Eficiența unui motor cu combustie externă stirling. Care sunt problemele producerii unui motor Stirling cu eficiență ridicată

Ciclul Stirling este considerat un accesoriu indispensabil al motorului Stirling. În același timp, un studiu detaliat al principiilor de funcționare ale numeroaselor modele create până în prezent arată că o parte semnificativă a acestora are un ciclu de lucru diferit de ciclul Stirling. De exemplu, alfa-stirling cu pistoane de diferite diametre are un ciclu mai similar cu ciclul Ericsson. Configurațiile beta și gamma, având un diametru suficient de mare la pistonul de deplasare, ocupă, de asemenea, o anumită poziție intermediară între ciclurile Stirling și Ericsson.

Când deplasatorul se mișcă în configurație beta, starea fluidului de lucru nu se schimbă de-a lungul izohorei, ci de-a lungul unei linii înclinate intermediare între izoar și izobar. Cu un anumit raport dintre diametrul tijei și diametrul total al dislocatorului, se poate obține un izobar (acest raport depinde de temperaturile de funcționare). În acest caz, pistonul, care a fost anterior muncitor, joacă doar un rol auxiliar, iar tija dislocatoare devine un adevărat muncitor. Puterea specifică a unui astfel de motor este de aproximativ 2 ori mai mare decât în \u200b\u200bturnații convenționale, mai mică decât pierderea de frecare, deoarece presiunea pe piston este mai uniformă. O imagine similară în alfa-sterling cu diametre diferite ale pistonului. Un motor cu o diagramă intermediară poate avea o sarcină distribuită uniform între pistoane, adică între pistonul de lucru și tija de deplasare.

Un avantaj important al funcționării motorului în ciclul Ericsson sau aproape de acesta este faptul că izochorul este înlocuit de un izobar sau un proces apropiat de acesta. Odată cu extinderea fluidului de lucru de-a lungul izobarului, nu există modificări de presiune, nici transfer de căldură, cu excepția transferului de căldură de la recuperator la fluidul de lucru. Și această încălzire face imediat funcții utile.Cu compresia izobară, căldura este transferată la schimbătorul de căldură.
  În ciclul Stirling, atunci când fluidul de lucru este încălzit sau răcit de-a lungul izochorei, pierderi de căldură apar din cauza proceselor izoterme în încălzitor și răcitor.

configurație

Inginerii clasifică motoarele Stirling în trei tipuri diferite:

• Alpha Stirling - conține două pistoane de putere separate în butelii separate. Un piston este fierbinte, celălalt la rece. Un cilindru cu piston fierbinte este situat într-un schimbător de căldură cu o temperatură mai ridicată, în timp ce un cilindru cu piston rece se află într-un schimbător de căldură mai rece. Pentru acest tip de motor, raportul dintre putere și volum este destul de mare, dar, din păcate, temperatura ridicată a pistonului „la cald” creează anumite probleme tehnice.

Regeneratorul este situat între partea fierbinte a conductei de conectare și frig.

• Beta Stirling  - există un singur cilindru, fierbinte de la un capăt și rece de la celălalt. În interiorul cilindrului, se deplasează un piston (din care se elimină puterea) și un „dislocator”, care modifică volumul cavității fierbinți. Gazul este pompat din partea rece a cilindrului la fierbinte prin intermediul regeneratorului. Regeneratorul poate fi extern, ca parte a unui schimbător de căldură sau poate fi combinat cu un piston care se deplasează.

• Gamma Stirling  - există, de asemenea, un piston și un „dislocator”, dar în același timp doi cilindri sunt unul rece (un piston se deplasează de acolo, din care este îndepărtată puterea), iar al doilea este fierbinte de la un capăt și rece de celălalt (un „dislocator” se deplasează acolo). Regeneratorul poate fi extern, în acest caz conectează partea fierbinte a celui de-al doilea cilindru la rece și simultan la primul (rece) cilindru. Regeneratorul intern face parte din discul.

Există, de asemenea, varietăți ale motorului Stirling care nu se încadrează în cele trei tipuri clasice de mai sus:

• Motor rotativ rotativ  - problemele de etanșeitate au fost rezolvate (brevetul lui Mukhin pentru o intrare de rotație strânsă (GVV), o medalie de argint la expoziția internațională Eureka-96 de la Bruxelles) și greutăți (nu există un mecanism de manivelă, deoarece motorul este rotativ).

deficiențe

• Consumul de materiale  - Principalul dezavantaj al motorului. Pentru motoarele cu combustie externă, în general, și în special pentru motorul Stirling, fluidul de lucru trebuie să fie răcit, iar acest lucru duce la o creștere semnificativă a parametrilor de masă dimensionali ai centralei datorită creșterilor caloriferelor.

• Pentru a obține caracteristici comparabile cu caracteristicile ICE, este necesar să se aplice presiuni mari (peste 100 atm) și tipuri speciale de fluid de lucru  - hidrogen, heliu.

• Căldura nu este furnizată direct lichidului de lucru, dar numai prin pereții schimbătorilor de căldură. Pereții au o conductivitate termică limitată, motiv pentru care eficiența este mai mică decât s-ar putea aștepta. Un schimbător de căldură caldă funcționează în condiții de transfer de căldură foarte intense și la presiuni foarte mari, ceea ce necesită utilizarea de materiale de înaltă calitate și costisitoare. Crearea unui schimbător de căldură care să satisfacă cerințele contradictorii este foarte dificilă. Cu cât este mai mare zona de transfer de căldură, cu atât este mai mică pierderea de căldură. Aceasta crește dimensiunea schimbătorului de căldură și volumul fluidului de lucru care nu este implicat în lucrare. Deoarece sursa de căldură este situată în exterior, motorul răspunde lent la modificările fluxului de căldură furnizat cilindrului și nu poate da imediat puterea necesară la pornire.

• Pentru a schimba rapid puterea motorului, se folosesc metode care sunt diferite de cele utilizate în motoarele cu ardere internă:  capacitatea de tampon a unui volum variabil, o modificare a presiunii medii a fluidului de lucru în camere, o modificare a unghiului de fază între pistonul de lucru și discul. În ultimul caz, reacția motorului la acțiunea de control a șoferului este aproape instantanee.

Beneficiile

Cu toate acestea, motorul Stirling prezintă avantaje care îi forțează dezvoltarea.

• Motor omnivor  - la fel ca toate motoarele cu ardere externă (sau mai bine zis, furnizarea de căldură externă), motorul Stirling poate funcționa de aproape orice diferență de temperatură: de exemplu, între diferite straturi de apă din ocean, de la soare, de la un încălzitor nuclear sau izotop, o sobă de cărbune sau lemn, etc. .
• Simplitatea construcției  - proiectarea motorului este foarte simplă, nu necesită sisteme suplimentare, cum ar fi un mecanism de distribuție a gazelor. Începe independent și nu are nevoie de starter. Caracteristicile sale vă permit să scăpați cutia de viteze. Cu toate acestea, după cum am menționat mai sus, are un consum mai mare de materiale.
• Resurse crescute  - simplitatea designului, absența multor unități „delicate” permite Stirling să ofere o resursă inedită pentru alte motoare în zeci și sute de mii de ore de funcționare continuă.
• economie  - în cazul conversiei energiei solare în energie electrică, stirling-urile conferă uneori eficiență mai mare (până la 31,25%) decât motoarele cu aburi.
• Motor liniștit  - Stirling nu are evacuare, ceea ce înseamnă că nu face zgomot. Beta-sterlină cu mecanism rombic este un dispozitiv perfect echilibrat și, cu o calitate suficient de ridicată a fabricației, nici măcar nu are vibrații (amplitudinea vibrației este mai mică de 0,0038 mm).
• Prietenie cu mediul  - Stirling în sine nu are părți sau procese care pot contribui la poluarea mediului. Nu consumă lichid de lucru. Protectia ecologica a motorului se datoreaza in primul rand prietenei de mediu a sursei de caldura. De asemenea, este de remarcat faptul că este mai ușor să asigurați o combustie completă a combustibilului într-un motor cu ardere externă decât într-un motor cu ardere internă.

cerere

Motor cu rotor alternativ liniar

Motorul Stirling se aplică în cazurile în care este necesar un convertor de energie termică compact, simplu de proiectat sau când eficiența altor motoare termice este mai mică: de exemplu, dacă diferența de temperatură nu este suficientă pentru funcționarea unei turbine cu abur sau cu gaz.

Termoacustica - o secțiune de fizică privind conversia reciprocă a energiei termice și acustice.  S-a format la joncțiunea termodinamicii și acusticii. De aici numele. Această știință este foarte tânără. Ca disciplină independentă, a apărut la sfârșitul anilor 70 ai secolului trecut, când elvețianul Nikalaus Rott și-a încheiat lucrarea pe fundamentele matematice ale termoacusticii liniare. Și totuși nu a apărut de la zero. Apariția sa a fost precedată de descoperiri cu efecte interesante, pe care pur și simplu trebuie să le luăm în considerare.

CU CE INCEPE
  Termoacustica are o istorie lungă, care datează de mai bine de două secole în urmă.

