Principiul de funcționare al generatorului stirling. Deci, care sunt problemele creării unui motor Stirling de înaltă eficiență

O nouă sursă importantă de energie mecanică pentru conducerea unei mașini este motorul Stirling. Este aproape necunoscut, există doar prototipurile sale, deci nu puteți oferi decât o descriere sumară a principiului și funcționării sale. În forma sa originală, a existat ca o mașină de expansiune termică, în cilindrul căreia corpul de lucru de exemplu, aerul a fost răcit înainte de comprimare și încălzit înainte de expansiune. Diagrama și principiul de funcționare ale unui astfel de motor sunt prezentate în Fig. 1.

În partea superioară a cilindrului 1 există o manta de răcire cu apă 2, iar partea inferioară a cilindrului este încălzită constant de flacără. Cilindrul conține un piston de lucru 3 etanșat inele de pistonși conectat printr-o bielă la arborele cotit (în fig arbore cotit nereprezentat). Între partea de jos a cilindrului și pistonul de lucru există un piston cu deplasare 4, care se deplasează în cilindru cu decalaj mare... Aerul prins în cilindru este pompat prin acest spațiu de către dispozitivul de deplasare 4 fie la fundul pistonului de lucru, fie la fundul încălzit al cilindrului. Dispozitivul de deplasare este acționat de tija 5 care trece prin garnitura din piston și este acționat de un mecanism excentric care se rotește cu un unghi de întârziere de aproximativ 90 ° comparativ cu mecanismul de acționare al pistonului de lucru.

În poziția a, pistonul se află la BDC (centrul mort inferior) și aerul răcit de pereții cilindrului este prins între acesta și deplasator. În faza următoare b, deplasatorul se deplasează în sus, iar pistonul rămâne la BDC. Aerul dintre ele este împins prin spațiul dintre deplasator și cilindru până la fundul cilindrului și este răcit de pereții cilindrului. Faza c funcționează, în timpul căreia aerul este încălzit de fundul fierbinte al cilindrului, se extinde și împinge ambii pistoane până la TDC (punctul mort superior).

După finalizarea cursei de lucru, dispozitivul de deplasare revine în poziția inferioară în partea de jos a cilindrului și împinge aerul prin spațiul dintre pereții cilindrului în camera de sub piston, în timp ce aerul este răcit de pereți. În poziția r aer rece pregătit pentru comprimare și pistonul de lucru se deplasează de la TDC la BDC. Întrucât munca cheltuită în comprimarea aerului rece este mai mică decât munca efectuată în expansiunea aerului cald, apare o lucrare utilă. Volanta servește ca acumulator de energie necesară pentru compresia aerului.

În versiunea descrisă, motorul Stirling avea cea mai mică eficiență, deoarece căldura conținută în aer după cursa de lucru trebuia îndepărtată în lichidul de răcire prin pereții cilindrului. Aerul în timpul unei curse de piston nu a avut timp să se răcească suficient și a fost necesar să se mărească timpul de răcire, în urma căruia turația motorului a fost, de asemenea, scăzută. , care depinde, după cum sa menționat mai devreme, de diferența dintre temperaturile maxime și minime ale ciclului de funcționare, a fost, de asemenea, mic. Căldura aerului evacuat a fost descărcată în apa de răcire și s-a pierdut complet.

Motorul Stirling a fost îmbunătățit semnificativ de Philips (Olanda). În primul rând, a fost utilizat un regenerator extern de căldură, prin care aerul a fost pompat din partea superioară a cilindrului în cea inferioară sub acțiunea unui deplasator. Un radiator a fost conectat în serie la regeneratorul din circuitul extern. Regeneratorul acumulează căldura aerului care intră în camera rece după expansiune. Când aerul curge în direcția opusă, acumulatorul îi redă căldură. Acest lucru mărește diferența dintre temperaturile maxime și minime ale ciclului, iar căldura trebuie îndepărtată de sistemul de răcire. Radiatorul situat în spatele regeneratorului elimină doar o parte din această căldură, restul este stocat în acumulator și este utilizat din nou. Ca urmare, nu numai că se îmbunătățește Eficiența motorului, dar crește și viteza maximă de rotație, ceea ce afectează puterea și greutatea specifică a motorului. Căldura din gazele de eșapament din preîncălzitor este utilizată pentru a crește temperatura aerului proaspăt furnizat camerei sale de ardere. Proiectul descris al motorului este prezentat în Fig. 2.

În poziția a, aerul este comprimat și atunci când se deplasează în partea superioară a cilindrului este încălzit mai întâi în regenerator și apoi în încălzitor. În poziția b, tot aerul este deplasat din spațiul dintre cele două pistoane și face lucrarea deplasând ambii pistoane în poziția inferioară. În poziția B, după ce lucrarea este terminată, pistonul de lucru rămâne în poziția inferioară, iar deplasatorul 1 începe să împingă aerul din partea superioară a cilindrului în spațiul dintre pistoane prin regenerator, în care aerul degajă o parte semnificativă a căldurii sale și a radiatorului, unde aerul este răcit și mai adânc. În ultima fază a ciclului d, aerul este răcit și forțat din partea superioară a cilindrului în spațiul dintre pistoane, unde este comprimat.

Compresia aerului rece, intrarea acestuia prin regenerator și radiator în partea superioară a cilindrului, expansiunea și răcirea ulterioară a aerului reprezintă ciclul de funcționare. Cilindrul menține o masă constantă de aer, astfel încât cilindrul funcționează fără evacuare. Orice sursă de căldură poate fi utilizată pentru încălzire. În schema luată în considerare, se utilizează un cazan pe combustibil lichid; conţinut Substanțe dăunătoare depinde de exhaustivitatea combustiei în camera de ardere a cazanului. Deoarece acest lucru creează un mod combustie continuă la o temperatură relativ scăzută și un exces mare de aer, este posibil să se realizeze arderea completăși mic.

Avantajul motorului Stirling este, de asemenea, că poate funcționa nu numai pe o varietate de combustibili, ci face posibilă utilizarea diferitelor tipuri de surse de căldură. Aceasta înseamnă că motorul nu depinde de prezența atmosferei. Poate funcționa la fel de bine în spații închise atât pe submarine, cât și pe sateliți. Când utilizați un acumulator de căldură cu LiF, căldura este furnizată motorului printr-o conductă de căldură, așa cum se arată în Fig. 3.

În partea de jos a Fig. 2 prezintă un mecanism de acționare rombic care controlează mișcarea ambelor pistoane. Pentru acționare, se utilizează două arbori cotiți, conectați printr-o pereche de roți dințate și care se rotesc în direcții opuse. Capetele tijei de deplasare 1 și ale tijei pistonului gol 2 sunt conectate prin intermediul unor tije de legătură separate la ambii arbori cotiți. Dacă manivelele ambelor arborele cotit sunt înăuntru poziția superioarăși deplasați-vă din poziția a în poziția b, apoi bielele pistonului de lucru 2 sunt în apropierea TDC și se deplasează ușor în apropierea TDC. Bielele deplasatorului care se deplasează în această fază a ciclului se deplasează în jos și pistonul se deplasează, de asemenea, cu cea mai mare viteză de la poziția a la poziția b.

Direcția opusă de rotație a celor două arborele cotit face posibilă plasarea pe ele a contragreutăților necesare pentru a echilibra forțele inerțiale de ordinul întâi și momentele lor din masele alternative care există în motoarele monocilindrice și în linie.

