Który silnik Stirlinga ma najlepszą konstrukcję i maksymalną wydajność? Elektrownie silnikowe Stirlinga – jeden ze sposobów na wykorzystanie ciekawej jednostki

Silnik Stirlinga to jednostka, która zamienia ciepło w energię mechaniczną. Może być podłączony do generatora i odbierać prąd. Lub do pompy, krótko mówiąc, do dowolnego odbiorcy energii mechanicznej. W przyszłości bardzo dobrze nadaje się do stacjonarnego zasilania autonomicznego. Czemu?

1. Może pracować na dowolnym paliwie. W tym na drewnie, trocinach itp. Stirling może to zrobić, pracując nad ciepłem słonecznym lub różnicą temperatur powietrza i wody (choć nie rozważam poważnie tej drugiej opcji, będzie o tym osobny punkt).

2. Cicha praca i duże zasoby motoryczne. Niskie zużycie oleju.

3. Łatwość konserwacji (szczególnie w porównaniu z najbliższym odpowiednikiem - silnikiem parowym).

4. Stosunkowo wysoka wydajność. Dużo wyższy niż silnik parowy, ale niższy niż silnik spalinowy. Aby uzyskać 1 kWh energii elektrycznej z dobrze wykonanego, potężnego amatora Stirlinga, zużyje się około 3-4 kg drewna opałowego. Możesz to porównać z kosztem tej samej energii otrzymanej z generatora gazu.

5. Chociaż sprawność jest niższa niż w przypadku silnika spalinowego, możliwe jest wykorzystanie ciepła odpadowego do podgrzewania wody. Zwiększa to sumaryczne korzyści, jakie daje dany silnik – okazuje się, że jest znacznie więcej niż w przypadku silnika spalinowego. Uczciwie trzeba powiedzieć, że takie zastosowanie jest również możliwe w silniku spalinowym, ale wymaga to dodatkowego wymiennika ciepła.

Dziś nie ma takich silników w produkcji seryjnej w przystępnej cenie. Postawiłem sobie za zadanie opracowanie takiego silnika, który byłby dostępny dla hobbystycznej produkcji.

O czym jest ta strona

Kilka mitów na temat silników Stirlinga

Sprawność silnika Stirlinga jest równa wydajności cyklu Carnota? To nie jest prawda. Wydajność cyklu Stirlinga jest równa wydajności cyklu Carnota. Ale cykl Stirlinga nie może być zrealizowany w maszynie tłokowej. Cykl zaimplementowany w silnikach Stirlinga różni się od cyklu Stirlinga. Ponadto są nieuniknione straty.

Potrzebujesz wodoru lub helu pod strasznym ciśnieniem? Nie, to nie jest potrzebne. Do silnika, który ma taką samą wagę i wymiary jak ., potrzebny jest wodór lub hel pod wysokim ciśnieniem samochód lód... Jeśli zmniejszysz wymagania dotyczące masy i wymiarów, możesz zmniejszyć ciśnienie i użyć innych ciał roboczych. Znane są przypadki użycia powietrza, argonu, dwutlenku węgla, słyszałem nawet o propanie, choć jest to wątpliwe.

Czy ruchome części i uszczelki są narażone na działanie wysokich temperatur? Na działanie wysokiej temperatury narażona jest tylko jedna ruchoma część – górna część „gorącego” tłoka. Pierścienie tłokowe są umieszczone w zimnej i chłodzonej wnęce. Dlatego warunki pracy uszczelnień w silniku Stirlinga są znacznie łatwiejsze niż w silniku spalinowym. Tu jednak pojawia się problem odprowadzania ciepła z „gorącego” tłoka, o którym nigdzie nie czytałem, co nadal nie jest dla mnie do końca jasne. W każdym razie wiadomo, że pieczęcie do Stirlingów były wykonane z fluoroplastu i takie pieczęcie się pokazały dobry zasób... Mogą również działać zwykłe uszczelnienia, z żeliwnymi pierścieniami tłokowymi i smarowaniem olejowym.

Czy smarowanie stwarza nie do pokonania trudności? Nie. Potrzebny jest tylko wybór oleju. Phillips wyprodukował małe serie silników smarowanych olejem z serii 102C. Ponieważ olej i powietrze mogą tworzyć mieszaniny wybuchowe, to wciąż nakłada pewne ograniczenia na ciśnienie osiągane wewnątrz maszyny - o ile wiem, boją się podnieść je o więcej niż 6 atmosfer. W historii Phillips był przypadek, kiedy duży silnik Stirling eksplodował w powietrzu i zabił człowieka. Jeśli jednak w środku nie ma powietrza, ale gaz, który nie wspomaga spalania, na przykład azot, to olej nie powinien sprawiać wrażenia wybuchu (lepiej sprawdzić u chemików). Próbuje się stosować do uszczelnień tłoków różne inne materiały - fluoroplastik, materiały zwane "Roll", "Viton", grafit, grafit i kompozycje szklane. Jednocześnie skrzynia korbowa jest osuszana. Wydaje się, że to wszystko może działać przez długi czas, przynajmniej kilka tysięcy godzin. Omówiono również smarowanie wodą i nawet maszynę z takim smarem wykonano, ale brak jest danych o wynikach jej testów.

Wydajne silniki wynaleziono dopiero w XX wieku? Nie. Bracia Stirling stworzyli również silnik o mocy 42 KM. i wydajności około 18%, którzy pracowali w kuźni (można przyjąć, że codziennie przez wiele godzin) przez około 3 lata. W tamtych czasach nie było dobrych stali, nie było termodynamiki, tylko doświadczenie i intuicja. Pod koniec XIX wieku seryjnie produkowano silniki o małej mocy (do 1 KM), które nie różniły się wysoką sprawnością, ale pracowały bardzo cicho, były bardzo niezawodne, trwałe, mało wymagające paliwa i łatwe w utrzymaniu , co pozwoliło im zachować pewną niszę na rynku aż do II wojny światowej.

Czego nie ma w książce Walkera

Książka Walkera została napisana dawno temu, od tego czasu temat ewoluował. Tutaj - krótka recenzja co zostało osiągnięte.

Silniki z napędem Ringbom

Jak wiecie, w silniku Stirlinga są co najmniej dwa ruchome tłoki (lub jeden tłok i jeden wypornik). Daje to dość złożony mechanizm napędowy. Silniki Ringbom to silniki (typu gamma lub beta), w których wypornik jest napędzany pneumatycznie. Jednocześnie sam siłownik pneumatyczny działa na podstawie różnicy ciśnień w ścieżce gazu maszyny. Patrz patent USA nr 856102 Opracowano teorię takich maszyn, która umożliwiła stworzenie przynajmniej działających prototypów. Często prototypy te powstawały przez przerabianie jednocylindrowych silników spalinowych. Rodzinny tłok silnika spalinowego, używany jako suwak, dodaje się do niego pręt i drugi tłok, który jest już tłokiem roboczym silnika Stirlinga. A napęd wypieracza jest pneumatyczny, więc nie są już potrzebne żadne zmiany w konstrukcji ICE. Zbudowano tego rodzaju prototypy. Jednak z tego, co wiem, nie doszło do praktycznej realizacji. Cała ta historia została opisana w książce „Ringbom Stirling Engines” Jamesa R. Senfta, którą można kupić w dowolnym miejscu w Ameryce. Kupiłem ją za pomocą plastikowej karty, chyba nazywa się Visa Electron, a książka została mi dostarczona pocztą. Wszystko działa, więc polecam.