Primele înregistrări oficiale ale vibrațiilor generate de căldură au fost făcute de Higgins în 1777. El a experimentat cu un tub de sticlă deschis în care vibrațiile acustice erau excitate cu un arzător de hidrogen situat într-un anumit fel. Această experiență a trecut în istorie ca „flacăra Higgins cântătoare”.

Figura 1. Cântarea flăcării Higgins

  Cu toate acestea, fizicienii moderni sunt mai conștienți de un alt experiment numit „tubul Rijke”. În timpul experimentelor sale, Rijke a creat un nou instrument muzical dintr-un tub de organ. El a înlocuit flacăra de hidrogen Higgins cu un ecran de sârmă încălzit și a arătat experimental că cel mai puternic sunet este produs atunci când ecranul este situat la o distanță de un sfert din tub de la capătul său inferior. Oscilațiile au încetat atunci când capătul superior al tubului a fost acoperit. Acest lucru a dovedit că tracțiunea convectivă longitudinală este necesară pentru a produce sunet. Lucrările lui Higgins și Rijke au servit ulterior ca bază pentru originea științei combustiei, care se aplică astăzi oriunde se folosește acest fenomen

Figura 2. Tubul Rijke.

arde bombe de pulbere la motoarele rachetă. Mii de disertații din întreaga lume sunt dedicate fenomenelor care au loc în tubul Rijke, dar până acum interesul pentru acest dispozitiv nu a scăzut.

În 1850, Sondhauss a apelat la fenomenul ciudat pe care îl observă fanii de sticlă în activitatea lor. Atunci când o bombă sferică de sticlă fierbinte conduce aerul în capătul rece al tubului suflantului de sticlă, este generat un sunet clar. Analizând fenomenul, Sondhauss a constatat că sunetul este generat prin încălzirea unei îngroșări sferice la capătul tubului. În acest caz, sunetul se schimbă odată cu modificarea lungimii tubului. Spre deosebire de tubul Rijke, tubul Sondhauss nu depindea de tracțiune convectivă.

Figura 3. Tubul Sondhauss.

Un experiment similar a fost realizat mai târziu de Taconis. Spre deosebire de Sondhauss, el nu a încălzit capătul tubului, ci l-a răcit cu un lichid criogenic. Acest lucru a dovedit că diferența de temperatură nu este importantă pentru generarea sunetului.
  Prima analiză calitativă a oscilațiilor provocate de căldură a fost dată în 1887 de Lordul Rayleigh. Explicația fenomenelor de mai sus formulate de Rayleigh este cunoscută acum de termoacustică drept principiul Rayleigh. Suna ceva de genul acesta: „Dacă căldura este transferată la gaz în momentul celei mai mari compresiuni sau căldura este eliminată la momentul celei mai mari descărcări, aceasta stimulează oscilațiile. ”În ciuda simplității sale, această formulare descrie pe deplin efectul termoacustic direct, adică conversia energiei termice în energie sonoră.

Efect de vârtej

Efect de vârtej  (Efectul Rank-Hills, ing. Efect Ranque-Hilsch) - efectul separării gazului sau lichidului în timpul răsucirii într-o cameră cilindrică sau conică în două fracții. Pe periferie se formează un flux de vârtej cu o temperatură mai ridicată și un flux răcit în vânt în centru, iar rotația în centru are loc într-o direcție diferită decât pe periferie. Efectul a fost descoperit pentru prima dată de inginerul francez Joseph Rank, la sfârșitul anilor 1920, când a măsurat temperatura într-un ciclon industrial. La sfârșitul anului 1931, J. Rank a depus o cerere pentru un dispozitiv inventat, pe care l-a numit „Vortex Tube” (găsit în literatura de specialitate drept tubul Ranke). Este posibil să se obțină un brevet doar în 1934 în America (Brevetul SUA nr. 1952281). În prezent, o serie de dispozitive au fost implementate care utilizează efectul vortex al dispozitivelor vortex. Acestea sunt „camere vortex” pentru separarea chimică a substanțelor sub acțiunea forțelor centrifuge și „tuburilor vortex” utilizate ca sursă de frig.

Începând cu anii 1960, mișcarea vortexului a făcut obiectul multor studii științifice. Conferințe specializate cu privire la efectul vortex sunt organizate în mod regulat, de exemplu, la Universitatea Aerospațială Samara.

Generatoare de căldură și microconditionatoare Vortex există și sunt utilizate.

Există lucruri strălucitoare, de neînțeles și complet ireale în această lume. Atât de nerealiste încât par a fi artefacte dintr-un univers paralel. Printre artefacte, împreună cu motorul Stirling, un tub de radio vid și pătratul negru al lui Malevich, așa-numitul Turbina Tesla.
  În general, simbolul tuturor acestor lucruri este simplitatea absolută. Nu simplitate, ci simplitate. Adică, ca în lucrările lui Michelangelo - totul este de prisos, unele „backup-uri” tehnice sau semantice, o conștiință pură întrupată „în fier” sau stropită pe pânză. Și cu toate acestea, absența circulației absolute. Piața Neagră este un fel de „ort” al artei. Nu poate exista o secundă scrisă de un alt artist.

Toate acestea se aplică pe deplin turbinei Tesla. Din punct de vedere structural, este format din mai multe (10-15) discuri subțiri montate pe axa turbinei la o distanță mică unul de celălalt și plasate într-o carcasă asemănătoare cu un fluier al poliției.

Nu merită să explic faptul că rotorul de disc este mult mai avansat și mai fiabil din punct de vedere tehnologic decât chiar „roata de lavală”; am tăcere despre rotorii turbinelor obișnuite. Acesta este primul avantaj al sistemului. Al doilea este că, spre deosebire de alte tipuri de turbine, unde sunt necesare măsuri speciale pentru laminarea fluxului fluidului de lucru. În turbina Tesla, fluidul de lucru (care poate fi aer, abur sau chiar lichid) curge strict laminar. Prin urmare, pierderea de frecare dinamică a gazului în acesta este redusă la zero: eficiența turbinei este de 95%.

Adevărul trebuie avut în vedere că eficiența turbinei și eficiența ciclului termodinamic sunt lucruri oarecum diferite. Eficiența unei turbine poate fi caracterizată ca raportul dintre energia convertită în energie mecanică de pe axul rotorului turbinei și energia ciclului de lucru (adică diferența dintre energiile inițiale și cele finale ale fluidului de lucru). Deci, eficiența turbinelor moderne cu abur este, de asemenea, foarte ridicată - 95-98%, dar eficiența ciclului termodinamic, datorită unui număr de limitări, nu depășește 40-50%.

Principiul de funcționare a turbinei se bazează pe faptul că fluidul de lucru (de exemplu, gaz), răsucit în carcasă, datorită frecării, „transportă” rotorul împreună cu ea. În același timp, oferind o parte a energiei rotorului, gazul încetinește și datorită forței Coriolis care rezultă din interacțiunea cu rotorul, acesta „se rostogolește” ca niște pescăruși de ceai până la axa rotorului, unde există deschideri speciale prin care este îndepărtat fluidul de lucru „cheltuit”.
  Turbina Tesla, la fel ca turbina Laval, transformă energia cinetică a fluidului de lucru. Adică conversia energiei potențiale (de exemplu, aer comprimat sau abur supraîncălzit) în energie cinetică trebuie făcută înainte ca turbina să fie alimentată rotorului cu ajutorul unei duze. Cu toate acestea, turbina Laval, având, în ansamblu, o eficiență destul de ridicată, s-a dovedit a fi extrem de ineficientă la revoluții scăzute, ceea ce a făcut necesară proiectarea reductorilor ale căror dimensiuni și masă erau de multe ori mai mari decât dimensiunile și masele turbinei în sine. Diferența fundamentală între turbina Tesla este aceea că funcționează destul de eficient într-o gamă largă de viteze de rotație, ceea ce vă permite să conectați direct arborele acesteia la generator. În plus, turbina Tesla este ușor de inversat.

Interesant, Nikola Tesla însuși a poziționat invenția sa ca o modalitate de utilizare extrem de eficientă a energiei geotermale, pe care a considerat-o energia viitorului. În plus, o turbină fără alterații se poate transforma într-o pompă de vid extrem de eficientă - este suficient să desfaceți arborele acesteia de o altă turbină sau motor electric.

Eficiența tehnologică a turbinei Tesla face posibilă producerea variantelor sale din orice literal: un rotor de disc poate fi realizat din CD-uri vechi sau „clătite” de pe un „hard disk” de pe computerul eșuat. În același timp, puterea unui astfel de motor, în ciuda materialelor și dimensiunilor „jucăriei”, este foarte impresionantă. Vorbind despre dimensiuni: motor de 110 CP nu a fost mai mult decât unitatea de sistem a computerului personal actual.