Mecanismul rombic are, de asemenea, avantajul că bielele transferă simetric forțele de la tije ale pistonului la arborele cotit, iar forțele laterale nu apar în rulmenți și etanșările pistonului. Acesta din urmă este foarte important, deoarece pentru funcționarea motorului cu eficiență bună este necesară o presiune ridicată de lucru.

Cu mecanismele convenționale ale manivelei, presiunile ridicate ale pistonului și unghiurile mari de deviere ale bielei generează forțe laterale mari care acționează asupra pistonului și provoacă pierderi mari de frecare și uzură mare. Prin folosirea unui mecanism de încrucișare sau a unui mecanism rombic, acest fenomen negativ este eliminat și se poate realiza o bună etanșare a pistoanelor.

Pentru a preveni ca tijele să transfere forțe mari către lagărele principale și de bielă ale arborelui cotit, sub pistonul de lucru se menține o contrapresiune egală cu presiunea medie de lucru din cilindru, aceasta este de aproximativ 20 MPa.

La reglarea puterii motorului Stirling apar dificultăți semnificative. Schimbarea puterii rezultată din modificarea cantității de combustibil furnizate încălzitorului este nesemnificativă. Un rezultat mai vizibil poate fi obținut prin schimbarea presiunii sau a cantității de fluid de lucru. Această metodă de control al puterii este utilizată la un motor Stirling. Pentru a reduce puterea, o parte din gazul din butelii este ocolit în rezervor. presiune scăzută; pentru a crește puterea, gazul este furnizat buteliilor din rezervor presiune ridicata, unde este pre-pompat de un compresor special dintr-un rezervor de joasă presiune. Pentru motoarele cu piston dublă acțiune pentru a reduce puterea, gazul este ocolit din partea de sus a pistonului în partea de jos printr-un canal special. Transfer de la toata puterea La inactiv durează 0,2 s; procesul invers durează aproximativ 0,6 s.

Pentru a menține pierderile de frecare mici ale gazului la trecerea prin canalele înguste ale regeneratorului și radiatorului, se folosește heliu și, de asemenea, încearcă să utilizeze hidrogen. Pentru a reduce dimensiunea și greutatea, patru cilindri cu piston cu acțiune dublă din motorul de a doua generație sunt poziționați așa cum se arată în fig. 9. În loc de arbore cotit unitatea aplicată a plăcii swash. Prezența unei presiuni ridicate a gazelor pe ambele părți ale pistonului asigură transmiterea doar unei mici diferențe de presiune către șaibă. Deoarece într-un motor Stirling toată căldura eliminată este transferată lichidului de răcire, radiatorul acestui motor trebuie să fie de 2 ori mai mare decât cel al motoarelor convenționale. combustie interna.

De exemplu, luați în considerare două motoare Stirling. Motor cu patru cilindri prima generație cu mecanism rombic, prezentată în fig. 10, are un diametru al cilindrului de 77,5 mm, o cursă a pistonului de 49,8 mm (deplasare 940 cm 3), dezvoltă o putere de 147 kW la 3000 min -1 și o presiune medie a cilindrului de aproximativ 22 MPa. Temperatura chiulasei este menținută la aproximativ 700 ° C și temperatura lichidului de răcire la 60 ° C. Greutatea uscată a motorului este de 760 kg. Start receși încălzirea motorului până când temperatura chiulasei ajunge la 700 ° C durează aproximativ 20 de secunde. La o temperatură a apei de 55 ° C, eficiența indicatorului motorului pe bancul de testare a ajuns la 35%. Puterea specifică este de 156 kW / dm 3, iar greutatea specifică pe unitate de putere este de 5,2 kg / kW.

O secțiune schematică a celei de-a doua generații a motorului Stirling a modelului Philips 4-215 DA, destinată unui autoturism, este prezentată în Fig. 9. Motorul are aproximativ aceleași dimensiuni și greutate ca o benzină obișnuită motor nou, iar puterea sa este de 127 kW. Patru cilindri cu pistoane cu acțiune dublă sunt situate în jurul axei arborelui de acționare a plăcii rotative. Cazanul de preîncălzire, comun tuturor celor patru cilindri, are o duză. Pe un Ford Torino (SUA), consumul de combustibil cu acest motor a fost cu 25% mai mic decât la un motor pe benzină cu 8 cilindri în formă de V. Conținutul de NOx din gazele de eșapament ale sistemului de preîncălzire, datorită utilizării recirculării acestora, a fost mult mai mic decât norma stabilită.

Diametrul cilindrului motorului Philips 4-215 DA este de 73 mm, cursa pistonului este de 52 mm. Puterea motorului 127 kW la o viteză de 4000 min -1. Temperatura încălzitorului (temperatura chiulasei) este de 700 ° C și temperatura lichidului de răcire este de 64 ° C.

Firma suedeză United Sterling și-a proiectat motorul Stirling în așa fel încât să poată profita la maximum de piesele produse în serie. industria auto... Se utilizează un arborele cotit convențional și o bielă, care, împreună cu traversa, transformă arborele în mișcare de rotație mișcare de translație piston cu efect dublu. O vedere în secțiune a acestui motor în V cu patru cilindri este prezentată în fig. 11. Rândurile de cilindri sunt situate la un unghi ușor, capetele cilindrilor formează un grup comun, încălzit de un arzător.

Greutatea specifică estimată a acestui motor este de 2,4 kg / kW, care poate fi comparată cu performanța unui motor diesel de mare viteză foarte mic, de dimensiuni reduse. Greutatea specifică a motoarelor Stirling a scăzut de la 6,1-7,3 kg / kW la 4,3 kg / kW și este în continuă scădere.

Producția unui motor Stirling necesită o tehnologie complet diferită de tehnologia de producție a motoarelor cu ardere internă, care va încetini introducerea sa în producție. Cu toate acestea, dezvoltarea unor astfel de motoare continuă, deoarece motoarele tradiționale pe benzină și diesel nu vor îndeplini cerințele viitoare ale purității necesare a gazelor de eșapament, iar motoarele Stirling create oferă motive să sperăm că această problemă poate fi rezolvată. Deoarece schimbarea presiunii gazelor din cilindrul unui motor Stirling este netedă, funcționează stabil și liniștit, asemănător unui motor cu aburi. Cu toate acestea, o cantitate mare de căldură reziduală necesită soluții noi în domeniul sistemelor de răcire.

Progrese mari în motoarele Stirling s-au realizat odată cu crearea motorului Philips 4-215 DA. Motorul este conceput pentru a fi utilizat în autoturisme și ocupă la fel de mult spațiu în ele ca un motor convențional pe benzină în formă de V putere egală... Masa motorului Philips 4-215 DA este de 448 kg și cu o putere maximă de 127 kW greutatea sa specifică este de 3,5 kg / kW. Eficiența indicatorului acestui motor la utilizarea hidrogenului ca fluid de lucru sub o presiune de 20 MPa este de 35%.

O pornire la rece a motorului durează 15 secunde, consumul de combustibil al unei mașini în traficul urban este cu 25% mai mic decât în ​​cazul unui motor convențional pe benzină. Puterea motorului este reglată prin schimbarea cantității și presiunii fluidului de lucru.

Densitatea hidrogenului este de 14 ori mai mică decât cea a aerului, iar capacitatea sa de căldură este, de asemenea, de 14 ori mai mare decât cea a aerului. Acest lucru are un efect pozitiv asupra pierderilor hidraulice, în special în regenerator, și duce, în general, la o creștere a eficienței motorului (vezi Fig. 4).

