek planują zainstalować w swoich produktach silnik Stirlinga, który będzie bardzo ekonomiczny. Płynem roboczym będzie powietrze.
• Bardzo niskie temperatury. Silniki te są bardzo wydajne do skraplania gazów. Ich zastosowanie jest bardziej opłacalne niż urządzeń turbinowych. Ponadto silnik Stirlinga jest stosowany w urządzeniach do chłodzenia precyzyjnych czujników instrumentów.
• . Energię elektryczną można uzyskać, przekształcając energię słoneczną. W tym celu można zastosować silniki Stirlinga, które ustawiają ostrość lusterek, tak aby miejsce grzewcze było stale oświetlane promieniami słońca. Reflektor jest sterowany, gdy porusza się słońce, którego energia jest skoncentrowana na niewielkim obszarze. W tym przypadku odbicie promieniowania przez lustra wynosi około 92%. Najczęściej hel lub wodór służy jako płyn roboczy silnika.
• Akumulatory ciepła. Za pomocą urządzenia Stirlinga można rezerwować energię cieplną za pomocą akumulatorów ciepła na bazie stopionych soli. Takie urządzenia mają rezerwę energii przewyższającą chemiczne i są tańsze. Stosując regulację mocy w celu zwiększenia i zmniejszenia kąta fazowego między dwoma tłokami, można gromadzić energię mechaniczną, hamując silnik. W tym przypadku silnik służy jako pompa ciepła.
• Automobilowy. Pomimo trudności istnieją aktualne modele silników Stirlinga stosowanych w samochodach. Zainteresowanie takim silnikiem pasującym do samochodu sięga ubiegłego wieku. Rozwój w tym kierunku prowadzili brytyjscy i niemieccy producenci samochodów. W Szwecji opracowano również silnik Stirlinga, w którym zastosowano zunifikowane jednostki seryjne i zespoły. Rezultatem jest 4-cylindrowy silnik o osiągach porównywalnych z małym silnikiem wysokoprężnym. Silnik ten został pomyślnie przetestowany jako jednostka napędowa wielotonowej ciężarówki.

Obecnie badania instalacji Stirlinga dla instalacji podwodnych, kosmicznych i innych, a także projektowanie głównych silników prowadzone są w wielu innych krajach. To duże zainteresowanie silnikami Stirlinga wynika z publicznego zainteresowania walką z zanieczyszczeniem powietrza, hałasem i ochroną naturalnych źródeł energii.