Dispozitive de rang

Efectul Rank a atras inventatorii de la bun început prin aparenta simplitate a implementării tehnice - de fapt, cea mai simplă implementare tub de vortex este o bucată din țeava cea mai obișnuită, în care fluxul inițial este introdus tangențial în ea dintr-o parte, iar la capătul opus este instalată o diafragmă inelară și o parte răcită a fluxului iese din orificiul său intern, iar partea sa fierbinte iese din golul dintre marginea exterioară a diafragmei și suprafața interioară a conductei. . Cu toate acestea, în realitate nu este atât de simplu - este departe de a fi întotdeauna posibil să se realizeze o separare eficientă, iar eficiența acestor instalații este de obicei vizibil inferioară pompelor de căldură cu compresor. În plus, parametrii instalației bazate pe efectul Rank sunt de obicei calculate pentru o putere specifică, determinată de viteza și debitul substanței fluxului inițial, iar când parametrii fluxului de intrare se abat de la valorile optime, eficiența tubului vortex se deteriorează semnificativ. Cu toate acestea, trebuie menționat că capacitățile unor instalații bazate pe efectul Rank inspiră respect - de exemplu, răcirea record înregistrată la o etapă este mai mare de 200 ° C!

Cu toate acestea, ținând cont de climatul nostru, utilizarea efectului Rank pentru încălzire prezintă un interes mult mai mare și aș dori, de asemenea, să nu depășesc domeniul de aplicare al „mijloacelor improvizate”.

Esența efectului Rank

Atunci când un flux de gaz sau lichid se deplasează de-a lungul unei suprafețe de întoarcere lină a conductei, la peretele său exterior se formează o suprafață de presiune și temperatură crescută, iar la interior (sau în centrul cavității se formează o zonă de temperatură și presiune scăzută), dacă gazul este răsucit de-a lungul suprafeței unui vas cilindric). Acest fenomen destul de cunoscut se numește efect de rang  pe numele inginerului francez Joseph Rank, care l-a descoperit în 1931 (G.J. Ranque, uneori scriu „Ranke”) sau efectul Rank-Hills  (Germanul Robert Hilsh a continuat să studieze acest efect în a doua jumătate a anilor 1940 și a îmbunătățit eficiența tubului vortex al lui Rank). Structurile care utilizează efectul Rank sunt un tip de pompă de căldură, a cărei energie este funcționată dintr-un supraalimentator care creează un flux de fluid de lucru la intrarea conductei.

Paradoxul efectului Rank este că forțele centrifugale din fluxul rotativ sunt direcționate spre exterior. După cum știți, straturile mai calde de gaz sau lichid au o densitate mai mică și ar trebui să se ridice în sus, iar în cazul forțelor centrifuge trebuie să tinde spre centru, cele mai reci au o densitate mai mare și, în consecință, ar trebui să tindă la periferie. Între timp, cu o viteză mare a unui flux rotativ, totul se întâmplă exact invers!

Efectul Rank se manifestă atât pentru debitul de gaz, cât și pentru debitul de lichid, care, după cum știți, este practic incompresibil și, prin urmare, factorul de compresie / expansiune adiabatic nu i se aplică. Cu toate acestea, în cazul unui lichid, efectul Rank este de obicei mult mai puțin pronunțat - poate din acest motiv, iar calea liberă medie foarte scurtă a particulelor face dificilă manifestarea. Dar acest lucru este adevărat dacă rămâneți în cadrul teoriei cinetice moleculare tradiționale, iar efectul poate avea motive complet diferite.

În opinia mea, momentan cea mai completă și mai fiabilă descriere științifică a efectului Rank este prezentată într-un articol de A.F. Gutsola (în format pdf). Surprinzător, în centrul său, concluziile sale despre esența fenomenului coincid cu cele pe care le-am primit „pe degete”. Din păcate, el ignoră primul factor (compresia adiabatică a gazului la raza exterioară și expansiunea la interior), care, în opinia mea, este foarte semnificativ atunci când se utilizează gaze comprimabile, deși acționează doar în interiorul dispozitivului. Iar cel de-al doilea factor A.F. Gutsol numește „separarea microvolumelor rapide și lente”.

Astăzi despre motorul Stirling.
  (multe video interesante)
  Partea 1
  Pentru atât de mulți, nu se știe ce este, așa că va exista multă teorie.
  Această invenție minunată este denumită și un motor cu ardere externă.
  Pistonul de lucru este umplut cu aer sau gaz și se aplică căldură din exterior.
  Deci benzina nu este necesară pentru un astfel de motor, poate funcționa la tot ceea ce produce căldură, soare, lemn de foc, cărbune, gaz, petrol, combustibil nuclear. În orice caz, unde puteți obține diferența de temperatură, există modele care funcționează chiar și din căldura mâinii.

  Funcționarea motorului de la căldura cupei:

Este suficient să spunem că frigiderele, pompele de căldură și aparatele de aer condiționat sunt, de fapt, și motoarele Stirling, care funcționează doar în sens invers.

Instalații solare industriale unde lumina solară este concentrată pe fluidul de lucru al motorului creând o diferență uriașă de temperatură.
  Puterea unor astfel de instalații ajunge la 50-70 kW.

Eficiența acestor motoare poate fi de la 5 la modelele obișnuite până la 70% pentru versiunile industriale care operează sub o presiune de 300 de atmosfere, care este cu 50-70% mai mare decât motoarele cu ardere internă. Este suficient să spunem că pe navele spațiale și cele mai noi submarine, motoarele Stirling sunt utilizate.

Acesta este un motor dezvoltat de NASA pentru lucrul în spațiu, putere 2500 kW.
  fluid de lucru în hidrogen la o presiune de 300 de atmosfere.

Apoi se pune întrebarea: de ce este această minune o invenție care nu merită să o merite în fiecare casă și curte,
  Când este suficient să introduceți lichidul de lucru într-un foc obișnuit și să vă bucurați de prezența electricității? Cred că răspunsul este evident, atât timp cât există ulei și cei care îl dețin în uz normal, nu îl vom vedea.
  Pentru a controla rezervele de petrol, războaiele sunt dezlănțuite și statele întregi sunt șterse.
  Cred că nu surprinde pe nimeni faptul că Statele Unite nu aduc democrație decât în \u200b\u200bacele țări în care există producție de petrol, Siria, Kuweit, Irak, Libia, Iran, Sudan, Pakistan și așa mai departe.
  Și, din anumite motive, nu există niciun interes pentru alte regimuri dictatoriale.

Asta au fost versurile.
  Se vinde un motor Stirling fabricat industrial în scopuri interne, dar prețul său este absolut nerezonabil în regiunea de 20-25 mii de dolari, cu o putere de 5-7 kW.
  Probabil nu sunt prea mulți doritori.

Doar recent, o companie germană care produce cazane de încălzire pentru uz casnic a primit licența pentru instalarea motoarelor cu un generator de curent liniar în produsele sale.
  Cu o putere termică de 16-20 kW. (aceasta este aproximativ încălzirea unei case cu o suprafață de 120-150 metri)
  tot excesul de căldură nu iese în conductă, ci este transformat în energie electrică de aproximativ 2 kW.
  Dimensiunea unui astfel de convertor este ca un termos de 3 litri.
  Este dificil să spui cât vor costa astfel de cazane, dar dacă ai un astfel de convertor,
  problema alimentării cu energie electrică ar fi rezolvată. Puneți lichidul de lucru într-un foc sau cutie de foc și asta este!
  Ne putem imagina cum dependența de energie ar fi răsturnat, dacă în fiecare casă de cazane care furnizează căldură pentru a încălzi zone întregi, Stirlings uriași de înaltă presiune ar fi fost în cuptoare. Poate că pentru întregul sezon de încălzire a fost posibil să nu depindem de centrale.
  Și, de fapt, cine va aduce mega profituri companiilor generatoare?

De vânzare puteți găsi modele frumoase, funcționale Stirling,
  dar modelele sunt foarte scumpe, de exemplu, cel din fotografie costă 32.000 de ruble.

Video despre munca lor:

Fotografii cu modele de casă

Video despre activitatea motoarelor de casă:

Lucrează chiar și de la soare:

Unitate mai avansată și puternică răcită cu apă:

Un video interesant al lucrării modelului școlii:

Nu suntem răsfățați cu modele industriale.
  Dar nimeni nu poate interzice să creeze un astfel de motor pe cont propriu, deși va fi mult mai puțin fiabil și productiv decât designul industrial, dar va fi omnivor, iar acest lucru este exact ceea ce avem nevoie.
  Pentru cei care au găurit și au găsit ulei în grădina lor, acest subiect nu este pentru tine,
  căutați circuite de cuburi de distilare.)))

Povestea.
Motorul lui Stirling a fost brevetat pentru prima dată de preotul scoțian Robert Stirling la 27 septembrie 1816. Principiul de bază al motorului Stirling este alternarea constantă a încălzirii și răcirii fluidului de lucru într-un cilindru închis.
  De menționat că primul Stirling industrial a funcționat la o fabrică mecanică, acționând un ciocan mecanic timp de 80 de ani.
  În 1843, James Stirling a folosit acest motor într-o fabrică unde lucra ca inginer la acea vreme. În 1938, Philips a investit într-un motor Stirling cu o putere de peste două sute de cai putere și un randament de peste 30%. Motorul Stirling are multe avantaje și a fost răspândit în epoca motoarelor cu abur.
  Practic, există trei varietăți ale motorului stirling.