Cu doar o sută de ani în urmă, motoarele cu ardere internă trebuiau să cucerească locul pe care îl ocupă industria automobilelor moderne... Atunci superioritatea lor nu a fost în niciun caz la fel de evidentă ca și astăzi. Într-adevăr, Motor cu aburi- principalul rival al motorului pe benzină - avea avantaje enorme în comparație cu acesta: lipsa de zgomot, simplitatea reglării puterii, caracteristici excelente de tracțiune și „omnivoritate” uimitoare, permițându-i să lucreze la orice tip de combustibil, de la lemn la benzină. Dar, în cele din urmă, eficiența, ușurința și fiabilitatea motoarelor cu ardere internă au prevalat și au fost forțați să se împace cu neajunsurile lor, ca fiind inevitabile.
În anii 1950, odată cu apariția turbine cu gazși motoarele rotative, a început asaltul asupra poziției de monopol ocupat de motoarele cu ardere internă din industria auto, un asalt care nu a fost încă încununat cu succes. Aproximativ în aceiași ani, s-au încercat să aducă la fața locului un nou motor, care combină în mod izbitor eficiența și fiabilitatea unui motor pe benzină cu zgomotul și instalația de aburi „omnivoră”. Acesta este celebrul motor combustie externă, pe care preotul scoțian Robert Stirling l-a brevetat pe 27 septembrie 1816 (brevet englez nr. 4081).

Fizica proceselor

Principiul de funcționare al tuturor motoarelor termice, fără excepție, se bazează pe faptul că, atunci când un gaz încălzit se extinde, se efectuează mai multe lucrări mecanice decât este necesar pentru a comprima unul rece. O sticlă și două oale cu apă caldă și rece sunt suficiente pentru a demonstra acest lucru. Mai întâi, sticla este scufundată în apă cu gheață și, atunci când aerul din ea se răcește, gâtul este înfundat cu un dop de plută și transferat rapid în apa fierbinte... După câteva secunde, se aude bumbac și gazul încălzit în sticlă împinge dopul afară, efectuând lucrări mecanice. Sticla poate fi returnată în apa cu gheață - ciclul se va repeta.
acest proces a fost reprodus aproape exact în cilindrii, pistoanele și pârghiile complicate ale primei mașini Stirling, până când inventatorul a realizat că o parte din căldura preluată din gaz în timpul răcirii ar putea fi folosită pentru încălzirea parțială. Tot ceea ce este necesar este un fel de recipient în care ar fi posibil să se stocheze căldura luată din gaz în timpul răcirii și să i se dea înapoi la încălzire.
Dar, din păcate, chiar și această îmbunătățire foarte importantă nu a salvat motorul Stirling. Până în 1885, rezultatele obținute aici erau foarte mediocre: 5-7% eficiență, 2 litri. cu. putere, 4 tone greutate și 21 metri cubi de spațiu ocupat.
Motoarele cu ardere externă nu au fost salvate nici măcar de succesul unui alt design dezvoltat de inginerul suedez Erickson. Spre deosebire de Stirling, el a propus să încălzească și să răcească gazul nu la un volum constant, ci la o presiune constantă. 8 În 1887, câteva mii de motoare mici Erickson funcționau perfect în tipografii, case, mine, nave. Au umplut rezervoarele de apă și au operat lifturile. Erickson a încercat chiar să le adapteze pentru conducerea echipajelor, dar s-au dovedit a fi prea grele. În Rusia, înainte de revoluție, un număr mare de astfel de motoare erau produse sub denumirea „Căldură și putere”.
Cu toate acestea, încercările de a crește puterea la 250 CP. cu. încheiat esec complet... Mașina cu un cilindru cu un diametru de 4,2 metri a dezvoltat mai puțin de 100 de litri. Adică, camerele de incendiu au ars, iar vasul pe care au fost instalate motoarele s-a pierdut.
Inginerii fără regret au luat la revedere de la acești mastodonti slabi de îndată ce au apărut motoare puternice, compacte și ușoare pe gaz și motoare diesel. Și dintr-o dată, în anii 1960, aproape 80 de ani mai târziu, „Stirlings” și „Ericksons” (le vom numi în mod convențional așa prin analogie cu un motor diesel) au început să vorbească despre rivalii redutabili ai motoarelor cu ardere internă. Aceste conversații nu încetează până în prezent. Ce explică acest lucru cotitură bruscăîn vizualizări?

Cost metodic

Când aflați despre o idee tehnică veche reînviată în tehnologia modernă, apare imediat întrebarea: ce a împiedicat implementarea sa mai devreme? Care a fost acea problemă, acel „indiciu”, fără a cărui soluție nu și-ar putea deschide drumul în viață? Și aproape întotdeauna se dovedește că vechea idee își datorează renașterea fie unei noi metode tehnologice, fie design nou, la care predecesorii nu s-au gândit sau material nou. Un motor cu ardere externă poate fi considerat cea mai rară excepție.
Calculele teoretice arată că eficiența este „Stirlings” și „Ericksons” pot ajunge la 70% - mai mult decât orice alt motor. Acest lucru înseamnă că eșecurile predecesorilor lor au fost explicate de factori secundari, în principiu amovibili. Alegerea potrivita parametrii și domeniile de aplicare, un studiu scrupulos al activității fiecărei unități, prelucrarea atentă și reglarea fină a fiecărui detaliu au permis realizarea avantajelor ciclului. Deja primele probe experimentale au dat o eficiență de 39%! (Eficiența motoarelor pe benzină și a motorinelor, care au fost elaborate de-a lungul anilor, este de 28-30, respectiv 32-35 la sută.) Ce oportunități au „trecut cu vederea” Stirling și Erickson în timpul lor?
chiar recipientul în care este stocată alternativ căldura și apoi degajată. Calculul regeneratorului în acele zile era pur și simplu imposibil: știința transferului de căldură nu exista. Dimensiunile sale au fost luate cu ochiul și, după cum arată calculele, eficiența motoarelor cu ardere externă depinde foarte mult de calitatea regeneratorului. Este adevărat, performanțele sale slabe pot fi compensate într-o anumită măsură printr-o creștere a presiunii.
Al doilea motiv al eșecului a fost acela că primele instalații funcționau în aer la presiune atmosferică: dimensiunile lor erau enorme și capacitățile lor erau mici.
Aducerea eficienței regenerator până la 98 la sută și umplerea buclei închise cu hidrogen sau heliu comprimat la 100 de atmosfere, inginerii din zilele noastre au sporit eficiența și puterea „coafării”, care chiar și în această formă a arătat eficiență. mai mare decât cea a motoarelor cu ardere internă.
Numai acest lucru ar fi suficient pentru a vorbi despre instalarea motoarelor cu ardere externă pe mașini. Dar avantajele acestor mașini, reînviate din uitare, nu sunt în niciun caz epuizate doar de o eficiență ridicată.