Z mojego punktu widzenia silniki napędowe Ringbom nie są tak proste, jak się wydaje. Ich zaletę widzę jako bardziej odpowiednią niż czyste sinusoidy, prawo ruchu tłoków. Jest to szczególnie ważne w przypadku małych różnic temperatur. Kolejną zaletą jest prostota mechanizmu kinematycznego, częściowo równoważona przez dodatkowe szczegóły wymagane do napędu wypornika. Minusem jest dla mnie to, że sterowany pneumatycznie wypychacz porusza się z dużym przyspieszeniem – wystrzeliwuje przy każdym cyklu jak korek z butelki. Jednak obciążenia udarowe są tłumione przez amortyzatory pneumatyczne i zamiast martwić się o wytrzymałość, ale o równowagę i wibracje. Ponieważ prawo ruchu wypieracza sterowanego pneumatycznie jest z góry nieznane i zależy od konkretnych warunków w danym momencie (temperatury grzałki, prędkości, obciążenia), nie jest możliwe zapewnienie nawet dodatkowych urządzeń wyważających. Oznacza to, że możesz być pewien, że silnik napędzany Ringbom w ogóle nie balansuje.

Ogólnie rzecz biorąc, temat silników napędzanych Ringbom jest tematem do badań. Koncentrując się na dolnej linii, musisz podążać za sprawdzonymi już wzorcami. Dlatego ten temat nie interesuje mnie zbytnio.

Jedyną rzeczą, na którą chcę zwrócić uwagę, jest to, że silniki Ringbom są w pewnym stopniu związane z silnikami o swobodnych tłokach, ale są znacznie prostsze pod względem implementacji. Okazuje się, że silniki z tłokami swobodnymi są niezwykle złożone ze względu na fakt, że prawo ich ruchu dopuszcza zbyt wiele stopni swobody. Jednocześnie zapewnienie ich stabilnej pracy przy uwzględnieniu zmienności nagrzewania, obciążenia i degradacji uszczelek jest zadaniem niezwykle trudnym. Silniki Ringbom są pozbawione tej wady - ich tłok porusza się dzięki mechanizmowi, a napęd pneumatyczny wypieracza pracuje stabilnie w określonym trybie.

Silniki niskotemperaturowe

Są to silniki pracujące w kilkustopniowej różnicy temperatur. Takie silniki są wykonane wyłącznie typu gamma, mają płaski cylinder wyporowy, wypornik o bardzo krótkim skoku, a objętość cylindra roboczego jest wielokrotnie mniejsza od objętości cylindra wyporowego. Mają bardzo mało mocy. Np. maszyna z cylindrem wyporowym o średnicy 25 cm z napędem Ringbom przy różnicy temperatur 90 stopni wyprodukowała tylko 1 wat. Wiele ciekawe modele ten rodzaj został wymyślony i wdrożony przez Huberta Stierhofa, na przykład http://www.geocities.com/hustierhof/MC_SOLAR.html

Zasadniczo są badane pod kątem wykorzystania energii słonecznej. Ważną kwestią, którą należy tutaj zauważyć, jest to, że każdy silnik Stirlinga można w pewnym stopniu ulepszyć, zwiększając ciśnienie gazu. Gdyby ten sam silnik mógł być pompowany gazem do 100 atmosfer, to wytwarzałby już 100 watów. Nie można tego zrobić bezpośrednio, ponieważ wytrzymałość materiałów jest ograniczona, a przewodność cieplna powierzchni do dostarczania i odprowadzania ciepła jest również ograniczona. Wskazuje to jednak na pewną obietnicę stworzenia silników niskotemperaturowych o znacznej mocy. Jeśli trochę fantazjujesz na ten temat, możesz sobie wyobrazić silnik niskotemperaturowy wykonane z dnem wklęsłym lub wypukłym, np. na bazie butli LPG. Na przykład 5-litrowy butla z propanem ma średnicę około 25 centymetrów i może być pompowana do 10-15 atmosfer. Oznacza to, że możesz sobie wyobrazić, że okaże się, że będzie to silnik o mocy około 10 watów z różnicą temperatur 90 stopni.

Silniki z jedną ruchomą częścią

Takie maszyny również zostały wynalezione. Mają prawdziwy, działający tłok, ale wypornik w nich jest „wirtualny”. Po pierwsze, jest powolna maszyna grzewcza lub Silnik z opóźnieniem termicznym. Jakie jest jego znaczenie? Tłok roboczy i ścianki cylindra roboczego są zimne, ale jest przejście z cylindra do gorącej komory - grzałki. Najpierw powietrze jest sprężane przez tłok roboczy i wtłaczane do gorącej komory. Gdy tłok jest w górny martwy punkt, gaz ma czas na podgrzanie i wzrasta jego ciśnienie. Potem następuje skok roboczy - gaz rozszerza się i popycha tłok. Jednocześnie trafia do cylindra roboczego i jest chłodzony. To chłodzenie następuje, gdy tłok jest w dno martwe punkt. Nie narysuję obrazu i nawet nie zapytam, ale jest amerykański patent Tylera nr 5414997, gdzie wszystko jest napisane i narysowane po angielsku. Ponadto patent obejmuje prawie Pełny opis jak zrobić samochód, ze wszystkimi głównymi wymiarami i jego wskaźnikami wydajności.

Ten samochód po prostu urzeka swoją prostotą. Najlepsze jest to, że nie ma specjalne wymagania do precyzyjnej produkcji gorących części. A te gorące części są często wykonane ze stali nierdzewnej, muszą łączyć precyzyjny kształt, odporność na korozję, wysoką przewodność cieplną w niektórych miejscach, a niską w innych, mają złożony kształt i muszą utrzymywać ciśnienie. Uff, ile wymagań.

Ale… w rzeczywistości jej przepływ pracy nie przebiega dokładnie tak, jak byśmy chcieli. Ogrzewanie i chłodzenie gazu następuje intensywniej w momencie, gdy gaz się porusza. Oznacza to, że należy się spodziewać, że gaz zacznie się nagrzewać już w fazie sprężania i zacznie się ochładzać już w fazie rozprężania. Również w przypadku braku regeneratora następuje stały kontakt ogrzanego i schłodzonego gazu ze sobą, co prowadzi do dużych strat termodynamicznych.

Nie sądzę, aby po tej maszynie można było oczekiwać znaczącej wydajności. Podobno autor patentu w praktyce zmierzył się z tym problemem, dlatego patent zawiera nie tylko najwięcej prosty obwód ale także bardziej złożone. Ludzie zrobili też działającą maszynę tego rodzaju z regeneratorem. http://www.stirlingengines.org.uk/thermo/lamina.html O ile sobie wyobrażam podobny proces „powolnego nagrzewania” i „powolnego schładzania” zachodzi nie tylko w nagrzewnicy i lodówce, ale także przy każdym punkt regeneratora. Ponieważ w tym przypadku gradienty temperatury między gazem a ścianą są mniejsze, to sprawność takiej maszyny również powinna być wyższa (to właśnie te gradienty prowadzą do strat wydajności). Może to w ogóle poważna maszyna, ale trzeba ją wypróbować.

Jeśli ktoś kiedyś będzie chciał taką maszynę zbudować, to napisz – porozmawiamy o tym, co można zrobić. Mam więcej (raczej prymitywnych) pomysłów na zrobienie tego typu samochodu, ale zapewniam przesunięcie fazowe w inny sposób. Na przykład za pomocą dwucylindrowego silnik motocykla z małym kątem fazowym między cylindrami. Główną ideą jest to, że w obszarze górnego martwego punktu gaz (już sprężony) jest szybko przepompowywany przez grzałkę, która ma duży opór hydrauliczny. Proces ten jest nieco podobny do procesu spalania w silniku spalinowym, ale spalanie odbywa się na zewnątrz. Ale nadal nie wiem, jak schłodzić gaz w takiej maszynie.

Następna maszyna z jedną ruchomą częścią to termoakustyczny samochód. W swej istocie jest skonstruowany prawie tak samo, jak wolno nagrzewająca się maszyna z regeneratorem, ale tam tłok wibruje z częstotliwością dźwięku i wchodzi w grę przesunięcie fazowe między ciśnieniem a ruchem w fali dźwiękowej. Jako tłok w takiej maszynie można po prostu użyć mikrofonu o odpowiedniej mocy, którego częstotliwość rezonansowa pokrywa się z częstotliwością drgań dźwięku w cylindrze.