Alpha-Stirling - conține două pistoane de putere separate în butelii separate. Un piston este fierbinte, celălalt la rece. Un cilindru cu piston fierbinte este situat într-un schimbător de căldură cu o temperatură mai ridicată, în timp ce un cilindru cu piston rece se află într-un schimbător de căldură mai rece. Pentru acest tip de motor, raportul dintre putere și volum este destul de mare, dar, din păcate, temperatura ridicată a pistonului „la cald” creează anumite probleme tehnice.

  Regeneratorul este situat între partea fierbinte a conductei de conectare și frig.

Beta-Stirling este doar un cilindru, fierbinte pe un capăt și rece pe celălalt. În interiorul cilindrului, se deplasează un piston (din care se elimină puterea) și un „dislocator”, care modifică volumul cavității fierbinți. Gazul este pompat din partea rece a cilindrului la fierbinte prin intermediul regeneratorului. Regeneratorul poate fi extern, ca parte a unui schimbător de căldură sau poate fi combinat cu un piston care se deplasează.

Gamma-Stirling are, de asemenea, un piston și un „dislocator”, dar doi cilindri sunt unul rece (un piston se deplasează de acolo pentru a elimina puterea), iar celălalt este cald de la un capăt și rece de celălalt (un „dislocator” se deplasează acolo). Regeneratorul poate fi extern, în acest caz conectează partea fierbinte a celui de-al doilea cilindru la rece și simultan la primul (rece) cilindru. Regeneratorul intern face parte din discul.

Dezavantaje marcante:
  Principalul dezavantaj al motorului este consumul de materiale. Pentru motoarele cu ardere externă, în general, și în special pentru motorul Stirling, fluidul de lucru trebuie să fie răcit, iar acest lucru duce la o creștere semnificativă a parametrilor de masă dimensionali ai centralei datorită creșterilor caloriferelor.
Pentru a obține caracteristici comparabile cu caracteristicile ICE, este necesar să se aplice presiuni mari (peste 100 atm) și tipuri speciale de fluid de lucru - hidrogen, heliu.
  (aici da, nu vom avea voie să ne submarinăm sau cu o navă spațială)
  Căldura nu este furnizată direct lichidului de lucru, ci doar prin pereții schimbătorilor de căldură. Pereții au o conductivitate termică limitată, motiv pentru care eficiența este mai mică decât s-ar putea aștepta. Un schimbător de căldură fierbinte funcționează în condiții de transfer de căldură foarte intense și la presiuni foarte mari, ceea ce necesită utilizarea de materiale de înaltă calitate și costisitoare. Crearea unui schimbător de căldură care să satisfacă cerințele contradictorii este foarte dificilă. Cu cât este mai mare zona de transfer de căldură, cu atât este mai mică pierderea de căldură. Aceasta crește dimensiunea schimbătorului de căldură și volumul fluidului de lucru care nu este implicat în lucrare. Deoarece sursa de căldură este situată în exterior, motorul răspunde lent la modificările fluxului de căldură furnizat cilindrului și nu poate da imediat puterea necesară la pornire.
  Pentru a schimba rapid puterea motorului, se folosesc metode care sunt diferite de cele utilizate în motoarele cu ardere internă: o capacitate tampon de volum variabil, o schimbare a presiunii medii a fluidului de lucru din camere, o schimbare a unghiului de fază între pistonul de lucru și discul. (inerție, și asta este exact ceea ce avem nevoie pentru generator.)

avantaje:
  Cu toate acestea, motorul Stirling prezintă avantaje care îi forțează dezvoltarea.
  Eficiența motorului Stirling poate atinge 65-70% din eficiența ciclului Carnot cu un nivel modern de tehnologie de proiectare și fabricație. În plus, cuplul motorului este aproape independent de viteza de rotație a arborelui cotit. La motoarele cu ardere internă, dimpotrivă, cuplul maxim se realizează într-o gamă restrânsă de viteze de rotație.
  „Omnivorousness” al motorului este ca toate motoarele cu ardere externă (sau mai bine zis, furnizarea de căldură externă), motorul Stirling poate funcționa de aproape orice diferență de temperatură: de exemplu, între diferite straturi de apă din ocean, de la soare, de la un încălzitor nuclear sau izotop, o cărbune sau o sobă de lemn și t. d.
  Motorul nu va fi „capricios” din cauza pierderii de scânteie, carburator înfundat sau baterie scăzută, deoarece nu are aceste unități. Termenul de „motor blocat” nu are sens pentru Stirlings. Stirling se poate opri dacă sarcina o depășește pe cea calculată. Reînceperea se realizează printr-o singură viraj a volanului arborelui cotit.
Simplitatea proiectării - proiectarea motorului este foarte simplă, nu necesită sisteme suplimentare, cum ar fi un mecanism de distribuție a gazelor. Începe independent și nu are nevoie de starter. Caracteristicile sale vă permit să scăpați cutia de viteze. Cu toate acestea, după cum am menționat mai sus, are un consum mai mare de materiale.
  Resursa crescută - simplitatea designului, absența multor unități „delicate” permite stirling-ului să ofere o resursă fără precedent pentru alte motoare în zeci și sute de mii de ore de funcționare continuă.
  Rentabilitate - în cazul conversiei energiei solare în energie electrică, stirlings uneori oferă o eficiență mai mare (până la 31,25%) decât motoarele cu aburi.
  Arderea combustibilului are loc în afara volumului intern al motorului (spre deosebire de motorul cu ardere internă), ceea ce permite o combustie uniformă a combustibilului și după arderea completă a acestuia (adică selectarea energiei maxime conținute în combustibil și minimizarea emisiilor de componente toxice).
  Proiectarea motorului nu are un sistem de aprindere de înaltă tensiune, un sistem de supape și, în consecință, un arbore cu came. Motorul Stirling proiectat și fabricat corespunzător tehnologic nu necesită ajustare și reglare pe întreaga durată de viață.
  Motor silențios - Stirling nu are evacuare, ceea ce înseamnă că nu face zgomot. Beta-sterlină cu mecanism rombic este un dispozitiv perfect echilibrat și, cu o calitate suficient de ridicată a fabricației, nici măcar nu are vibrații (amplitudinea vibrației este mai mică de 0,0038 mm).
  Prietenia cu mediul - în sine, stirling-ul nu are părți sau procese care pot contribui la poluarea mediului. Nu consumă lichid de lucru. Protectia ecologica a motorului se datoreaza in primul rand prietenei de mediu a sursei de caldura. De asemenea, este de remarcat faptul că este mai ușor să se asigure o combustie completă a combustibilului într-un motor cu ardere externă decât într-un motor cu ardere internă.

submarine
Avantajele Stirling au dus la faptul că, chiar și în prima jumătate a anilor 1960, directoarele navale au indicat posibilitatea instalării motoarelor Stirling nevolatile în submarine fabricate din Suedia de tip Schörmen. Cu toate acestea, nici Schörmen, nici Nakken și Westerjötland care le-au urmat, nu au primit centralele menționate. Și abia în 1988, submarinul principal al tipului Nakken a fost convertit pentru motoarele Stirling. Cu ei a mers sub apă mai mult de 10.000 de ore. Cu alte cuvinte, suedezii au deschis epoca sistemelor auxiliare de propulsie anaerobă în construcțiile navale subacvatice. Și dacă Nakken este prima navă experimentală a acestei subclase, submarinele de tip Gotland au devenit primele bărci de producție cu motoare Stirling care le permit să rămână sub apă continuu până la 20 de zile. În prezent, toate submarinele marinei suedeze sunt echipate cu motoare Stirling, iar constructorii de nave suedeze au elaborat deja tehnologia echipării submarinelor cu aceste motoare prin tăierea unui compartiment suplimentar în care se află noul sistem de propulsie. Motoare similare sunt instalate și în ultimele submarine japoneze.

Una dintre aplicațiile netradiționale ale motorului Stirling este medicina. Este utilizat în sistemele de inimă artificială. De regulă, radioizotopii sunt sursa de energie în astfel de sisteme.

Un exemplu de utilizare a unui motor pentru răcirea unui procesor

Pentru noi, avantajele acestei tehnologii sunt că o persoană competentă va putea reproduce proiectarea acelor materiale care vor fi la îndemână, dar pentru o construcție de înaltă calitate și durabilă, trebuie să vă gândiți la ea în avans, astăzi.
  Pentru fiecare persoană, un astfel de motor poate fi o sursă de energie.
  Dacă așezarea este mai mult de 30-50 de oameni, atunci puteți veni cu un stoker
  primind electricitate. Și energia electrică este TOTUL.
  Pompe, producție de apă, iluminat, securitate perimetrală, funcționare a sculelor electrice, electrocasnice, un computer cu date colectate, în general, un fortăreț al civilizației.
  Un video interesant al entuziaștilor care restabilesc motoarele Stirling
  cu succes la începutul secolului trecut.