Cum funcționează Stirling

Schema schematică a unui motor cu ardere externă:
1 - injector de combustibil;
2 - țeavă de ramificație de ieșire;
3 - elemente ale încălzitorului de aer;
4 - încălzitor de aer;
5 - gaze fierbinți;
6 - spațiul fierbinte al cilindrului;
7 - regenerator;
8 - cilindru;
9 - coaste mai reci;
10 - spațiu rece;
11 - piston de lucru;
12 - unitate rombică;
13 - biela pistonului de lucru;
14 - angrenaje de sincronizare;
15 - camera de ardere;
16 - tuburi de încălzire;
17 - aer cald;
18 - piston cu deplasare;
19 - admisie de aer;
20 - alimentare cu apă de răcire;
21 - sigiliu;
22 - volum tampon;
23 - sigiliu;
24 - împingător al pistonului cu deplasare;
25 - împingător al pistonului de lucru;
26 - jugul pistonului de lucru;
27 - degetul jugului pistonului de lucru;
28 - biela pistonului cu deplasare;
29 - jugul pistonului cu deplasare;
30 - arborele cotit.
Fundal roșu - circuit de încălzire;
fundal punctat - circuit de răcire

În designul modern al combustibilului lichid „stirling”, există trei circuite care au doar contact termic între ele. Acesta este un circuit de fluid de lucru (de obicei hidrogen sau heliu), un circuit de încălzire și un circuit de răcire. Scopul principal al circuitului de încălzire este menținerea temperatura ridicataîn partea de sus a drumului de lucru. Circuitul de răcire se menține temperatura scazutaîn partea de jos a căii de lucru. Conturul fluidului de lucru în sine este închis.
Conturul corpului de lucru... Două pistoane se mișcă în cilindrul 8 - pistonul de lucru 11 și pistonul de deplasare 18. Mișcarea în sus a pistonului de lucru duce la comprimarea fluidului de lucru, mișcarea acestuia în jos este cauzată de expansiunea gazului și este însoțită de efectuarea muncii utile. Mișcarea ascendentă a pistonului cu deplasare strânge gazul în cavitatea inferioară răcită a cilindrului. Mișcarea sa descendentă corespunde încălzirii gazului. Acționarea rombică 12 conferă o mișcare pistonilor corespunzătoare a patru curse de ciclu ((aceste curse sunt prezentate în diagramă).
Măsura I- răcirea fluidului de lucru. Pistonul de deplasare 18 se deplasează în sus, strângând fluidul de lucru prin regeneratorul 7, în care este stocată căldura gazului încălzit, în partea inferioară, răcită a cilindrului. Pistonul de lucru 11 se află la BDC.
Măsura II- comprimarea fluidului de lucru. Energia stocată în gazul comprimat al volumului tampon 22 conferă mișcare în sus pistonului de lucru 11, însoțită de comprimarea fluidului de lucru rece.
Barul III- încălzirea fluidului de lucru. Pistonul de combustibil 18, aproape alăturat pistonului de lucru 11, deplasează gazul în spațiul fierbinte prin regeneratorul 7, în care căldura acumulată în timpul răcirii este returnată gazului.
Barul IV- extinderea fluidului de lucru - ciclul de lucru. Când este încălzit într-un spațiu fierbinte, gazul se extinde și funcționează lucru util... O parte din acesta este stocată în gazul comprimat al volumului tampon 22 pentru comprimarea ulterioară a fluidului de lucru rece. Restul este îndepărtat de pe arborii motorului.
Circuit de încălzire... Aerul este suflat în orificiul de admisie 19 de către ventilator, trece prin elementele 3 ale încălzitorului, se încălzește și intră în injectoarele de combustibil. Gazele fierbinți rezultate încălzesc tuburile 16 ale încălzitorului de fluid de lucru, curg în jurul elementelor 3 ale încălzitorului și, după ce și-au dat căldura aerului care merge pentru arderea combustibilului, sunt aruncate prin conducta de ieșire 2 în atmosferă.
Circuit de răcire... Apa prin conductele 20 este alimentată în partea inferioară a cilindrului și, curgând în jurul aripioarelor 9 ale răcitorului, le răcește continuu.

„Stirlings” în loc de ICE

Primele teste, efectuate în urmă cu jumătate de secol, au arătat că „stilizarea” este aproape perfect silențioasă. Nu are carburator, injectoare de înaltă presiune, sistem de aprindere, supape, bujii. Presiunea din cilindru, deși crește la aproape 200 atm, dar nu printr-o explozie, ca într-un motor cu ardere internă, ci fără probleme. Motorul nu are nevoie de tobe de eșapament. Transmisia cinematică a pistonului în formă de diamant este complet echilibrată. Fără vibrații, fără zgomot.
Ei spun că, chiar și cu o mână pe motor, nu este întotdeauna posibil să se stabilească dacă funcționează sau nu. Aceste calități ale unui motor de automobile sunt deosebit de importante, deoarece problema reducerii zgomotului este acută în orașele mari.
Dar o altă calitate este „omnivoră”. De fapt, nu există nicio sursă de căldură care să nu fie potrivită pentru o acționare stirling. O mașină cu un astfel de motor poate funcționa pe lemn, pe paie, pe cărbune, pe kerosen, pe combustibil nuclear, chiar și pe lumina soarelui. Poate funcționa pe căldura stocată în topitura de sare sau oxid. De exemplu, un topit de 7 litri de oxid de aluminiu înlocuiește 1 litru de benzină. O astfel de versatilitate nu va putea ajuta întotdeauna un șofer aflat în dificultate. Ea se va rezolva brusc problema la îndemână poluarea cu fum a orașelor. Apropiindu-se de oraș, șoferul aprinde arzătorul și topește sarea din rezervor. Combustibilul nu este ars în limitele orașului: motorul funcționează pe topitură.
Dar regulamentul? Pentru a reduce puterea, este suficient să eliberați cantitatea necesară de gaz din bucla închisă a motorului într-un cilindru de oțel. Automatul reduce imediat alimentarea cu combustibil, astfel încât temperatura să rămână constantă indiferent de cantitatea de gaz. Pentru a crește puterea, gazul este pompat din cilindru înapoi în circuit.
Cu toate acestea, în ceea ce privește costul și greutatea, Stirlings sunt încă inferioare motoarelor cu ardere internă. Pentru 1 litru. cu. au 5 kg, ceea ce este mult mai mult decât benzina și motoare diesel... Dar nu trebuie să uităm că acestea sunt încă primele, nu aduse la grad înalt perfecțiunea modelului.
Calculele teoretice arată că, alte lucruri fiind egale, „stirlings” necesită presiuni mai mici. Acesta este un avantaj important. Și dacă au și avantaje de proiectare, atunci este posibil ca acestea să se dovedească a fi cel mai redutabil rival al motoarelor cu ardere internă din industria auto. Și nu turbine deloc.

Stirling de la GM

Lucrările serioase de îmbunătățire a motorului cu ardere externă, care au început la 150 de ani de la inventare, au dat deja roade. Sunt propuse diferite variante de proiectare ale motorului care funcționează conform ciclului Stirling. Există design-uri pentru motoare cu placă de reglare pentru reglarea cursei pistonilor, brevetate motor rotativ, într-una din secțiunile rotorului a cărei compresie are loc, în cealaltă - expansiune, iar alimentarea și îndepărtarea căldurii se efectuează în canalele care leagă cavitățile. Presiunea maximăîn cilindrii probelor individuale ajunge la 220 kg / cm 2, iar presiunea efectivă medie - până la 22 și 27 kg / cm 2 și mai mult. Eficiența a fost mărită la 150 g / CP / oră.
Compania a făcut cele mai mari progrese Motoare generale, care în anii 1970 a construit un „stil” în formă de V cu un convențional mecanism cu manivela... Un cilindru funcționează, celălalt este compresie. Pistonul de lucru conține doar pistonul de lucru, iar pistonul de deplasare se află în cilindrul de compresie. Între cilindri se află un încălzitor, un regenerator și un răcitor. Unghiul de fază, cu alte cuvinte, unghiul de întârziere al unui cilindru față de celălalt, pentru acest „stirling” este de 90 °. Viteza unui piston trebuie să fie maximă în momentul în care viteza celuilalt este zero (în punctul mort superior și inferior). Deplasarea fazei în mișcarea pistoanelor se realizează prin poziționarea cilindrilor la un unghi de 90 °. Structural, acesta este cel mai simplu „styling”. Dar este inferior unui motor cu un rombic mecanism cu manivelaîn echilibru. Pentru a echilibra complet forțele inerțiale din Motor în formă de V numărul cilindrilor săi ar trebui mărit de la doi la opt.