Przykłady silników, które mogą służyć jako prototypy

Źródła informacji tutaj:

1. Silnik Phillipsa Stirlinga, CM Hargreaves, Elseiver, 1991

Kilka słów o skalowaniu

Problemy projektowe

Gorąca tuleja cylindra - czy jest potrzebna?

Alfa, beta czy gamma?

Czy szkodliwa przestrzeń jest aż tak szkodliwa?

Niektóre wzorce, relacje i kompromisy

Materiały grzewcze

Grzałka - gdzie jest wąskie gardło?

Wzmacniacz grzałki

Regeneratory

Uszczelnienie tłoka, smar, zagrożenie wybuchem

Opcje napędu

Skrzynia korbowa pod ciśnieniem, brak ciśnienia lub brak skrzyni korbowej

Potrzebujesz gorącej nakładki na tłok i cylinder?

Mój program obliczeniowy

Błąd w metodzie Schmidta, modelu adiabatycznym i obliczeniu liczby Beale'a

Mocne strony Simple

Słabe strony Simple

Obliczenie nagrzewnicy i chłodnicy jest mało satysfakcjonujące - stosuje się metodę analogii Reynoldsa, która jest odpowiednia dla rozwiniętego przepływu turbulentnego. Liczby Reynoldsa w grzejnikach mogą być dość niskie, zwłaszcza w przypadku maszyn niskociśnieniowych, i odpowiadają warunkom przejściowym lub laminarnym.

Taki ważne gatunki straty jako straty wahadłowe. Wielkość strat wahadłowych jest duża i mogą one znacznie obniżyć wydajność.

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

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

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

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

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

Silnik Stirlinga został znacznie ulepszony przez firmę Philips (Holandia). Przede wszystkim zastosowano zewnętrzny regenerator ciepła, przez który pod działaniem wypornika powietrze było pompowane z górnej części cylindra do dolnej. Do regeneratora w obwodzie zewnętrznym podłączono szeregowo grzejnik. Regenerator akumuluje ciepło powietrza wchodzącego do komory zimnej po rozprężeniu. Z przepływem powietrza w odwrotny kierunek bateria oddaje mu ciepło. Zwiększa to różnicę między maksymalną i minimalną temperaturą cyklu, a ciepło musi być odprowadzane przez układ chłodzenia. Grzejnik znajdujący się za regeneratorem odprowadza tylko część tego ciepła, reszta jest magazynowana w akumulatorze i jest ponownie wykorzystywana. W efekcie nie tylko poprawia się sprawność silnika, ale również wzrasta jego maksymalna prędkość obrotowa, co wpływa na moc i ciężar właściwy silnika. Ciepło spalin z podgrzewacza jest wykorzystywane do podniesienia temperatury świeżego powietrza dostarczanego do jego komory spalania. Opisaną konstrukcję silnika przedstawiono na ryc. 2.

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

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

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

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

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

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

Zwykły mechanizmy korbowe przy wysokim ciśnieniu na tłok i dużych kątach ugięcia korbowodu powstają duże siły boczne, które działają na tłok i powodują duże straty tarcia i wysokie zużycie... Dzięki zastosowaniu wodzika lub mechanizmu rombowego eliminuje się to negatywne zjawisko i można uzyskać dobre uszczelnienie tłoków.

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

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

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

Jako przykład rozważ dwa silnik samochodowy Stirling. Czterocylindrowy silnik rombowy pierwszej generacji pokazany na ryc. 10, ma średnicę cylindra 77,5 mm, skok tłoka 49,8 mm (pojemność skokowa 940 cm3), rozwija moc 147 kW przy 3000 min -1 i średnie ciśnienie w cylindrze około 22 MPa. Temperatura głowicy cylindrów jest utrzymywana na poziomie około 700°C, a temperatura płynu chłodzącego na poziomie 60°C. Sucha masa silnika to 760 kg. Rozruch na zimno i rozgrzanie silnika do momentu osiągnięcia przez głowicę temperatury 700°C trwa około 20 sekund. Przy temperaturze wody 55°C sprawność indykatorowa silnika na hamowni sięgała 35%. Moc właściwa wynosi 156 kW/dm3, a ciężar właściwy na jednostkę mocy wynosi 5,2 kg/kW.

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

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

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

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

Produkcja silnika Stirlinga wymaga technologii całkowicie odmiennej od technologii produkcji silników spalinowych, co spowolni wprowadzenie go do produkcji. Jednak rozwój takich silników jest kontynuowany jako tradycyjna benzyna i silniki Diesla nie spełni w przyszłości wymagań wymaganej czystości spalin, a stworzone silniki Stirlinga dają powody do nadziei, że problem ten da się rozwiązać. Ponieważ zmiana ciśnienia gazów w cylindrze silnika Stirlinga jest płynna, pracuje on stabilnie i cicho, przypominając silnik parowy. Jednak duża ilość ciepła odpadowego wymaga nowych rozwiązań w zakresie układów chłodzenia.

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

Zimny ​​rozruch silnika trwa 15 sekund, spalanie auta w ruchu miejskim jest o 25% mniejsze niż w przypadku normalnego silnik benzynowy... Moc silnika regulowana jest poprzez zmianę ilości i ciśnienia płynu roboczego.

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

Od przeszłości do przyszłości! W 1817 roku szkocki ksiądz Robert Stirling otrzymał… patent na nowy typ silnika, nazwany później, podobnie jak silniki Diesla, od nazwiska wynalazcy – Stirlinga. Parafianie z małego szkockiego miasteczka od dawna patrzyli na swojego duchowego pastora z oczywistą podejrzliwością. Nadal będzie! Syk i dudnienie, które przenikały ściany stodoły, w której często znikał ojciec Stirling, mogły zmylić nie tylko ich bogobojne umysły. Krążyły plotki, że w stodole trzymany jest straszliwy smok, który święty ojciec oswoił i nakarmił nietoperzami i naftą.

Ale Robert Stirling, jeden z najbardziej oświeconych mieszkańców Szkocji, nie był zakłopotany wrogością trzody. Coraz bardziej go zajmowały sprawy i troski tego świata, ze szkodą dla służenia Panu: wywozili pastora… samochody.

Wyspy Brytyjskie przechodziły wówczas rewolucję przemysłową: manufaktury rozwijały się bardzo szybko. A kler nie pozostaje obojętny na ogromne dochody, które obiecuje nowy sposób produkcji.

Z błogosławieństwem kościoła i nie bez pomocy fabrykantów zbudowano kilka maszyn Stirlinga, a najlepszy z nich o mocy 45 KM. S., przez trzy lata pracował w kopalni w Dundi.

Dalszy rozwój Stirlingów został opóźniony: w latach 60. ubiegłego wieku na arenę wkroczył nowy silnik Erickson.

Oba projekty miały ze sobą wiele wspólnego. To były silniki spalanie zewnętrzne... W obu maszynach płynem roboczym było powietrze, a w obu maszynach podstawą silnika był regenerator, przez który przechodziło gorące powietrze spalinowe, które oddało całe ciepło. Świeża porcja powietrza, przesączająca się przez gęstą metalową siatkę, odprowadzała to ciepło przed wejściem do roboczego cylindra.

Zgodnie ze schematem na fig. 1 można prześledzić, w jaki sposób powietrze przez rurę ssącą 10 i zawór 4 wchodzi do sprężarki 3, jest sprężane i przez zawór 5 dostaje się do zbiornika pośredniego. W tym czasie szpula 8 zamyka rurę wydechową 9, a powietrze przez regenerator wchodzi do cylindra roboczego 1, ogrzewanego przez piec 11. Tutaj powietrze rozszerza się, powodując użyteczna praca, który jest częściowo kierowany do uniesionego ciężkiego tłoka, częściowo w celu sprężenia zimnego powietrza w sprężarce 3. Podczas opadania tłok wpycha powietrze wylotowe przez regenerator 7 i szpulę 8 do rury wydechowej. Po opuszczeniu tłoka do sprężarki zostaje zassana świeża porcja powietrza.