Ce vreau să spun în concluzie.
  Cel mai probabil, motorul Stirling este un panaceu în perioada BP pentru energie,
  atât electrice cât și mecanice.
  Deoarece nu este legat de soare, care strălucește în timpul zilei, iar electricitatea este necesară noaptea,
  Mai mult, atunci când este nevoie de lumină cel mai mult iarna, nori trădători atârnă luni întregi pe cer.
Nu este legat de vânt, care bate când vrea și cum vrea, nu știu despre tine, am suficient vânt care sufla 20 de zile pe an.
  Nu este atașat de benzină și ulei, poate în Tyumen și puteți ajunge în partea de jos a uleiului dacă doriți,
  cu noi doar dacă săpați direct în depozitele din Venezuela.
  Nu este atașat de presiunea și de curgerea apei și este bine pentru cineva care se află la poalele dintre râuri și pâraie, cea mai apropiată apă mare de la mine este strict spre nord de-a lungul orizontului de 12 km sau strict de 40 de metri.

Stirling ne-a oferit invenția sa unică care poate și trebuie realizată.
  Convenabilitate, fiabilitate, omnivoare, cum ar fi o sobă convențională sau o cămin de foc.
  Principalul lucru este să aruncați lemne de foc în cuptor, sau cărbune, cineva de genul acesta.

Vă mulțumim pentru atenție, pentru a fi continuat ...

1. Se pare că eficiența teoretică poate fi egală cu eficiența ciclului ideal Carnot (adică maximul posibil, la o anumită diferență de temperatură), dar în condițiile unui regenerator „ideal”, cu un coeficient de transfer de căldură de 1,0. Aici nu este clar. Unele surse scriu că coeficientul maxim este 0,5, justificând că căldura se va transfera de la un corp fierbinte la unul rece până când temperatura lor este egală, adică vor atinge jumătate din diferența de temperatură dintre corpurile calde și cele reci (același coeficient este de 0,5). Dar unele surse menționează coeficientul de transfer de căldură al regeneratorului până la 0,98, în timp ce nu descrie modul în care se realizează acest lucru. Acolo unde este adevărul, nu este clar.
  2. Alpha-Stirling (doi cilindri cu pistoane - la cald și la rece) are probleme la lubrifierea pistonului fierbinte. Atunci de ce tocmai acest tip este popular?
  3. Betta-stirlig (un cilindru, cu un deflector în partea fierbinte și un piston la rece) și gamma-stirling (doi cilindri - fierbinte cu un dislocator și rece cu un piston) nu au probleme de ungere, deoarece frecarea împotriva pereților este doar în cilindrul rece iar dislocatorul are o distanță de pereții cilindrului și nu are nevoie de ungere. Adică, astfel de motoare pot funcționa cu o diferență mare de temperatură, ceea ce înseamnă cu o eficiență ridicată. Dar, din anumite motive, sunt considerate mai puțin promițătoare decât alfa-stirling.

În plus, un indicator important care afectează eficiența este timpul ciclului (numărul de rotații) - cu cât este mai mare, cu atât transferul de căldură și eficiență mai mare. Dar, în același timp, există o „cursă pentru vânzări”, care este justificată prin marketing, altele decât interesele de marketing. Adică, un motiv precum „pierderile din cutia de viteze la viteze mici” nu deține apa - astfel de pierderi sunt calculate doar ca procent, iar creșterea eficienței poate fi mai mare de 10-30%. Prin urmare, se pare că dezvoltatorii urmăresc mai multe caracteristici precum densitatea și viteza de putere pentru a contracara „stirling”-ul ICE, iar eficiența este sacrificată.

Dar puteți părăsi cursa cu ICE în transport și să vă concentrați pe motoarele staționare ale Stirling, lucrând pentru a crește eficiența acestora și pentru a reduce costul proiectării. Funcționând cu orice tip de combustibil, inclusiv energia solară, aceste motoare pot concura, în viitor, cu panouri solare. Și au perspective bune în domeniul energiei regenerabile, inclusiv combustibilul din lemn, care este „restaurat” datorită energiei solare în câteva decenii. Și din nou, natura omnivoră a acestor motoare face posibilă crearea de centrale electrice (inclusiv cele interne) de tip combinat - atâta timp cât există soare, funcționează din energia solară, când nu, apoi pe combustibil solid.

Adevărat, obținerea unei eficiențe ridicate nu este singura direcție pentru care merită să luptați, motoarele Stirling au un alt dezavantaj - întrucât sursa de căldură este în afara volumului motorului, iar fluidul de lucru (gaz) are o conductivitate termică scăzută, se dovedește că acesta ia parte la lucrări numai gazul situat la pereții cilindrilor. Aceasta înseamnă că raportul dintre creșterea puterii și creșterea volumului cilindrului este invers cvadratic. Adică, pentru a crește puterea de 5 ori, este necesar să crești volumul cilindrului de 25 de ori.
  De aceea, în zorii „stirlingului”, motoarele mai mult sau mai puțin puternice erau chiar mai masive decât motoarele cu aburi cu aceeași putere. Acum această problemă este rezolvată prin pomparea motorului cu gaz sub presiune ridicată, adică masa fluidului de lucru crește cu același volum. Dar această cale este, de asemenea, un punct mort - în motoare mai mult de un cuplu de litri, din nou, există aceeași problemă, raportul cvadratic între creșterea volumului și creșterea puterii. Iar problemele cu scurgerea fluidului de lucru la presiuni de 100-200 atmosfere sunt greu de rezolvat.

În acest context, o altă soluție pare mai promițătoare - acela de a face ca tot gazul din interiorul motorului să funcționeze, indiferent de volum. O astfel de soluție, în ciuda simplității implementării, a fost propusă de curând (sursa - http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) - pentru a pune o pompă sau un ventilator care să creeze fluxuri de gaz în interiorul motorului. Și, prin analogie cu ventilatorul care suflă la calorifer, rata de răcire a pereților cilindrilor cu gazul de lucru al motorului va crește, iar participarea maximă a acestui gaz la lucrări va fi asigurată, indiferent de dimensiunea cilindrului. În teorie, acest lucru ar trebui să impulsioneze dezvoltarea motoarelor Stirling, deoarece vă permite să creați versiuni destul de simple și puternice ale acestor motoare.
  Și dacă nu urmărim dimensiunile generale ale ICE-urilor auto, atunci poate în curând vom auzi despre motoarele care folosesc lemnul sau energia solară cu o eficiență de 60-70%. Și chiar dacă nu pot concura în dimensiune cu motorul cu ardere internă, dar pot asigura generarea de energie electrică ieftină. Iar acest lucru, la rândul său, poate contribui la creșterea fezabilității economice a vehiculelor electrice. Ei bine, și în combinație cu cazanele de piroliză care câștigă popularitate, aceasta poate duce la o autonomie completă în furnizarea de energie a locuințelor (în special locuințe noi, care necesită o cantitate considerabilă pentru conectarea la conductele de electricitate și gaz).

Ceva de genul ăsta. Mă voi bucura să aud critici pentru calculele mele.

Mulți sunt interesați de principiul funcționării motorului Stirling și nu numai din curiozitatea inactivă, ci și pentru că dacă nu înțelegeți baza acțiunii sale, este foarte dificil să faceți un model de lucru. Această publicație detaliază și, pe cât posibil, succint, oferă un răspuns la această întrebare. Și clar, totul este prezentat în tutorialul video cu toate schemele.

În acest magazin chinezesc puteți găsi un generator minunat.

Luați în considerare mai întâi

Motorul în sine este format dintr-un cilindru în care deplasatorul se mișcă și dintr-un al doilea cilindru în care rulează pistonul de lucru. Pereții laterali ai unui cilindru mare nu conduc la căldură. Partea superioară este rece, partea inferioară este caldă. Când discul este în jos, blocând placa fierbinte, aerul este răcit și comprimat brusc, retrăgând pistonul de lucru (verde în video).

Când deplasatorul se mișcă în sus, blochează placa rece, aerul de pe placa de jos se încălzește brusc, se extinde (de la încălzire) și deplasează pistonul verde de lucru în sus.

Principiul de funcționare al motorului Stirling la temperatură înaltă

Părțile din stânga și din dreapta ale cilindrului nu se ating între ele. Între ele este un izolator termic. Când discul este pe partea stângă, deplasează tot aerul cald spre dreapta, aerul se răcește, aspirând pistonul de lucru. Când deplasatorul se îndreaptă spre dreapta, expulzează tot aerul în camera fierbinte, aerul se încălzește, se extinde și deplasează pistonul de lucru spre dreapta. Pistonul de lucru și discul sunt conectate printr-un arbore cotit cu o deplasare de 90 de grade. În continuare, ciclul se repetă.

Pentru a înțelege în sfârșit principiul funcționării motorului Stirling, trebuie să asamblați structura sa de lucru și, în procesul de reglare fină, să-l îmbunătățiți și să-l testați cu diferite configurații.
  Pentru cea mai simplă înțelegere a legilor prin care funcționează motorul, faceți acest lucru:
  - faceți un cilindru cu un deflector;
  - instalați un balon de cauciuc în locul unui piston de lucru;
  - Nu setați încă volanul;
  - încălziți partea inferioară a dispozitivului, răciți partea superioară și începeți să schimbați poziția dislocatorului;
  - dacă încercați să ridicați discul în sus - mingea se va umfla brusc;
  - dacă coborâți discul în jos - mingea se dezumflă.
  Astfel, acești pași simpli vor arăta clar cum se întâmplă totul în mecanismul motorului.
  - Apoi, înlocuiți balonul cu un piston;
  - pistonul ar trebui să se miște liber, dar totul trebuie ajustat astfel încât să nu lase aerul să treacă;
  - ungeți pistonul cu unsoare siliconică;
  - faceți aceleași acțiuni care au fost efectuate anterior cu mingea, dar cu pistonul;
  - observați cursa pistonului, fixați-l în intrările din caietul de lucru pentru a calcula cursa (îndoirea) arborelui cotit;
  - faceți o volană, tija de conectare, arbore cotit și tot, motorul Stirling este gata!
  - testează în sfârșit dispozitivul terminat.