Diagrama schematică a "stirling-ului" în formă de V:
1 - cilindru de lucru;
2 - piston de lucru;
3 - încălzitor;
4 - regenerator;
5 - manșon termoizolant;
6 - cooler;
7 - cilindru de compresie.

Ciclul de lucru într-un astfel de motor se desfășoară după cum urmează.
În cilindrul de lucru 1, gazul (hidrogen sau heliu) este încălzit, în celălalt, în cilindrul de compresie 7, este răcit. Când pistonul se deplasează în sus în cilindrul 7, gazul este comprimat - cursa de compresie. În acest moment, pistonul 2 din cilindrul 1. începe să se deplaseze în jos. Gazul din cilindrul rece 7 curge în fierbinte 1, trecând secvențial prin răcitorul 6, regeneratorul 4 și încălzitorul 3 - ciclul de încălzire. Gazul fierbinte se extinde în cilindrul 1, lucrând - cursă de expansiune. Când pistonul 2 se deplasează în cilindrul 1 în sus, gazul este pompat prin regeneratorul 4 și răcitorul 6 în cilindrul 7 - ciclu de răcire.
Această schemă de „stilizare” este cea mai convenabilă pentru inversare. În carcasa combinată a încălzitorului, regeneratorului și răcitorului (vom vorbi despre designul lor mai târziu), amortizoarele sunt făcute pentru acest lucru. Dacă le transferăm dintr-o poziție extremă în alta, atunci cilindru rece va deveni fierbinte și fierbinte va deveni rece, iar motorul se va roti în direcția opusă.
Încălzitorul este un set de tuburi din oțel inoxidabil termorezistente prin care curge gazul de lucru. Tuburile sunt încălzite de flacăra unui arzător adaptat pentru arderea diverselor combustibili lichizi... Căldura din gazul încălzit este stocată în regenerator. Acest nod are o mare importanță pentru obținere Eficiență ridicată... Își va îndeplini scopul dacă transferă aproximativ trei ori mai multă căldură decât în ​​încălzitor, iar procesul durează mai puțin de 0,001 secunde. Pe scurt, este un acumulator de căldură cu acțiune rapidă, iar rata de transfer de căldură între regenerator și gaz este de 30.000 de grade pe secundă. Regeneratorul, a cărui eficiență este de 0,98 unități, constă dintr-un corp cilindric, în care mai multe șaibe din fir de sârmă (diametrul sârmei 0,2 mm) sunt amplasate în serie. Pentru a preveni transferul căldurii în frigider, între aceste unități este instalat un manșon termoizolant. În cele din urmă, există un cooler. Este proiectat ca o manta de apă pe conductă.
Puterea Stirling este reglată prin modificarea presiunii gazului de lucru. În acest scop, motorul este echipat cu cilindru de gazși un compresor special.

Avantaje și dezavantaje

Pentru a evalua perspectivele aplicării „stilului” pe mașini, să analizăm avantajele și dezavantajele acestuia. Să începem cu unul dintre cele mai importante pentru motor termic parametrii, așa-numita eficiență teoretică Pentru „stirling”, este determinată de următoarea formulă:

η = 1 - Tx / Tg

Unde η este eficiența, Tx este temperatura volumului „rece” și Tg este temperatura volumului „fierbinte”. Cantitativ, acest parametru pentru „stirling” este 0,50. Aceasta este semnificativ mai mare decât cea a celor mai bune turbine pe gaz, motoare pe benzină și diesel, care au o eficiență teoretică de 0,28, respectiv; 0,30; 0,40.
Ca motor cu ardere externă. Stirling ”poate funcționa pe mai mulți combustibili: benzină, kerosen, motorină, gazos și chiar solid. Caracteristicile combustibilului, cum ar fi cetanul și numărul octanic, conținutul de cenușă, punctul de fierbere în timpul arderii în afara cilindrului motorului, nu contează pentru „stirling”. Pentru ca acesta să funcționeze pe combustibili diferiți, nu sunt necesare modificări majore - înlocuiți arzătorul.
Un motor cu ardere externă în care arderea este stabilă, cu un raport de aer în exces constant de 1,3. emite semnificativ mai puțin decât un motor cu ardere internă, monoxid de carbon, hidrocarburi și oxizi de azot.
Zgomotul redus al „stirling-ului” se explică prin raportul de compresie scăzut (de la 1,3 la 1,5). Presiunea din cilindru crește ușor și nu printr-o explozie, ca într-o benzină sau motor diesel... Absența oscilațiilor coloanei de gaze din tractul de evacuare determină lipsa de zgomot a evacuării, ceea ce este confirmat de testele motorului dezvoltate de Phillips împreună cu de Ford pentru autobuz.
„Stirling” se distinge prin consum redus de ulei și rezistență ridicată la uzură datorită absenței substanțelor active în cilindru și a temperaturii relativ scăzute a gazului de lucru, iar fiabilitatea acestuia este mai mare decât cea a motoarelor cu ardere internă cunoscute de noi, deoarece nu are un mecanism complex de distribuție a gazelor.
Un avantaj important al motorului Stirling ca motor auto este adaptabilitatea sporită la schimbările de sarcină. Ea, de exemplu, este cu 50 la sută mai mare decât cea a motor carburator, datorită căruia este posibil să se reducă numărul de trepte din cutia de viteze. Cu toate acestea, abandonați complet ambreiajul și cutia de viteze, ca în mașină cu aburi, este interzis.
Dar de ce nu s-a găsit încă un motor cu avantaje atât de evidente? aplicație practică? Motivul este simplu - are încă multe neajunsuri nerezolvate. Principalul dintre ele este marea complexitate a controlului și reglementării. Există și alte „recife” care nu sunt atât de ușor de parcurs atât pentru proiectanți, cât și pentru lucrătorii din producție. . În orice caz, munca de 25 de ani a lui Phillips pentru reglarea fină a motorului său nu a reușit încă să o facă adecvată pentru utilizarea în masă în automobile. Nu are o importanță mică trăsătură caracteristică„Stirling” - necesitatea de a îndepărta o cantitate mare de căldură cu apa de răcire. În motoarele cu ardere internă, o parte semnificativă a căldurii este emisă în atmosferă împreună cu gazele de eșapament. În „sterlină”, doar 9 la sută din căldura generată de arderea combustibilului intră în evacuare. Dacă intră motor pe benzina arderea internă cu apă de răcire elimină de la 20 la 25 la sută din căldură, apoi în „stirling” - până la 50 la sută. Aceasta înseamnă că o mașină cu un astfel de motor ar trebui să aibă un radiator de aproximativ 2-2,5 ori mai mare decât cel al unui motor pe benzină similar. Dezavantajul „stirling-ului” este greutatea specifică ridicată în comparație cu motorul cu ardere internă obișnuit. Un alt dezavantaj destul de semnificativ este dificultatea creșterii vitezei: deja la 3600 rpm, pierderile hidraulice cresc semnificativ și transferul de căldură se deteriorează. Și, în sfârșit. „Stirling” este inferior unui motor convențional cu ardere internă în răspunsul clapetei de accelerație.
Lucrările la crearea și rafinarea „stilizării” automobilelor, inclusiv pentru autoturisme, continuă. Se poate considera că în prezent problemele fundamentale au fost rezolvate. Cu toate acestea, mai este mult de lucru. Utilizarea aliajelor ușoare poate reduce greutatea specifică a motorului, dar va fi totuși mai mare. decât cea a unui motor cu ardere internă, datorită presiunii mai mari a gazului de lucru. Probabil că motorul cu ardere externă va fi aplicat în principal în camioane, în special armata - datorită cererii reduse de combustibil.