1 - cylinder roboczy, 2 - tłok; 3 - kompresor; 4 - zawór ssący; 5 - zawór spustowy; 6 - zbiornik pośredni; 7 - regenerator; 8 - zawór obejściowy; 9 - rura wydechowa; 10 - rura ssąca; 11 – ogień.

Oba projekty nie były ekonomiczne. Ale z jakiegoś powodu było więcej problemów z silnikiem Szkota i był on mniej niezawodny niż silnik Ericksona. Być może dlatego przeoczyli jeden bardzo ważny szczegół: przy równej mocy silnik Stirlinga był bardziej kompaktowy. Ponadto miał znaczną przewagę w termodynamice…

Sprężanie, podgrzewanie, rozprężanie, chłodzenie - to cztery główne procesy wymagane do działania każdego silnika cieplnego. Każdy z nich można przeprowadzić na różne sposoby. Na przykład ogrzewanie i chłodzenie gazu może odbywać się w zamkniętej wnęce o stałej objętości (proces izochoryczny) lub pod ruchomym tłokiem przy stałym ciśnieniu (proces izobaryczny). Kompresja lub ekspansja gazu może wystąpić, gdy stała temperatura(proces izotermiczny) lub bez wymiany ciepła z otoczeniem (proces adiabatyczny). Komponując zamknięte łańcuchy z różnych kombinacji takich procesów, łatwo jest uzyskać teoretyczne cykle, wzdłuż których wszystkie nowoczesne silniki cieplne... Powiedzmy, że połączenie dwóch adiabatów i dwóch izochorów tworzy teoretyczny cykl silnika benzynowego. Jeśli zastąpimy w nim izochor, wzdłuż którego podgrzewany jest gaz, izobarem, otrzymamy cykl diesla. Dwa adiabaty i dwie izobary dadzą teoretyczny cykl turbiny gazowej. Spośród wszystkich możliwych cykli szczególną rolę odgrywa połączenie dwóch adiabatów i dwóch izoterm. ważna rola w termodynamice, gdyż według takiego cyklu – cyklu Carnota – musi pracować silnik o najwyższej sprawności.

Jeżeli w silniku Stirlinga ciepło było dostarczane wzdłuż izochorów, to u Ericksona proces ten przebiegał wzdłuż izobary, a procesy sprężania i rozprężania przebiegały wzdłuż izoterm.

Na początku tego stulecia silniki Ericksona o małej mocy (około 10-20 KM) były używane w różnych krajach. Tysiące takich instalacji pracowały w fabrykach, w drukarniach, kopalniach i kopalniach, obracały wały maszyn, pompowały wodę, podnosiły windy. Byli też znani w Rosji pod nazwą „ciepło i siła”.

Próbowano zbudować duży silnik okrętowy, ale wyniki testów zniechęciły nie tylko sceptyków, ale i samego Ericksona. Wbrew proroctwom pierwszego statek „przesunął się ze swojego miejsca”, a nawet przekroczył Ocean Atlantycki. Ale zawiodły również oczekiwania wynalazcy: cztery gigantyczne silniki zamiast 1000 KM. z. opracowany tylko 300 litrów. z. Zużycie węgla było takie samo jak w silnikach parowych. Ponadto pod koniec podróży spłonęły dna pracujących cylindrów, a w Anglii silniki musiały zostać usunięte i potajemnie zastąpione konwencjonalnymi. silnik parowy... Na domiar wszystkich nieszczęść w drodze powrotnej do Ameryki statek rozbił się i zginął wraz z całą załogą.

1 - tłok roboczy 2 - tłok wyporowy; 3 - chłodniejszy; 4 - grzejnik; 5 - regenerator; 6 - zimna przestrzeń; 7 - gorąca przestrzeń.

Porzuciwszy pomysł budowy „maszyn kalorycznych” o dużej mocy, Erickson rozpoczął masową produkcję małe silniki... Faktem jest, że ówczesny poziom nauki i techniki nie pozwalał na zaprojektowanie i zbudowanie ekonomicznej i potężnej maszyny.

Ale główny cios dla Ericksona zadali wynalazcy silnika spalinowego. Szybki rozwój silników wysokoprężnych i gaźnikowych zmusił do zapomnienia o dobrym pomyśle.

... Minęło stulecie. W latach 30. jeden z departamentów wojskowych zlecił firmie Philips opracowanie elektrowni o mocy 200-400 watów dla maszerującej stacji radiowej. Co więcej, silnik musi być wszystkożerny, to znaczy zasilany dowolnym rodzajem paliwa.

Specjaliści firmy zabrali się do pracy z całą starannością. Zaczęliśmy od zbadania różnych cykli termodynamicznych i ku naszemu zdziwieniu stwierdziliśmy, że teoretycznie najbardziej ekonomicznym jest dawno zapomniany silnik Stirlinga.

Wojna wstrzymała badania, ale pod koniec lat 40. prace kontynuowano. A potem, w wyniku licznych eksperymentów i obliczeń, dokonano nowego odkrycia - obiegu zamkniętego, w którym panuje ciśnienie około 200 atm. krążył płyn roboczy (wodór lub hel, ponieważ mają najniższą lepkość i najwyższą pojemność cieplną). To prawda, że ​​po zamknięciu cyklu inżynierowie zostali zmuszeni do zajęcia się sztucznym chłodzeniem płynu roboczego. Tak powstała chłodnica, której nie miały pierwsze silniki spalinowe. I choć grzałka i chłodnica, nieważne jak kompaktowe, sprawiają, że stylizacja jest cięższa, nadają jej bardzo ważną cechę.

Odizolowani od środowiska zewnętrznego praktycznie nie są od niego uzależnieni. Stirling może pracować z dowolnego źródła ciepła wszędzie: pod wodą, pod ziemią, w kosmosie – czyli tam, gdzie silniki spalinowe potrzebujące powietrza nie mogą pracować. W takich warunkach w zasadzie nie można obejść się bez grzejników i chłodnic, które przenoszą ciepło przez ścianę. A potem Stirling pokonał rywali nawet wagą. Pierwsze prototypy miały ciężar właściwy na jednostkę mocy rzędu 6-7 kg na litr. z. jak ty morskie diesle... Nowoczesne stirlingi mają jeszcze niższy stosunek - 1,5-2 kg na litr. z. Są jeszcze bardziej kompaktowe i lekkie.

Tak więc schemat stał się dwuobwodowy: jeden obwód z czynnikiem roboczym, a drugi - dostarczanie ciepła; pozwoliło to zwiększyć wydajność energetyczną do 200 litrów. z. na litr objętości roboczej i wydajności - do 38-40 proc. Dla porównania: nowoczesny

nye diesle mają wydajność. 34-38 procent i silniki gaźnikowe- 25-28. Ponadto proces spalania paliwa w Stirling jest ciągły, co znacznie zmniejsza toksyczność – pod względem emisji tlenku węgla 200 razy, a tlenku azotu – o 1-2 rzędy wielkości. To jest być może jedno z radykalnych rozwiązań problemu zanieczyszczenia powietrza w miastach.

Część robocza nowoczesnego Stirlinga to zamknięta objętość wypełniona gazem roboczym (rys. 2). Górna część objętości jest gorąca, nagrzewa się w sposób ciągły. Dolna jest zimna, cały czas jest chłodzona wodą. W tej samej objętości - cylinder z dwoma tłokami: wypieraczem i pracującym. Gdy tłok podnosi się, gaz jest sprężany w objętości; dół - rozszerza się. Ruch tłoka wyporowego w górę iw dół powoduje naprzemienny rozkład ogrzanego i schłodzonego gazu. Gdy tłok wyporowy znajduje się w górnym położeniu (w gorącej przestrzeni), większość gazu jest wypychana do zimnego obszaru. W tym czasie tłok roboczy zaczyna poruszać się w górę i spręża zimny gaz. Teraz tłok wyporowy przesuwa się w dół, aż dotknie tłoka roboczego, a sprężony zimny gaz jest pompowany do gorącej przestrzeni. Rozprężanie ogrzanego gazu - skok roboczy. Część energii suwu roboczego jest magazynowana do późniejszego sprężania zimnego gazu, a nadmiar trafia do wału silnika.