Puncte importante dacă faceți singur motorul

1. Pereții cilindrului în care merge discul trebuie să fie făcuți astfel încât să nu conducă la căldură.
  2. O margine a cilindrului este rece, cealaltă este fierbinte. Cu cât este mai mare diferența de temperatură, cu atât este mai mare eficiența.
  3. Ar trebui să existe un decalaj între pereții cilindrului și discul (3 mm este suficient), astfel încât aerul să poată scurge din camera rece în camera caldă.
  4. Nu trebuie să existe scurgeri de aer (minimizați-le). Acesta este unul dintre motivele principale care împiedică motorul să funcționeze.
  5. Scoateți toată frecarea la maximum. Folosește grăsime siliconică - dă un rezultat foarte bun.
  Noroc în creativitate tehnică!

Cum să adaptați un generator de curent pentru acest motor. Și iată un alt model pe care îl puteți asambla acasă.

Cum funcționează motoarele Stirling?

Timp de aproape 200 de ani, motoarele termice, cunoscute cu numele inventatorului lor, au fost cunoscute sub numele de motoare Stirling. Inventatorul lor a lucrat la construirea celui mai eficient sau optim motor de căldură de lucru. Stirling a abordat problema într-un mod destul de științific. Adică, motorul (circulația sa teoretică) a fost analizat și verificat computerizat înainte de construirea prototipului. Totul în teorie părea foarte promițător. În principiu, încă se presupunea că acestea ar trebui să fie unul dintre cele mai eficiente motoare termice. Atunci de ce nu călătorim cu mașini care folosesc Stirling, în ciuda numeroaselor avantaje ale acestora?

Un desen al unui motor Stirling dintr-un brevet original din 1816. Sursa: Wikimedia Commons,.

Pentru a obține o putere utilă de la un motor cu piston, acesta trebuie să dezvolte un cuplu suficient de mare sau să obțină o viteză mare de rotație. Motoarele stirling nu ating viteze mari de rotație, așa că haideți să ne uităm la punct. Practic, va depinde de forța care acționează asupra pistonului, iar aceasta, la rândul său, de presiunea fluidului de lucru din cursa de lucru și de suprafața pistonului care funcționează. Aceste considerente simplificate ne vor ajuta să înțelegem problemele structurale ale motoarelor Stirling. Pentru ca motorul să fie mai mare decât modelul de pe masă, trebuie să fie imens - să aibă un piston cu diametru mare sau pistonul trebuie să fie sub presiune ridicată în timpul cursei.

Un model tipic „desktop” al unui motor Stirling de la începutul secolelor XX și XXI. Diametrul volanului: aproximativ 30 mm. Ar trebui inclusă în grupul așa-numitelor „gadgeturi”.

Istoria motorului Stirling în secolul al XIX-lea

La începutul secolului al XIX-lea, motoarele erau folosite în principal pentru conducerea mașinilor (de exemplu, pompe în mine, acționări ale mașinilor centrale în fabrici), iar motoarele ar putea fi uriașe. Pe ordinea de zi, au fost indicați cilindrii de lucru cu un diametru mai mare de 0,5-1 m. În ciuda acestui fapt, motoarele cu aburi de la Watt au câștigat competiția pentru motoarele Stirling. Adevărat, motoarele Stirling au fost mai simple în ceea ce privește proiectarea și manipularea, însă motoarele cu aburi, inclusiv întregul sistem (camera cazanelor) și toate deficiențele lor, însă, au fost mai eficiente (citiți: mai ieftin de utilizat) și au furnizat mai multă putere. Chiar și în sistemele mobile precum nave și trenuri (în Anglia și Scoția la mijlocul secolului 19, rețeaua de căi ferate era deja dezvoltată), motoarele cu abur erau mult mai bune.

Incepand cu 1860 motorul industrial. Motorul prezentat, produs de Ericsson, a implementat un ciclu Stirling modificat, numit după creatorul său Eriksson  . Sursa: Wikimedia Commons, Vasárnapi Ujság, 1861/8 .

Desigur, motoarele Stirling erau folosite aici și acolo, dar nu au dominat piața. Mai mult, motoarele Stirling instalate au fost adesea înlocuite cu motoare cu aburi, iar cele rămase erau deja considerate rarități și aplicații de nișă. În Europa, poate cele mai cunoscute motoare Stirling de la începutul secolului XIX și XX au fost cele utilizate în ... pompele de acvariu. Unul dintre cei mai faimoși producători de astfel de motoare în această perioadă a fost compania Louis heinrici .

Familia de motoare Stirling de la Louis Heinrici. Ilustrație din catalogul companiei din 1914. Sursa: Wikimedia Commons,

Dar înapoi la subiect. La sfârșitul secolului XIX, au apărut motoarele cu combustie internă, mai întâi cu gaz, apoi cu combustibil lichid. În plus, motoarele electrice au apărut și în motoarele auto. Teoretic, motoarele Stirling ar trebui să fie cele mai bune dintre toate (indiferent ce înseamnă acest lucru), prin urmare, tot timpul lumea științei și tehnologiei le-a fost interesată periodic de ele. Deoarece construcția de motoare Stirling uriașe în secolul al XIX-lea și-a pierdut sensul, s-au încercat construirea de motoare mici, dar cu o presiune ridicată a fluidului de lucru, astfel încât sistemele de motoare create să fie competitive cu motoarele cu ardere internă. Vârful de funcționare pe astfel de motoare a avut loc în anii 1950 și 1960. Desigur, a apărut un grup semnificativ de probleme care au fost rezolvate mai mult sau mai puțin cu succes.

Un generator electric disponibil în comerț condus de un motor Philips Stirling de la mijlocul secolului XX (1953). Energie electrică: aproximativ 180 wați. Înălțimea carcasei: aproximativ 0,5 m. Sursa: Wikimedia Commons, Norbert Schnitzler.

Consumul de heliu

În același timp, a apărut ideea de a înlocui factorul de lucru. Până acum, sub sloganul „factorul de lucru” al motoarelor Stirling, am înțeles aerul atmosferic obișnuit. La un moment dat, inginerii și oamenii de știință au pus o întrebare: Există ceva mai bun în ceea ce privește proprietățile termodinamice? Da. Mai mult sau mai puțin din anii 1930, acest gaz a fost vândut comercial în cantități industriale. Acesta este heliu. Utilizarea heliului ca substanță de lucru crește semnificativ eficiența motoarelor Stirling. Cu toate acestea, utilizarea unui factor nou a cauzat probleme complet noi. Heliul este prost păstrat chiar și la temperatura camerei. Adică. datorită particulelor foarte mici, tinde să pătrundă în majoritatea materialelor utilizate în tehnologia capului de oțel. În anii 60 și 70 au fost studiate motoarele cu heliu. Caracteristica lor caracteristică vizibilă în fotografii ... este atașată la motorul unui cilindru de heliu folosit pentru a reumple gazul care iese din motor prin aproape toate elementele sale. Problema era serioasă. Pentru a asigura competitivitatea cu alte sisteme de motoare (adică în principal motoare cu combustie internă), presiunea medie a mediului de lucru în motoarele Stirling a fost de 20 ... 30 bar, iar temperatura părților fierbinți ale motoarelor (încălzitorului) a depășit adesea 500 de grade Celsius (cu o diferență de temperatură de 400 grade). Problemele scurgerii motorului pe heliu nu au fost încă rezolvate practic și economic. Pentru a asigura competitivitatea cu alte sisteme de motoare (adică în principal motoare cu combustie internă), presiunea medie a mediului de lucru în motoarele Stirling a fost de 20 ... 30 bar, iar temperatura părților fierbinți ale motoarelor (încălzitorului) a depășit adesea 500 de grade Celsius (cu o diferență de temperatură de 400 grade). Problemele scurgerii motorului pe heliu nu au fost încă rezolvate practic și economic. Pentru a asigura competitivitatea cu alte sisteme de motoare (adică în principal motoare cu combustie internă), presiunea medie a mediului de lucru în motoarele Stirling a fost de 20 ... 30 bar, iar temperatura părților fierbinți ale motoarelor (încălzitorului) a depășit adesea 500 de grade Celsius (cu o diferență de temperatură de 400 grade). Problemele scurgerii motorului pe heliu nu au fost încă rezolvate practic și economic.