Regenerator și eficiența motorului Stirling. Foarte des, atunci când încearcă să creeze un Stirling într-un mediu de „garaj”, creatorii lor decid să renunțe la un regenerator. Și chiar mai des regeneratorul este făcut „la întâmplare” și nu este în măsură să-și îndeplinească complet scopul. Deci, un regenerator - de ce este nevoie? Pentru a face acest lucru, vom înțelege puțin în teoria și principiile funcționării motorului. În articolul principal, am descris deja pe scurt principiul funcționării, acum îl vom analiza punct cu punct. Fără regenerator. 1. Încălzirea gazului are loc atunci când pistonul de lucru este introdus top mort punct. În acest caz, volumul este minim, iar deplasatorul deplasează tot gazul în zona de încălzire. În timpul acestei încălziri, volumul nu se schimbă - presiunea crește proporțional cu creșterea temperaturii în Kelvin (încălzire izocorică). Adică, dacă gazul nostru a fost la o temperatură de 300 K (27 grade Celsius) și încălzit la 900 K (627 grade Celsius), atunci presiunea a crescut de 3 ori, la fel ca temperatura. Pistonul de lucru nu se mișcă, nu se lucrează. 2. Pistonul de lucru este pus în mișcare sub presiunea gazului. Gazul se extinde și continuă să primească căldură de la încălzitor, dar temperatura nu crește și rămâne constantă, deoarece gazul în sine este răcit prin expansiune (încălzire izotermă). În acest ciclu (și numai în el), gazul face treaba. 3. Gazul este răcit la temperatura frigiderului (ambiant) cu un volum constant (pistonul de lucru nu se mișcă) - răcire izocorică. În acest caz, toată căldura consumată anterior pentru a încălzi gazul de la temperatura frigiderului la temperatura încălzitorului este transferată în mediu. 4. Pistonul de lucru revine la punctul mort superior, comprimând gazul din butelie. În acest caz, gazul este răcit și se degajă căldura care se formează în el în timpul comprimării mediu inconjurator(compresie izotermă). Acest ciclu consumă lucrări mecanice efectuate de volant. Deoarece comprimarea gazului la presiune scăzută necesită mai puțină muncă decât gazul presiune ridicata când este fierbinte, diferența dintre munca efectuată de gaz și munca efectuată pe gaz este munca utilă pe care o poate face motorul. Adică, se dovedește că încălzirea care face lucrarea are loc numai în timpul expansiunii, la temperatura încălzitorului, iar încălzirea la această temperatură nu efectuează lucrări, este necesar să crească presiunea și toată energia cheltuită pe aceasta încălzirea este apoi „aruncată” în miercurea din jur. Pentru a evita aceste pierderi (și, de regulă, sunt de câteva ori mai multe decât munca efectuată), se folosește un regenerator. Acesta stochează căldura atunci când gazul este răcit, „luându-l în sine”, în loc să-l dea mediului înconjurător și apoi îl dă înapoi la gaz când este încălzit. Adică, căldura externă nu este necesară pentru a încălzi gazul și transmis motorului de la încălzitor, căldura se cheltuiește numai pentru performanța muncii. Prin urmare, eficiența motorului depinde de eficiența regeneratorului și fără acesta va fi de câteva ori mai mică. Și în articolul următor voi vorbi despre ce ar trebui să fie un regenerator eficient -

Să enumerăm principalele caracteristici ale motorului:

1. Într-un motor Stirling, energia termică este convertită în energie mecanică prin comprimarea unei cantități constante de fluid de lucru la o temperatură scăzută și expansiunea sa ulterioară (după o perioadă de încălzire) la o temperatură ridicată. Deoarece lucrarea cheltuită de piston pentru comprimarea mediului de lucru este mai mică decât munca pe care o face pistonul la extinderea mediului de lucru, motorul generează energie mecanică utilă.

2. În principiu, în prezența regenerării, este necesar să se furnizeze căldură numai pentru a preveni răcirea fluidului de lucru în timpul expansiunii sale și pentru a elimina căldura eliberată în timpul comprimării sale.

3. Schimbarea necesară a temperaturii fluidului de lucru este asigurată de prezența cavităților reci și fierbinți separate, prin canalele de legătură între care fluidul de lucru se deplasează sub acțiunea pistoanelor.

4. Modificările de volum din aceste două cavități nu ar trebui să fie în fază, iar modificările ciclice rezultate în volumul total, la rândul lor, nu ar trebui să fie în fază cu modificările ciclice ale presiunii. Aceasta este o condiție pentru obținerea energiei mecanice pe arborele motorului.

Astfel, principiul Stirling este încălzirea și răcirea alternativă a fluidului de lucru conținut într-un spațiu izolat. Pentru a vizualiza modul în care acest principiu simplu este implementat în practică, să luăm în considerare mai întâi sistemul elementar piston-cilindru, în care fluidul de lucru este izolat de mediul extern printr-un piston rigid conectat mecanic la manivelă (Fig. 1.4).

Pe măsură ce căldura este furnizată chiulasei, presiunea fluidului de lucru crește, iar pistonul începe să se deplaseze spre dreapta sub acțiunea fluidului de lucru în expansiune (Fig. 1.5).

Odată cu expansiunea fluidului de lucru, presiunea din cilindru scade. Pentru a compensa răcirea fluidului de lucru în timpul expansiunii sale, alimentarea cu căldură continuă, datorită căreia procesul

Curge la o temperatură constantă. Când pistonul atinge poziția cea mai dreaptă ( jos mort puncte), alimentarea cu căldură se oprește și chiulasa începe să se răcească cu ajutorul unei surse externe (Fig. 1.6).

În timpul procesului de răcire, presiunea continuă să scadă. Pistonul începe apoi să se deplaseze spre stânga, comprimând gazul. Proces

Orez. 1.8. Finalizarea ciclului de lucru.

În acest caz, răcirea continuă să compenseze încălzirea în timpul comprimării, astfel încât compresia să continue și la o temperatură constantă (Fig. 1.7).

Când pistonul atinge poziția extremă stângă (punctul mort superior), dispozitivul de răcire este înlocuit de o sursă de căldură (Fig. 1.8).

Această secvență poate fi descrisă în diagrame de stare termodinamice (Fig. 1.9).

Deoarece procesul de extindere cu încălzire se desfășoară la o presiune medie mai mare decât procesul de compresie cu răcire, motorul funcționează util. Cu toate acestea, această metodă de furnizare și eliminare a căldurii este greoaie și impracticabilă, deoarece capacitatea termică a materialelor din care cilindrul capul este realizat este prea mare pentru a atinge ceea ce este necesar
schimbări rapide de temperatură. Cu toate acestea, conceptul de bază de încălzire și răcire alternativă a unui fluid de lucru izolat la diferite presiuni pentru a obține lucrări mecanice este prezentat aici destul de precis.

Volum A

Apare problema transpunerii acestui concept în practică. Soluția evidentă ar fi menținerea unei temperaturi ridicate constante la un capăt al cilindrului și la o temperatură scăzută constantă la celălalt. Cu toate acestea, în acest caz, ar fi imposibil să se utilizeze sistemul piston-cilindru menționat în descrierea ciclului de lucru, deoarece fluidul de lucru ar primi și arunca simultan căldură în faze alternative ale procesului. Robert Sterling a depășit această dificultate introducând un piston cu deplasare, sau un deplasator, situat în serie cu pistonul original, care a primit

Acum numele este „piston de lucru”. Pistonul de deplasare este proiectat pentru a deplasa fluidul de lucru între cavitățile calde și reci situate local (fig. 1.10).