Regenerator znajduje się pomiędzy zimnymi i gorącymi przestrzeniami. Kiedy rozprężony gorący gaz jest pompowany do zimnej części przez ruch tłoka wyporowego, przechodzi przez gęstą wiązkę cienkich miedzianych drutów i uwalnia zawarte w niej ciepło. Podczas suwu powrotnego sprężone zimne powietrze, przed wejściem do gorącej części, odbiera to ciepło.

1 - wtryskiwacz paliwa; 2 - odprowadzanie schłodzonych gazów, 3 - nagrzewnica powietrza; 4 - wylot gorących gazów; 5 - gorąca przestrzeń; 6 - regenerator; 7 - cylinder; 8 - chłodniejsze rurki; 9 - zimna przestrzeń; 10 - tłok roboczy; 11 - napęd rombowy; 12 - komora spalania; 13 - rury grzejne; 14 - tłok wyporowy; 15 - wlot powietrza do spalania paliwa; 16 - wnęka buforowa.

Oczywiście w prawdziwy samochód wszystko nie wygląda na takie proste (rys. 3). Nie ma możliwości szybkiego podgrzania gazu przez grubą ściankę cylindra, wymaga to znacznie większej powierzchni grzewczej. Dlatego górna część zamkniętej objętości zamienia się w system cienkich rurek ogrzewanych płomieniem dyszy. Aby maksymalnie wykorzystać ciepło produktów spalania, zimne powietrze dostarczane do dyszy jest wstępnie podgrzewane przez spaliny - tak powstaje dość złożony obwód spalania.

Zimna część objętości roboczej to również system rur, do których pompowana jest woda chłodząca.

Pod tłokiem roboczym znajduje się zamknięta wnęka buforowa wypełniona sprężonym gazem. Podczas skoku roboczego wzrasta ciśnienie w tej wnęce. Zmagazynowana w tym przypadku energia wystarcza do sprężenia zimnego gazu w objętości roboczej.

Temperatura i ciśnienie rosły w niekontrolowany sposób, gdy się poprawiałem. 800 ° Celsjusza i 250 atm. - to bardzo trudne zadanie dla projektantów, to poszukiwanie szczególnie mocnych i żaroodpornych materiałów, trudny problem chłodzenia, gdyż wydzielanie ciepła w porównaniu z klasyczne silniki tutaj półtora do dwóch razy więcej.

Wyniki tych eksperymentów czasami prowadzą do najbardziej nieoczekiwanych odkryć. Na przykład specjaliści firmy „Philips”, pracujący w silniku na biegu jałowym (bez ogrzewania), zauważyli, że głowica cylindrów jest bardzo chłodzona. Całkowicie przypadkowo odkryty efekt doprowadził do całej serii zmian, a w rezultacie do narodzin nowej maszyny chłodniczej. Obecnie takie wysokowydajne i niewielkich rozmiarów agregaty chłodnicze są szeroko stosowane na całym świecie. Wróćmy jednak do silników cieplnych.

Kolejne wydarzenia narastają jak śnieżka. W 1958 roku, po nabyciu licencji przez inne firmy, Stirling wyszedł za granicę. Zaczęli go testować w różnych dziedzinach techniki. Opracowywany jest projekt wykorzystania silnika do zasilania urządzeń statki kosmiczne i satelity. Dla radiostacji terenowych powstają elektrownie na dowolny rodzaj paliwa (o mocy ok. 10 KM), które mają tak niski poziom hałasu, że nie słychać go przez 20 kroków.

Ogromną sensację wywołała demonstracyjna instalacja pracująca na dwudziestu rodzajach paliw. Bez wyłączania silnika, po prostu obracając żurawiem, benzyna, olej napędowy, ropa naftowa, oliwa z oliwek, gaz palny były naprzemiennie podawane do komory spalania, a maszyna doskonale „zjadała” każdą „pasz”. W prasie zagranicznej pojawiły się doniesienia o projekcie silnika o pojemności 2,5 tys. litrów. z. z reaktorem jądrowym. Szacowana wydajność 48-50%. Wszystkie gabaryty jednostki napędowej są znacznie zmniejszone, co pozwala na podanie uwolnionego ciężaru i powierzchni dla biologicznej ochrony reaktora.

Inny ciekawy rozwój- napęd na sztuczne serce o wadze 600 g i mocy 13 W. Słabo radioaktywny izotop zapewnia mu niemal niewyczerpane źródło energii.

Silnik Stirlinga był testowany w niektórych samochodach. Pod względem parametrów pracy nie ustępował gaźnikowi, a poziom hałasu i toksyczność spaliny znacznie się zmniejszyła.

Stylizowany samochód może pracować na dowolnym paliwie, a w razie potrzeby na stopie. Wyobraź sobie: przed wjazdem do miasta kierowca włącza palnik i topi kilka kilogramów tlenku glinu lub wodorku litu. Jeździ ulicami miasta „bez dymu”: silnik napędzany jest ciepłem zmagazynowanym w stopie. Jedna z firm wykonała skuter, do którego zbiornika wlewa się około 10 litrów stopionego fluorku litu. Takie ładowanie wystarcza na 5 godzin pracy przy mocy silnika 3 litry. z.

Prace nad Stirlingami trwają. W 1967 roku wyprodukowano próbkę instalacji pilotażowej o pojemności 400 litrów. z. jeden cylinder. Realizowany jest kompleksowy program, zgodnie z którym planowany jest do 1977 r. produkcja masowa silniki o zakresie mocy od 20 do 380 litrów. z. W 1971 Philips wyprodukował czterocylindrowy silnik przemysłowy w 200 litrach. z. o łącznej wadze 800 kg. Jego balans jest tak wysoki, że moneta (wielkości pensa), umieszczona na brzegu koperty, stoi nieruchomo.

Do zalet nowego typu silnika należy duża żywotność około 10 tys. godzin. (są oddzielne dane na 27 tys.) i płynną pracę, ponieważ ciśnienie w cylindrach wzrasta płynnie (sinusoidalnie), a nie wybuchy, jak silnik wysokoprężny.

Prowadzony jest tu również prospektywny rozwój nowych modeli. Naukowcy i inżynierowie pracują nad kinematykami różnych opcji, na komputerach elektronicznych obliczają różne rodzaje „serca”, regeneratora Stirlinga. Poszukuje się nowych rozwiązań inżynieryjnych, które będą stanowić podstawę ekonomicznych i mocnych silników, które mogą zastąpić zwykłe silniki wysokoprężne i benzynowe, naprawiając w ten sposób niesprawiedliwy błąd historii.

A. Aleksiejew

Czy zauważyłeś błąd? Zaznacz go i naciśnij Ctrl + Enter dać nam znać.

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

Niespełna sto lat temu silniki spalinowe starały się wywalczyć należne im miejsce w konkurencji wśród innych dostępnych maszyn i mechanizmów jezdnych. Jednocześnie w tamtych czasach wyższość silnika benzynowego nie była tak oczywista. 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.

Dalszy wyścig o doskonalenie jednostek i mechanizmów napędowych, do których weszły w połowie XX wieku turbiny gazowe i silniki typu rotacyjnego, doprowadził do tego, że pomimo dominacji 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 zasada działania polega na wykorzystaniu energii mechanicznej, którą uzyskuje się, gdy gaz rozpręża się po podgrzaniu, a następnie kompresuje podczas ochładzania. Aby zademonstrować zasadę działania, można podać przykład oparty na zwykłej plastikowej butelce i dwóch garnkach, z których jeden zawiera zimną wodę, drugi gorącą.