Motoarele Stirling, utilizarea lor la sfârșitul secolului XX

La sfârșitul secolului XX, motoarele Stirling s-au întors din nou. Atât NASA, Departamentul de Stat al SUA, cât și Uniunea Europeană au investit în cercetarea noilor generații de motoare Stirling. Acestea erau destinate în principal sistemelor solare (de exemplu, sursa de căldură trebuia să fie focată pe lumina soarelui pe o oglindă mare parabolică de pe încălzitorul motor). Multe dintre aceste motoare au avut un design inegal.

Un exemplu de proiectare a unui motor Stirling propus de domnul Maciej Zhukash în conformitate cu brevetul P.389415. Proiectul a fost derulat ca parte a unei lucrări de masterat la facultatea SiMR de la Universitatea de Tehnologie din Varșovia (supervizor: prof. Vyaslav Ostapski, doctor, ing.

Ideea acestei idei a fost aceea că întregul motor cu un generator electric trebuie să fie închis într-o cutie sigilată (pentru heliu) care nu poate fi detașată, având în vedere că nu poate fi utilizat pe parcursul întregii sale vieți. Cu toate acestea, de această dată tehnologia a eșuat. Dacă s-au obținut rezultate pozitive, acestea au fost asociate cu costuri prea mari. Ei bine, cele mai obișnuite motoare Stirling din secolul XX au fost fanii desktop-urilor din India, similare structural cu pompele de acvariu menționate anterior ...

Un exemplu de sistem solar cu un generator electric acționat de un motor Stirling.

Din trecut în viitor! În 1817, preotul scoțian Robert Stirling a primit ... un brevet pentru un nou tip de motor, numit mai târziu, precum motoarele diesel, numele inventatorului - stirling. Parohienii unui mic oraș scoțian s-au uitat îndelung și cu o suspiciune evidentă la păstorul lor spiritual. Bineinteles ca ai face! Șuierile și tunetele care pătrundeau pe pereții hambarului, unde tatăl lui Stirling dispărea adesea, puteau confunda nu numai mințile lor temătoare de dumnezeu. Au circulat zvonuri conform cărora în hambar era păstrat un balaur cumplit, pe care sfântul părinte l-a domesticit și hrănit cu lilieci și kerosen.

Dar Robert Stirling, unul dintre cei mai iluminați oameni din Scoția, nu s-a jenat de ostilitatea turmei. Afacerile și grijile lumești l-au ocupat din ce în ce mai mult, în detrimentul serviciului Domnului: pastorul a fost dus ... de mașini.

Insulele britanice în acea perioadă treceau printr-o revoluție industrială: fabricile se dezvoltau rapid. Iar slujitorii de cult nu rămân indiferenți față de venitul enorm care promite un nou mod de producție.

Cu binecuvântarea bisericii și cu ajutorul producătorilor, au fost construite mai multe mașini Stirling, iar cel mai bun dintre ele, în 45 de litri. S., a lucrat trei ani la o mină din Dundi.

Dezvoltarea ulterioară a Stirlings a fost întârziată: în anii 60 ai secolului trecut, noul motor Erickson a intrat în arenă.

Ambele modele aveau multe în comun. Acestea erau motoare cu ardere externă. În ambele mașini, aerul era fluidul de lucru, și în ambele motoare principale se afla regeneratorul, trecând prin care aerul fierbinte evacuat degaja toată căldura. O porțiune proaspătă de aer, care traversează o plasă metalică densă, a îndepărtat această căldură înainte de a intra în cilindrul de lucru.

Conform diagramei din figura 1, este posibil să se urmărească modul în care aerul prin conducta de aspirație 10 și supapa 4 intră în compresorul 3, este comprimat și prin robinetul 5 intră în rezervorul intermediar. În acest moment, bobina 8 închide țeava de evacuare 9, iar aerul prin regenerator intră în cilindrul de lucru 1, încălzit de cuptorul 11. Aici aerul se extinde, făcând o muncă utilă, care este parțial direcționată către pistonul greu de ridicat și parțial pentru a comprima aerul rece în compresorul 3. Pe măsură ce coboară, pistonul împinge aerul de evacuare prin regeneratorul 7 și bobina 8 în conducta de evacuare. Când coborâți pistonul, o porție de aer proaspăt este aspirată în compresor.

1 - cilindru de lucru, 2 - piston; 3 - compresor; 4 - supapă de aspirație; 5 - supapă de descărcare; 6 - rezervor intermediar; 7 - regenerator; 8 - supapa de by-pass; 9 - o țeavă de evacuare; 10 - conducta de aspirație; 11 este un foc.

Atât aceleași, cât și alte modele nu diferă în ceea ce privește rentabilitatea. Dar, din anumite motive, au fost mai multe probleme cu motorul scotianului și a fost mai puțin fiabil decât motorul lui Erickson. Poate de aceea s-au uitat la un detaliu foarte important: cu puteri egale, motorul Stirling era mai compact. În plus, el avea un avantaj semnificativ în termodinamică ...

Compresie, încălzire, expansiune, răcire - acestea sunt cele patru procese principale necesare funcționării oricărui motor de căldură. Fiecare dintre ele poate fi realizat în moduri diferite. Spune, încălzirea și răcirea gazului poate fi efectuată într-o cavitate închisă de volum constant (procedeu izoic) sau sub un piston în mișcare la presiune constantă (procedeu izobar). Compresia sau extinderea gazului poate avea loc la o temperatură constantă (proces izoterm) sau fără schimb de căldură cu mediul (proces adiabatic). Compunând lanțuri închise din diverse combinații de astfel de procese, nu este dificil să obții cicluri teoretice prin care funcționează toate motoarele de căldură moderne. Spune, o combinație de două adiabate și două izochore formează ciclul teoretic al unui motor pe benzină. Dacă înlocuiți izocorul din acesta, de-a lungul căruia se încălzește gazul, cu izobarul - obțineți un ciclu diesel. Doi adiabati si doi izobari vor oferi ciclul teoretic al unei turbine cu gaz. Dintre toate ciclurile imaginabile, combinația a două adiabate și două izoterme joacă un rol deosebit de important în termodinamică, deoarece motorul cu cea mai mare eficiență ar trebui să funcționeze într-un astfel de ciclu - ciclul Carnot.

Dacă în motorul Stirling căldura a fost furnizată prin izocore, atunci în Erickson acest proces a avut loc de-a lungul izobarului, iar procesele de compresie și expansiune au continuat de-a lungul izotermelor.

La începutul secolului nostru, motoarele Erickson de putere mică (aproximativ 10-20 CP) au găsit aplicație în diferite țări. Mii de astfel de instalații au funcționat în fabrici, tipografii, mine și mine, au răsucit puțurile mașinilor, au pompat apa, au ridicat ascensoarele. Sub denumirea de „căldură și forță” erau cunoscuți în Rusia.

S-au încercat realizarea unui motor marin mare, dar rezultatele testului au descurajat nu numai scepticii, ci și Erickson însuși. Spre deosebire de profețiile primului, nava „s-a mișcat” și chiar a traversat Oceanul Atlantic. Dar așteptările inventatorului au fost înșelate: patru motoare cu dimensiunea gigantului în loc de 1000 de litri. a. dezvoltat doar 300 litri. a. Consumul de cărbune s-a dovedit același cu cel al motoarelor cu aburi. În plus, fundele cilindrilor de lucru până la sfârșitul zborului au ars, iar în Anglia motoarele au trebuit să fie îndepărtate și înlocuite în secret cu un motor cu abur convențional. Pe lângă toate nenorocirile de la întoarcerea în America, nava s-a prăbușit și a murit cu întregul echipaj.

1 - piston de lucru 2 - piston-dislocator; 3 - mai rece; 4 - încălzitor; 5 - regenerator; 6 - spațiu rece; 7 - spațiu cald.

După ce a abandonat ideea de a construi „mașini cu calorii mari” de mare putere, Erickson a aranjat producția în masă a motoarelor mici. Cert este că nivelul științei și tehnologiei din acea vreme nu a permis proiectarea și construirea unei mașini economice și puternice.

Dar lovitura principală a lui Erickson a fost provocată de inventatorii motorului cu ardere internă. Dezvoltarea rapidă a motoarelor diesel și a motoarelor cu carburator a făcut uitarea o idee bună.

... A trecut un secol. În anii 30, unul dintre departamentele militare i-a dat instrucțiune lui Philips să dezvolte o centrală cu o capacitate de 200-400 de wați pentru o stație radio în marș. Mai mult, motorul trebuie să fie omnivor, adică să funcționeze cu orice tip de combustibil.

Specialiștii companiei sunt bine pregătiți să funcționeze. Am început cu studii asupra diferitelor cicluri termodinamice și, spre surprinderea mea, am constatat că, teoretic, cel mai economic este motorul Stirling de mult uitat.

Războiul a suspendat cercetările, dar la sfârșitul anilor 40, munca a fost continuată. Și apoi, ca urmare a numeroase experimente și calcule, s-a făcut o nouă descoperire - o buclă închisă în care sub o presiune de aproximativ 200 atm. fluidul de lucru circula (hidrogen sau heliu, având cea mai mică vâscozitate și cea mai mare capacitate de căldură). Adevărat, după ce au închis ciclul, inginerii au fost nevoiți să aibă grijă de răcirea artificială a fluidului de lucru. Deci a existat un cooler care nu a fost la primele motoare de ardere externă. Și deși încălzitorul și mai rece, oricât de compacte ar fi, fac ca stirling-ul să fie mai greu, dar îi spun o calitate foarte importantă.