Pistonul de deplasare este plasat liber în cilindru, astfel încât fluidul de lucru să poată circula în jurul său din toate părțile, așa cum se arată în Fig. 1.11, unde acțiunea pistonului cu deplasare este ilustrată fără referire la pistonul de lucru.

Când deplasatorul se deplasează în sus către capătul fierbinte al cilindrului, fluidul de lucru încălzit intră în cavitatea rece prin spațiul inelar de la pereții laterali ai deplasării
piston. În acest caz, presiunea fluidului de lucru scade datorită răcirii. Nu există supape în cilindru, deci dacă nu luați în considerare scăderea de presiune mică, aproape neglijabilă, în spațiul inelar din jurul pistonului de deplasare, presiunea în toate zonele cilindrului va fi aceeași. Când se deplasează la punctul mort inferior, pistonul de deplasare forțează fluidul de lucru să se deplaseze prin cavitatea rece și spațiul inelar din jurul suprafeței laterale a pistonului în cavitatea fierbinte pentru încălzire. De când la

Când pistonul cu deplasare se mișcă, presiunea la ambele capete este întotdeauna aceeași; nu se lucrează la această mișcare.

Mișcarea pistonului de deplasare și de lucru este defazată. O explicație a acestui fapt din punctul de vedere al termodinamicii va fi dată mai jos. Cu toate acestea, este deja ușor de înțeles că dacă întregul fluid de lucru într-o anumită fază a ciclului trebuie să se afle într-o cavitate fierbinte și într-o altă fază a ciclului - într-una rece, atunci ambii pistoane nu pot fi în aceeași fază. Pentru a obține o astfel de mișcare a pistonului defazat este necesară. un mecanism de acționare diferit de cel convențional. Un exemplu de mecanism folosit de Stirling însuși este prezentat în Fig. 1.12.

Un alt element este necesar pentru a obține motorul Stirling așa cum este cunoscut astăzi. Este un regenerator, sau „economizor”, așa cum îl numea inițial Stirling. Când pistonul cu deplasare deplasează fluidul de lucru în expansiune în cavitatea rece (Fig. 1.11), acesta trebuie să treacă prin cavitatea fierbinte unde, datorită
încălzirea primește căldură în exces, care trebuie îndepărtată în frigider. După comprimarea fluidului de lucru, acesta se deplasează în cavitatea fierbinte prin cea rece, răcindu-se suplimentar. În consecință, fluidul de lucru intră în cavitatea fierbinte mai rece decât este necesar și în cea rece - mai fierbinte.

Dacă o plasă de sârmă de oțel este instalată în spațiul inelar din jurul pistonului de deplasare, prin care curge fluidul de lucru, atunci fluidul de lucru, trecând prin acest spațiu de la cavitatea fierbinte la cea rece, va avea o temperatură mai mare decât plasă și , prin urmare, va degaja căldură această rețea. În acest caz, rețeaua acționează ca un pre-răcitor, reducând sarcina termică a răcitorului principal. După procesul de comprimare, fluidul de lucru va curge în cavitatea fierbinte, încălzindu-se la trecerea prin plasă, adică va primi din nou căldura dată anterior plasei. Regeneratorul acționează acum ca un preîncălzitor, reducând puterea necesară de energie. Sistemul descris ca întreg este prezentat în Fig. 1.13.

Deși circuitul prezentat în Fig. 1.13, găsește aplicație practică în multe motoare, problema transfer rapid energia rămâne nerezolvată, deoarece este încă necesară depășirea inerției termice a pereților cilindrului. Când Philips a modernizat motorul Stirling, au fost utilizate schimbătoare de căldură tubulare pentru încălzitor și răcitor și, deși acest lucru a necesitat etanșarea pistonului de deplasare, obiectivul principal a fost atins. Ciclul complet de lucru poate fi acum descris folosind Fig. 1.14. În fig. 1.14, componentele proceselor ciclului de lucru descrise în diagrama presiune-volum (Fig. 1.9, a) se disting cu ușurință.

În fig. 1 14, iar pistonul de lucru este în poziția extremă inferioară, deplasatorul este în poziția extremă superioară și întregul fluid de lucru este închis într-o cavitate rece. Apoi, sub acțiunea forțelor externe, pistonul de lucru începe să se deplaseze în sus, comprimând fluidul de lucru în cavitatea rece, iar temperatura fluidului de lucru este menținută la un nivel minim. În punctul 2 (Fig. 1.15), pistonul de deplasare este încă în poziția sa cea mai înaltă, funcționând
pistonul își termină mișcarea în sus și procesul de compresie se termină (Fig. 1.14.6). Pistonul de lucru rămâne în punctul mort superior, iar pistonul de deplasare începe să se deplaseze în jos, mutând fluidul de lucru în sistemul frigider - regenerator - încălzitor și mai departe în cavitatea fierbinte. Volumul fluidului de lucru în acest proces rămâne constant, în timp ce presiunea crește. În procesul dintre punctele 2 și 3, căldura este transferată la fluidul de lucru de la regenerator. Punctul 3 corespunde șederii întregului fluid de lucru în cavitatea fierbinte, la

Prin aceasta, pistonul de lucru rămâne în continuare în punctul mort superior. Trebuie remarcat faptul că pistonul cu deplasare de la punctul 3 nu a atins încă poziția cea mai joasă.

Acum, fluidul de lucru, aflat în cavitatea fierbinte, primește căldură de la încălzitorul tubular și se extinde. Acționând asupra pistoanelor de deplasare și de lucru, fluidul de lucru în expansiune îi obligă să se deplaseze în jos împreună până când ajung la cea mai joasă poziție. În procesul dintre punctele 3 și 4, se lucrează pozitiv. Punctul 4 corespunde stării ambelor pistoane la punctele moarte inferioare. Pistonul de lucru continuă să rămână în această poziție, iar pistonul de deplasare se deplasează în sus, deplasând fluidul de lucru expandat prin sistemul de încălzire - regenerator - frigider în cavitatea rece. În acest caz, fluidul de lucru cedează restul căldurii sale regeneratorului. În procesul 4 - 1, volumul rămâne neschimbat și presiunea scade. Astfel se desfășoară ciclul Stirling așa cum se arată în două diagrame de stare (Fig. 1.15).

Comparând mișcarea pistoanelor unul față de celălalt în procese succesive (Fig. 1.14), este ușor de văzut că mișcarea lor pe tot parcursul ciclului nu coincide în fază.

Mișcarea intermitentă a pistoanelor este necesară pentru a asigura fluxul unui astfel de ciclu așa cum este descris mai sus. Această concluzie poate fi clar ilustrată prin diagrama mișcărilor pistonului (Fig. 1.16).

Orez. 1.15. Diagrame de stare termodinamice ale unui ciclu ideal Stirling.

Cavitatea de expansiune la cald este definită de un volum variabil VEîntre chiulasă și capătul superior al pistonului cu deplasare. Este format exclusiv prin mișcarea pistonului cu deplasare. Cavitatea de compresie rece este determinată de volumul variabil Vc dintre capătul inferior al pistonului cu deplasare și capătul superior al pistonului de lucru. Volumul încălzitorului, frigiderului, regeneratorului și țevilor adiacente este un volum care nu funcționează și se numește volumul spațiului mort (volum mort) VD. Orice volum mort reduce puterea generată de motor și trebuie menținută la minimul permis caracteristici de proiectare motor. Cu toate acestea, în anumite condiții, creșterea volumului mort poate crește eficiența motorului.