Zanurzając butelkę w zimnej wodzie o temperaturze zbliżonej do temperatury tworzenia się lodu, przy wystarczającym schłodzeniu powietrza wewnątrz plastikowego pojemnika, należy ją zamknąć korkiem. Co więcej, gdy butelka jest umieszczona we wrzącej wodzie, po chwili korek „wystrzeliwuje” mocno, ponieważ w tym przypadku ogrzane powietrze wykonało pracę wielokrotnie większą 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 wymagał poprawy wykorzystania części ciepła, które gaz tracił podczas procesu chłodzenia, do dalszego ogrzewania, co pozwala na 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 elektrowni Stirlinga o mocy 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 ma najwyższą 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;
• zastosowanie wysokiego ciśnienia, które jest wymagane do poprawy osiągów i mocy silnika;
• strata ciepła, która występuje w wyniku tego, że uwolnione ciepło jest przekazywane nie do samego płynu roboczego, ale poprzez układ wymienników ciepła, których ogrzewanie prowadzi do utraty wydajności;
• drastyczne zmniejszenie mocy wymaga zastosowania specjalnych zasad, które różnią się od tradycyjnych silników benzynowych.

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

• każdy rodzaj paliwa, ponieważ, jak każdy silnik wykorzystujący energię cieplną, silnik ten może pracować przy różnicy temperatur w dowolnym 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 o mocy kW nie wytwarza momentu spalin, nie generuje hałasu i nie emituje szkodliwych substancji do atmosfery. Zwykłe ciepło działa jak źródło energii, a paliwo wypala się prawie całkowicie;
• konstruktywna prostota. Do swojej pracy Stirling nie wymaga 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 W SILNIKU 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, komór chłodniczych, łodzi podwodnych, akumulatorów magazynujących energię.

Jednym z obiecujących obszarów zastosowania silników Stirlinga są elektrownie słoneczne, ponieważ jednostka ta może być z powodzeniem 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. Dzięki temu energia słoneczna może być skoncentrowana na niewielkim obszarze. W tym przypadku paliwem do silnika jest hel lub wodór. opublikowany przez

Cykl Stirlinga jest uważany za niezbędne akcesorium silnika Stirlinga. W tym samym czasie, szczegółowe studium Z zasad działania wielu dotychczas powstałych konstrukcji wynika, że ​​znaczna ich część ma inny cykl pracy niż Stirlinga. Na przykład stylizacja alfa z różnymi średnicami tłoka ma cykl bardziej podobny do tego z Ericssona. Konfiguracje beta i gamma, które mają wystarczająco dużą średnicę pręta przy tłoku wyporowym, również zajmują pewną pozycję pośrednią między cyklami Stirlinga i Ericssona.

Gdy wypornik porusza się w konfiguracji beta, zmiana stanu płynu roboczego następuje nie wzdłuż izochory, ale wzdłuż nachylonej linii pośredniej między izochorą a izobarą. Przy pewnym stosunku średnicy pręta do całkowitej średnicy wypornika można uzyskać izobarę (stosunek ten zależy od temperatur pracy). W tym przypadku tłok, który wcześniej był tłokiem roboczym, pełni jedynie rolę pomocniczą, a tłoczysko staje się prawdziwym tłokiem roboczym. Moc właściwa takiego silnika okazuje się około 2 razy większa niż w zwykłej stylizacji, mniejsze straty tarcia, ponieważ nacisk na tłok jest bardziej równomierny. Podobny obraz w stylizacji alpha z różnymi średnicami tłoków. Silnik z diagramem pośrednim może mieć obciążenie równomiernie rozłożone między tłoki, to znaczy między tłokiem roboczym a tłokiem wyporowym.

Ważna zaleta działanie silnika zgodnie z cyklem Ericssona lub zbliżone do niego polega na tym, że izochor jest zastępowany przez izobar lub proces bliski mu. Gdy płyn roboczy rozpręża się wzdłuż izobary, nie dochodzi do zmian ciśnienia ani wymiany ciepła, z wyjątkiem przenoszenia ciepła z rekuperatora do płynu roboczego. I to ogrzewanie natychmiast wykonuje pożyteczną pracę.Przy sprężaniu izobarycznym ciepło jest przekazywane do rekuperatora.
W cyklu Stirlinga, gdy płyn roboczy jest podgrzewany lub chłodzony wzdłuż izochory, dochodzi do strat ciepła związanych z procesami izotermicznymi w nagrzewnicy i chłodnicy.

Konfiguracja

Inżynierowie dzielą silniki Stirlinga na trzy różne rodzaje:

• Alfa Stirlinga- zawiera dwa oddzielne tłoki mocy w osobnych 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 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 z zimnej do gorącej części butli przez regenerator. Regenerator może być zewnętrzny, jako część wymiennika ciepła lub może być połączony z tłokiem wyporowym.

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

Istnieją również odmiany silnika Stirlinga, które nie należą do powyższych trzech klasycznych typów:

• silnik rotacyjny Stirling- rozwiązano problemy szczelności (patent Mukhina na uszczelniony wlot obrotowy (GVV), srebrny medal za wystawa międzynarodowa w Brukseli „Eureka-96”) i nieporęczność (nie ma mechanizmu korbowego, ponieważ silnik jest obrotowy).

niedogodności

• Zużycie materiału- główna wada silnika. W silnikach spalinowych ogólnie, a w szczególności w silniku Stirlinga, płyn roboczy musi być chłodzony, a to prowadzi do znacznego wzrostu masy i wymiarów elektrowni ze względu na zwiększone chłodnice.

• Dla wydajności porównywalnej do Charakterystyka ICE, trzeba się zgłosić wysokie ciśnienia (powyżej 100 atm) oraz specjalne rodzaje płynów roboczych- wodór, hel.

• Ciepło nie jest dostarczane bezpośrednio do płynu roboczego, ale tylko przez ściany wymienników ciepła. Ściany mają ograniczoną przewodność cieplną, co sprawia, że ​​sprawność jest niższa od oczekiwanej. Gorący wymiennik pracuje w bardzo stresujących warunkach wymiany ciepła i przy bardzo wysokie ciśnienia, co wymaga zastosowania wysokiej jakości i drogie materiały... Zaprojektowanie wymiennika ciepła spełniającego sprzeczne wymagania jest trudne. Im wyższa powierzchnia wymiany ciepła, tym mniejsze straty ciepła. Jednocześnie zwiększa się wielkość wymiennika ciepła i objętość płynu roboczego, nie biorącego 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.

• Do szybkiej zmiany mocy silnika w porównaniu z silnikami spalinowymi stosuje się metody: zbiornik buforowy o zmiennej objętości, zmiana średniego ciśnienia płynu roboczego w komorach, zmiana kąta fazowego między tłokiem roboczym a wypornikiem. W tym drugim przypadku reakcja silnika na działanie kierowcy jest niemal natychmiastowa.

Zalety

Niemniej jednak silnik Stirlinga ma zalety, które sprawiają, że konieczne jest jego opracowanie.