Izolați de mediul extern, ei sunt practic independenți de acesta. Stirling poate funcționa din orice sursă de căldură peste tot: sub apă, subteran, în spațiu - adică acolo unde motoarele cu ardere internă care au nevoie de aer nu pot funcționa. În astfel de condiții, în principiu, nu pot fi dispensate încălzitoarele și răcitoarele care transferă căldura prin perete. Și apoi Stirling și-a bătut rivalii, chiar și în greutate. În primele prototipuri, greutatea specifică pe unitatea de putere a fost de aproximativ 6-7 kg pe litru. cu., cum ar fi dizelii navelor. Șuvițele moderne au un raport și mai mic - 1,5-2 kg pe litru. a. Sunt și mai compacte și mai ușoare.

Deci, circuitul a devenit dublu-circuit: un circuit cu un agent de lucru și al doilea - alimentarea cu căldură; acest lucru a făcut posibilă aducerea consumului de energie la 200 de litri. a. per litru de volum de lucru și eficiență - până la 38-40 la sută. Pentru comparație: modern

motoarele diesel au o eficiență 34-38 la sută, iar motoarele cu carburator - 25-28. În plus, procesul de ardere a combustibilului la Stirling este continuu, iar acest lucru reduce brusc toxicitatea - prin producerea de monoxid de carbon de 200 de ori, prin oxidul nitric - cu 1-2 ordine de mărime. Aici poate, una dintre soluțiile radicale ale problemei poluării aerului urban.

Partea de lucru a modernului Stirling este un volum închis umplut cu gaz de lucru (Fig. 2). Partea superioară a volumului este fierbinte, este încălzită continuu. Cea inferioară este rece, este răcită constant de apă. În același volum - un cilindru cu doi pistoane: un dislocator și un muncitor. Când pistonul urcă, gazul din volum este comprimat; în jos - în expansiune. Prin deplasarea în sus și în jos a pistonului de deplasare, gazele încălzite și răcite sunt distribuite alternativ. Când pistonul de deplasare se află în poziția superioară (într-un spațiu cald), cea mai mare parte a gazului este deplasată în zona rece. În acest moment, pistonul de lucru începe să se miște și comprimă gazul rece. Acum, pistonul de deplasare se grăbește în jos pentru a contacta pistonul de lucru, iar gazul rece comprimat este pompat în spațiul cald. Extinderea gazului încălzit este o lovitură. O parte din energia cursei de lucru este stocată pentru compresia ulterioară a gazului rece, iar excesul se duce la arborele motorului.

Regeneratorul se află între spații reci și calde. Când gazul cald extins este pompat în partea rece prin mișcarea pistonului care se deplasează, acesta trece printr-un pachet dens de fire subțiri de cupru și le oferă căldura conținută în ea. În timpul cursei de întoarcere, aerul rece comprimat, înainte de a intra în partea fierbinte, preia această căldură înapoi.

1 - injector de combustibil; 2 - evacuarea gazelor răcite, 3 - încălzitor de aer; 4 - evacuare gaz fierbinte; 5 - spațiu cald; 6 - regenerator; 7 - cilindru; 8 - tuburi răcitoare; 9 - spațiu rece; 10 - piston de lucru; 11 - unitate rombică; 12 - camera de ardere; 13 - tuburi de încălzire; 14 - piston-dislocator; 15 - admisie de aer pentru arderea combustibilului; 16 - cavitate tampon.

Desigur, într-o mașină reală, totul nu pare atât de simplu (Fig. 3). Este imposibil de încălzit rapid gazul printr-un perete gros al cilindrului, pentru aceasta este nevoie de o suprafață de încălzire mult mai mare. De aceea, partea superioară a volumului închis se transformă într-un sistem de tuburi subțiri încălzite de flacăra duzei. Pentru a utiliza caldura produselor de ardere cât mai complet posibil, aerul rece furnizat cu duza este preîncălzit cu gaze de evacuare - apare un circuit de combustie destul de complicat.

Partea rece a volumului de lucru este, de asemenea, un sistem de tuburi în care este pompată apa de răcire.

Sub pistonul de lucru se află o cavitate tampon închisă umplută cu gaz comprimat. În timpul loviturii, presiunea în această cavitate crește. Energia stocată în acest caz este suficientă pentru a comprima gazul rece în volumul de lucru.

Pe măsură ce s-au îmbunătățit, temperatura și presiunea au crescut incontrolabil. 800 ° Celsius și 250 atm. - Aceasta este o sarcină foarte dificilă pentru proiectanți, este căutarea unor materiale deosebit de durabile și rezistente la căldură, o problemă de răcire dificilă, deoarece generarea de căldură în comparație cu motoarele clasice este de una și jumătate la două ori mai mare.

Rezultatele acestor experimente duc uneori la cele mai neașteptate descoperiri. De exemplu, specialiștii Philips, care își desfășoară motorul la ralanti (fără încălzire), au observat că chiulasa este foarte răcită. Întâmplător, efectul descoperit a dus la o serie de dezvoltări și, ca urmare, la nașterea unei noi mașini frigorifice. Acum, astfel de unități frigorifice de înaltă performanță și de dimensiuni mici sunt utilizate pe scară largă în întreaga lume. Dar înapoi la motoarele de căldură.

Evenimentele ulterioare cresc ca un bulgăre de zăpadă. În 1958, odată cu achiziția de licențe de către alte firme, Stirling a pășit peste mări. A început să fie testat în diverse domenii ale tehnologiei. Un proiect este în derulare pentru a utiliza un motor pentru a alimenta echipamente de nave spațiale și sateliți. Pentru stațiile radio de câmp, sunt create centrale care funcționează cu orice tip de combustibil (cu o capacitate de aproximativ 10 CP), care au un nivel de zgomot atât de scăzut încât nu poate fi auzit în 20 de pași.

O senzație uriașă a fost cauzată de o instalație demonstrativă care funcționează pe douăzeci de tipuri de combustibil. Fără a opri motorul, prin simpla rotire a robinetului, benzina, motorina, motorina, uleiul de măsline și gazele combustibile au fost alternativ introduse în camera de ardere, iar mașina „a mâncat” perfect orice „furaj”. În presa externă au apărut rapoarte despre proiectarea motorului pentru 2,5 mii de litri. a. cu un reactor nuclear. Eficiența estimată 48-50%. Toate dimensiunile unității de alimentare sunt reduse semnificativ, ceea ce permite ca greutatea și suprafața eliberată să fie date sub protecția biologică a reactorului.

O altă dezvoltare interesantă este o acțiune pentru o inimă artificială care cântărește 600 g și o putere de 13 wați. Un izotop slab radioactiv îi oferă o sursă de energie aproape inepuizabilă.

Motorul Stirling a fost testat pe unele mașini. În ceea ce privește parametrii de funcționare, acesta nu a fost inferior carburatorului, iar nivelul de zgomot și toxicitatea de evacuare au fost semnificativ reduse.

O mașină cu stirling poate funcționa pe orice tip de combustibil și, dacă este necesar - pe o topire. Imaginează-ți: înainte de a intra în oraș, șoferul pornește arzătorul și topește mai multe kilograme de oxid de aluminiu sau hidrură de litiu. Merge pe străzile orașului „fără fum”: motorul funcționează pe căldură stocată de topitură. Una dintre companii a fabricat un scuter, în rezervorul din care sunt turnate aproximativ 10 litri de fluorură de litiu topită. Această încărcare este suficientă pentru 5 ore de funcționare cu o putere a motorului de 3 litri. a.

Lucrările la Stirling continuă. În 1967, a fost fabricat un prototip al unei instalații pilot de 400 de litri. a. pe un cilindru. Un program cuprinzător este în derulare, potrivit căruia, până în 1977, este prevăzută producția în masă a motoarelor cu o putere de 20 ... 380 litri a. În 1971, Philips a lansat un motor industrial de 200 litri cu patru cilindri. a. cu o greutate totală de 800 kg. Poziția sa este atât de mare încât moneda pusă pe marginea carcasei (la dimensiunea unui nichel) este nemișcată.

Avantajele unui nou tip de motor includ o durată de viață mare de aproximativ 10 mii de ore. (există date separate pentru 27 de mii) și funcționarea lină, deoarece presiunea în butelii crește lin (de către un sinusoid), și nu prin explozii, precum un motor diesel.

O dezvoltare promițătoare a noilor modele se realizează alături de noi. Oamenii de știință și inginerii lucrează la cinematica diferitelor opțiuni, folosind calculatoare electronice pentru a calcula diferite tipuri de „inimă”, un regenerator stirling. Se desfășoară o căutare a noilor soluții de inginerie care vor sta la baza motoarelor economice și puternice, care pot înlocui motoarele diesel și motoarele pe benzină convenționale, corectând astfel eroarea de istoric nedrept.

A. ALEKSEEV

Ați observat o greșeală? Selectați-l și apăsați Ctrl + Enter să ne anunțe.