• Silnik „wszystkożerny”- jak wszystkie silniki spalinowe (a raczej zewnętrzne doprowadzenie ciepła), silnik Stirlinga może działać przy niemal każdej różnicy temperatur: na przykład między różnymi warstwami wody w oceanie, ze słońca, z podgrzewacza atomowego lub izotopowego, węgla lub piec na drewno itp. ...
• Prostota projektu- konstrukcja silnika jest bardzo prosta, nie wymaga dodatkowe systemy takich jak mechanizm dystrybucji gazu. Zaczyna się samoczynnie i nie wymaga startera. Jego właściwości pozwalają pozbyć się gearboxa. Jednak, jak wspomniano powyżej, ma większe zużycie materiału.
• Zwiększony zasób- prostota konstrukcji, brak wielu „delikatnych” jednostek sprawia, że ​​stirling jest niespotykanym zasobem dla innych silników w dziesiątkach i setkach tysięcy godzin ciągłej pracy.
• Rentowność- w przypadku zamiany energii słonecznej na energię elektryczną, stirlingi czasami dają wyższą sprawność (do 31,25%) niż silniki parowe.
• Cichy silnik- stylizacja nie posiada wydechu, co oznacza, że ​​nie hałasuje. Stylizacja Beta z mechanizmem rombowym jest urządzeniem doskonale wyważonym i przy wystarczająco wysokiej jakości wykonania, nie ma nawet wibracji (amplituda drgań jest mniejsza niż 0,0038 mm).
• Przyjazność dla środowiska- Samo Stirling nie zawiera żadnych części ani procesów, które mogą przyczynić się do zanieczyszczenia środowiska. Nie zużywa płynu roboczego. Przyjazność silnika dla środowiska wynika przede wszystkim z przyjazności dla środowiska źródła ciepła. Warto również zauważyć, że łatwiej jest zapewnić kompletność spalania paliwa w silniku spalinowym niż w silniku spalinowym.

Podanie

Silnik Stirlinga z alternatorem liniowym

Silnik Stirlinga ma zastosowanie w przypadkach, gdy wymagany jest kompaktowy konwerter energii cieplnej o prostej konstrukcji lub gdy sprawność innych silników cieplnych jest niższa: na przykład, gdy różnica temperatur nie jest wystarczająca do pracy turbiny parowej lub gazowej.

Termoakustyka to dział fizyki o wzajemnej przemianie energii cieplnej i akustycznej. Powstał na styku termodynamiki i akustyki. Stąd nazwa. Ta nauka jest bardzo młoda. Powstała jako samodzielna dyscyplina pod koniec lat 70. ubiegłego wieku, kiedy Szwajcar Nikalaus Rott zakończył prace nad matematycznymi podstawami termoakustyki liniowej. A jednak nie pojawił się znikąd. Jego pojawienie się poprzedziło odkrycie ciekawych efektów, które po prostu musimy wziąć pod uwagę.

GDZIE TO SIĘ ZACZĘŁO?
Termoakustyka ma długą historię, sięgającą ponad dwóch wieków.

Pierwszych oficjalnych zapisów drgań generowanych przez ciepło dokonał Higgins w 1777 roku. Eksperymentował on z otwartą szklaną rurką, w której drgania akustyczne były wzbudzane przez umieszczony w specyficzny sposób palnik wodorowy. To doświadczenie przeszło do historii jako Higgins Singing Flame.

Rysunek 1. Higgins śpiewający płomień

Jednak współcześni fizycy są lepiej znani z innego eksperymentu, zwanego „rurką Rijke”. W trakcie swoich eksperymentów Rijke stworzył nowy instrument muzyczny z tuby organowej. Zastąpił wodorowy płomień Higginsa podgrzewanym ekranem drucianym i eksperymentalnie wykazał, że najsilniejszy dźwięk powstaje, gdy ekran znajduje się w jednej czwartej rury od jej dolnego końca. Oscylacje zatrzymano po przykryciu górnego końca rurki. To dowiodło, że do wygenerowania dźwięku wymagany jest wzdłużny ciąg konwekcyjny. Prace Higginsa i Rijkego posłużyły później jako podstawa do narodzin nauki o spalaniu, która dziś stosowana jest wszędzie tam, gdzie używa się tego zjawiska.

Rysunek 2. Rurka Rijkego.

spalanie rachunków za proszek do silniki rakietowe... Zjawiskom zachodzącym w rurze Rijke poświęcono tysiące rozpraw na całym świecie, ale zainteresowanie tym urządzeniem nie osłabło do dziś.

W 1850 Sondhauss odniósł się do dziwnego zjawiska, które dmuchacze szkła obserwują w swojej pracy. Gdy gorące szklane wybrzuszenie kuliste wtłacza powietrze do zimnego końca rury dmuchawy, generowany jest czysty dźwięk. Analizując to zjawisko, Sondhauss odkrył, że dźwięk jest generowany, gdy wybrzuszenie w kształcie kuli na końcu rury jest podgrzewane. W tym przypadku dźwięk zmienia się wraz ze zmianą długości tuby. W przeciwieństwie do rurki Rijke, rura Sondhauss nie była zależna od ciągu konwekcyjnego.

Rysunek 3. Rurka Sondhauss.

Podobny eksperyment przeprowadził później Takonis. W przeciwieństwie do Sondhauss nie podgrzewał końca rurki, lecz chłodził ją cieczą kriogeniczną. To udowodniło, że to nie ogrzewanie jest ważne dla generowania dźwięku, ale różnica temperatur.
Pierwszą jakościową analizę fluktuacji spowodowanych przez ciepło przedstawił w 1887 r. Lord Rayleigh. Wyjaśnienie powyższych zjawisk sformułowanych przez Rayleigha jest obecnie znane termoakustyce jako zasada Rayleigha. Brzmi to mniej więcej tak: „Jeśli ciepło zostanie przekazane gazowi w momencie największego sprężenia lub ciepło zostanie odebrane w momencie najwyższej próżni, to stymuluje to oscylacje. »Pomimo swojej prostoty sformułowanie to w pełni opisuje bezpośredni efekt termoakustyczny, czyli zamianę energii cieplnej na energię dźwięku.

Efekt wirowy

Efekt wirowy(efekt Ranka-Hilscha, inż. Efekt Ranque-Hilscha) - efekt rozdzielania gazu lub cieczy podczas wirowania w komorze cylindrycznej lub stożkowej na dwie frakcje. Na obwodzie tworzy się przepływ wirowy o wyższej temperaturze, a pośrodku przepływ wirujący ochłodzony, a obrót w środku następuje w kierunku przeciwnym niż na obwodzie. Efekt został po raz pierwszy odkryty przez francuskiego inżyniera Josepha Ranka pod koniec lat 20. XX wieku podczas pomiaru temperatury w cyklonie przemysłowym. Pod koniec 1931 r. J. Rank złożył wniosek o wynalezione urządzenie, które nazwał „rurką wirową” (w literaturze występuje jako rurka Rankego). Dopiero w 1934 roku w Ameryce udało się uzyskać patent (patent USA nr 1952281). Obecnie wdrożono szereg urządzeń wykorzystujących efekt wiru, urządzenia wirowe. Są to „komory wirowe” do chemicznego oddzielania substancji pod wpływem sił odśrodkowych oraz „rurki wirowe” wykorzystywane jako źródło zimna.

Ruch wirowy jest przedmiotem wielu badań naukowych od lat 60. XX wieku. Regularnie odbywają się specjalistyczne konferencje na temat efektu wirowego, m.in. w Samara Aerospace University.

Generatory ciepła Vortex i mikrokondycjonery istnieją i są używane.

Na tym świecie są rzeczy pomysłowe, niezrozumiałe i zupełnie nierealne. Tak nierealne, że wydają się być artefaktami z jakiegoś równoległego wszechświata. Wraz z silnikiem Stirlinga, próżniową lampą radiową i czarnym kwadratem Malewicza, artefakty te obejmują tzw. „Turbina Tesli”.
Ogólnie rzecz biorąc osobliwość wszystkie takie rzeczy - absolutna prostota. Nie uproszczenie, ale prostota. To znaczy, podobnie jak w kreacjach Michała Anioła - nie ma zbędnych, niektórych technicznych lub semantycznych „rekwizytów”, czystej świadomości ucieleśnionej „w żelazie” lub rozpryskanej na płótnie. A przy tym absolutny brak obiegu. Czarny kwadrat to rodzaj „orty” sztuki. Nie może być drugiego takiego napisanego przez innego artystę.

Wszystko to w pełni dotyczy turbiny Tesli. Strukturalnie składa się z kilku (10-15) cienkich tarcz osadzonych na osi turbiny w niewielkiej odległości od siebie i umieszczonych w obudowie przypominającej gwizdek policyjny.

Nie trzeba tłumaczyć, że wirnik tarczowy jest znacznie bardziej zaawansowany technologicznie i niezawodny niż choćby „koło Lavala”, już milczę o wirnikach konwencjonalnych turbin. To pierwsza zaleta systemu. Po drugie, w przeciwieństwie do innych typów turbin, w których należy podjąć specjalne środki w celu laminaryzacji przepływu płynu roboczego. W turbinie Tesli płyn roboczy (którym może być powietrze, para, a nawet ciecz) przepływa ściśle laminarnie. Dlatego straty wynikające z tarcia dynamicznego gazu w nim są zredukowane do zera: sprawność turbiny wynosi 95%.

Należy jednak pamiętać, że sprawność turbiny i sprawność cyklu termodynamicznego to nieco inne rzeczy. Sprawność turbiny można scharakteryzować jako stosunek energii przetworzonej na energię mechaniczną na wale wirnika turbiny do energii cyklu roboczego (czyli różnicy między energią początkową i końcową płynu roboczego). Czyli sprawność nowoczesnych turbin parowych jest również bardzo wysoka - 95-98%, jednak sprawność obiegu termodynamicznego, ze względu na szereg ograniczeń, nie przekracza 40-50%.

Zasada działania turbiny polega na tym, że płyn roboczy (powiedzmy - gaz), skręcając się w obudowie na skutek tarcia, „ciągnie” za sobą wirnik. Jednocześnie oddając część energii do wirnika, gaz zwalnia, a dzięki sile Coriolisa powstałej w wyniku oddziaływania z wirnikiem, niczym liście herbaty w herbacie, „toczy się” do osi wirnika, gdzie znajdują się specjalne otwory, przez które usuwany jest „zużyty” płyn roboczy.
Turbina Tesli, podobnie jak turbina Lavala, przetwarza energię kinetyczną płynu roboczego. Oznacza to transformację energii potencjalnej (na przykład skompresowane powietrze lub przegrzanej pary) do kinetycznej należy wytworzyć przed podaniem wirnika turbiny za pomocą dyszy. Jednak turbina Lavala, mając w sumie dość wysoką sprawność, okazała się wyjątkowo nieskuteczna przy niskie obroty, co spowodowało konieczność zaprojektowania skrzyń biegów, których wymiary i masa były wielokrotnie większe niż wymiary i masa samej turbiny. Zasadnicza różnica między turbiną Tesli polega na tym, że pracuje dość wydajnie w szerokim zakresie prędkości obrotowych, co umożliwia bezpośrednie połączenie jej wału z generatorem. Ponadto turbina Tesli jest łatwo odwracalna.

Co ciekawe, sam Nikola Tesla umieścił swój wynalazek jako sposób na wysoce efektywne wykorzystanie energii geotermalnej, którą uważał za energię przyszłości. Dodatkowo turbina bez żadnych przeróbek może zamienić się w bardzo wydajną pompę próżniową - wystarczy zakręcić jej wałem z innej turbiny lub silnika elektrycznego.

Efektywność technologiczna turbiny Tesli sprawia, że ​​możliwe jest wykonanie jej wariantów z dosłownie wszystkiego: wirnik tarczowy może być wykonany ze starych płyt CD lub „naleśników” z niesprawnego „dysku twardego” komputera. Jednocześnie moc takiego silnika, pomimo „zabawkowych” materiałów i wymiarów, okazuje się bardzo imponująca. Mówiąc o wymiarach: silnik 110 KM. nie więcej niż jednostka systemowa obecnego komputera osobistego.

Urządzenia efektów rankingowych

Efekt rang od samego początku przyciągał wynalazców swoją pozorną prostotą wdrożenie techniczne- w zasadzie najprostsza realizacja rura wirowa jest to kawałek rury, najczęściej spotykany, w którym pierwotny przepływ jest podawany stycznie do wewnątrz z jednej strony, a pierścieniowa membrana jest zainstalowana na przeciwległym końcu, a schłodzona część przepływu wychodzi z wewnętrznego otworu, a z przerwa pomiędzy zewnętrzna krawędź membrana i wewnętrzna powierzchnia rury - jej gorąca część. Jednak w rzeczywistości nie wszystko jest takie proste – nie zawsze udaje się osiągnąć efektywną separację, a efektywność takich instalacji jest zwykle zauważalnie gorsza od rozpowszechnionych kompresorowych pomp ciepła. Ponadto parametry jednostki z efektem Ranque są zwykle obliczane dla określonej mocy, określonej przez prędkość i natężenie przepływu materiału przepływu początkowego, a gdy parametry przepływu wlotowego odbiegają od wartości optymalnych, sprawność rurka wirowa ulega znacznemu pogorszeniu. Niemniej jednak należy zauważyć, że możliwości niektórych instalacji opartych na efekcie Ranga budzą szacunek – np. rekordowe chłodzenie osiągane na jednym etapie to ponad 200°C!

Biorąc jednak pod uwagę nasz klimat, znacznie większym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie efektu Ranque'a do ogrzewania, a jednocześnie nie chciałbym wychodzić poza „środki improwizowane”.

Istota efektu rangi

Gdy przepływ gazu lub cieczy porusza się wzdłuż gładko obracającej się powierzchni rury, w pobliżu jej zewnętrznej ściany tworzy się obszar podwyższonego ciśnienia i temperatury, a obszar obniżonej temperatury i ciśnienia tworzy się w pobliżu wewnętrznej (lub w środek wnęki, jeśli gaz jest wirowany nad powierzchnią cylindrycznego naczynia). To dobrze znane zjawisko nazywa się efekt rangi pod nazwiskiem francuskiego inżyniera Josepha Ranka, który odkrył go w 1931 r. (G.J. Ranque, czasem piszą „Ranke”), lub efekt Ranga-Hilscha(Niemiec Robert Hilsh kontynuował badania nad tym efektem w drugiej połowie lat 40. XX wieku i poprawił wydajność rury wirowej Rank). Konstrukcje wykorzystujące efekt Ranque są rodzajem pompy ciepła, której energia do pracy pobierana jest z dmuchawy, która powoduje przepływ płynu roboczego na wlocie rury.

Paradoks efektu rang polega na tym, że siły odśrodkowe w wirującym strumieniu są skierowane na zewnątrz. Jak wiadomo, cieplejsze warstwy gazu lub cieczy mają mniejszą gęstość i powinny wznosić się ku górze, a w przypadku sił odśrodkowych - kierują się do środka, zimniejsze mają większą gęstość i odpowiednio powinny dążyć do obrzeży. Tymczasem w wysoka prędkość przepływ obrotowy, wszystko dzieje się dokładnie odwrotnie!

Efekt Ranque'a objawia się zarówno dla przepływu gazu, jak i dla przepływu cieczy, która, jak wiadomo, jest praktycznie nieściśliwa i dlatego adiabatyczny współczynnik sprężania/rozprężania nie ma do niego zastosowania. Niemniej jednak w przypadku cieczy efekt Ranque'a jest zwykle znacznie mniej wyraźny - być może z tego powodu, a bardzo mała średnia droga swobodnej cząstek utrudnia jego zamanifestowanie. Ale to prawda, jeśli pozostaniemy w ramach tradycyjnej teorii kinetyki molekularnej, a efekt może mieć zupełnie inne przyczyny.

Moim zdaniem na ten moment najbardziej kompletny i rzetelny naukowy opis efektu Ranga przedstawia artykuł A.F. Gutsola (w formacie pdf). Co zaskakujące, w istocie jego konkluzje dotyczące istoty zjawiska pokrywają się z tymi uzyskanymi przez nas „na palcach”. Niestety pomija pierwszy czynnik (adiabatyczne sprężanie gazu w promieniu zewnętrznym i rozszerzanie w promieniu wewnętrznym), który moim zdaniem ma duże znaczenie przy stosowaniu gazów ściśliwych, choć działa tylko wewnątrz urządzenia. A drugi czynnik AF Gutsol nazywa „oddzieleniem szybkich i wolnych mikroobjętości”.