Acum ar fi necesar să se ia în considerare problemele termodinamicii, dinamicii gazelor și transferului de căldură, care trebuie rezolvate pentru implementarea principiului Stirling. De asemenea, nu este cucerit
dificultăți asociate cu complexitatea ridicată a mecanismului de acționare și necesitatea de a asigura o echilibrare suficientă a motorului.

În fig. 1.16 arată dependența modificării volumului de unghiul de rotație al manivelei, timp în care se realizează ciclul ideal Stirling. Funcția principală a mecanismului de acționare este reproducerea cea mai exactă a acestei relații. Cu toate acestea, satisfacția completă a cerințelor termodinamicii este posibilă numai cu mișcarea intermitentă a pistoanelor și dispozitiv mecanic incapabil să reproducă cu exactitate o astfel de mișcare. Deși, în principiu, este posibil să se creeze un mecanism care să reproducă legea schimbării volumului, aproape de ideal, trebuie luați în considerare și alți factori la proiectarea acestuia, și anume: simplitatea proiectării, compactitatea, factorii dinamici și posibilitatea instalării un sistem de etanșare.

Cu cât sunt mai multe piese în mișcare în mecanismul de acționare, cu atât este mai mică, de regulă, eficiența mecanică; în acest caz, avantajele datorate reproducerii legii variației volumului aproape de ideal pot fi compensate de eficiența generală scăzută a motorului. În plus, numărul mare de piese crește costul de fabricație al mecanismului de acționare, cost total costurile unitare și operaționale, precum și o scădere a fiabilității în comparație cu mecanismele de acționare ale motoarelor convenționale cu ardere internă. Spațiul în care ar trebui să „se potrivească” motorul Stirling poate fi, de asemenea, un factor determinant, iar acest lucru va lăsa proiectantului o alegere pe care să o prefere: un mecanism de acționare voluminos care oferă aproape lege perfectă modificări de volum sau un mecanism mai compact, dar reproduce legea schimbării de volum cu o precizie mai mică.

Factorii dinamici care trebuie luați în considerare la proiectare pot fi împărțiți în două grupe: legat de încărcarea dinamică și legat de echilibrarea dinamică a părților în mișcare ale motorului. Sarcini dinamice au o influență decisivă asupra determinării dimensiunilor de bază ale motorului Stirling. Analiza termodinamică a funcționării motorului impune anumite cerințe asupra volumului de lucru, lungimea bielei etc., totuși, cantitativ, aceste cerințe sunt exprimate prin parametri adimensionali și, prin urmare, nu stabilesc dimensiuni reale. Dimensionarea acestor componente se bazează pe calcule dinamice ulterioare, inclusiv determinarea sarcinilor portante, momentul de îndoire pe bielă etc.
de este fără zgomot și dacă este prevăzut un mecanism de acționare fără vibrații (și, prin urmare, echilibrat dinamic), atunci posibilitățile potențiale ale aplicației sale practice se vor extinde semnificativ. Mai multe mecanisme de acționare proiectate pentru motoarele Stirling îndeplinesc aceste cerințe.

Și, în cele din urmă, la motoarele Stirling cu deplasare mare, apare problema etanșărilor care separă cilindrii motorului de carter și izolarea carterului de presiune excesivă. Astfel, am enumerat principalii factori care influențează alegerea unui mecanism de acționare pentru un motor Stirling.

La motoarele Stirling, sunt utilizate cel mai des următoarele: mecanism de echilibrare a vârfurilor, acționare rombică, șaibă oblică și mecanism cu manivelă.

Primul din motorul Stirling a fost un mecanism de acționare încovoiat-vârf-balapsirp (Fig. 1.17), în care bara de echilibrare este articulată prin intermediul a două pârghii cu pistoanele de lucru și de deplasare, iar pistonul de lucru este condus direct de la arborele cotit. . Cu acest tip de unitate, o suprapresiune în carter este inevitabilă și, prin urmare, este potrivită doar pentru motoarele mici. O astfel de acționare nu asigură, de asemenea, echilibrarea dinamică a motorului cu un singur cilindru.

Creșterea puterii motorului Stirling în procesul de îmbunătățire a acestuia a dus la necesitatea izolării cilindrilor de carter pentru a evita suprapresiunea în carter. Această problemă este rezolvată prin instalarea unei unități rombice (Fig. 1.18), dezvoltată de Philips în anii '50. Avantajul unei astfel de acționări este, de asemenea, posibilitatea echilibrării dinamice, chiar și în cazul unui motor cu un singur cilindru. Principalele sale dezavantaje sunt complexitatea mecanismului, deoarece constă dintr-un număr mare de piese în mișcare, suprafețe de frecare etc. și prezența a două roți dințate cuplate în mecanism.

Șaibă oblică (fig. 1.19) este utilizată în principal la motoarele destinate instalării pe mașini, unde compactitatea este un factor decisiv unitate de putere... Un astfel de mecanism este echilibrat dinamic la un anumit unghi de înclinare a șaibei. De asemenea, facilitează izolarea cilindrilor de carter. Cu toate acestea, în cazul instalării motorului pe o mașină, problema fiabilității garniturilor apare în condițiile unei schimbări rapide a unui număr mare de cicluri. Șaiba oblică vă permite, de asemenea, să controlați puterea motorului prin schimbarea unghiului de înclinare a șaibei, ceea ce duce la schimbarea cursei pistoanelor motorului. În acest caz, motorul este echilibrat dinamic la o singură valoare a unghiului de spălare.

Mecanismul cu manivelă (Fig. 1.20) a fost utilizat în motoarele cu ardere internă de mai mulți ani. Este extrem de fiabil și acum s-a acumulat multă experiență în funcționarea sa. Acest mecanism este utilizat pe scară largă la motoarele Stirling cu acțiune dublă cu și fără capăt transversal. Avantajele mecanismului sunt fiabilitatea și ușurința de fabricare, cu toate acestea, echilibrarea dinamică a motorului cu un astfel de mecanism de acționare este practic de neatins.

Mecanismul manivelei, așa cum am putut vedea, nu este o soluție simplă la problema de acționare în cazul în care pistoanele de lucru și de deplasare sunt situate secvențial într-un singur cilindru. Cu toate acestea, un astfel de mecanism este pe scară largă

Acesta este utilizat în modificarea aspectului motorului Stirling cu doi cilindri. Inițial, această modificare a folosit pistoanele de lucru și de deplasare situate în doi cilindri conectați printr-o conductă scurtă (Fig. 1.21).

În secolul al XIX-lea. un astfel de motor a fost construit de Henrich și Robinson. În literatura cu privire la motoarele Stirling, începând cu (> 0s din secolul nostru și dincolo de aceasta, această variantă este adesea denumită configurație gamma.

Motoarele cu două cilindri au fost propuse de Ryder, ceea ce a dus la o creștere semnificativă a putere specificăîn comparație cu alte modificări ale motorului Stirling create în acel moment. De atunci, motoarele bicilindrice au câștigat o acceptare pe scară largă. În modificarea lui Ryder, în locul sistemului piston-deplasator se utilizează doi pistoane complet sigilate în cilindri. Schimbătoarele de căldură de tip "încălzitor - regenerator - frigider" sunt încorporate între doi cilindri, formând un canal de legătură (Fig. 1.22).

Acest aranjament a extins posibilitățile pentru crearea diverselor configurații ale motorului care implementează principiul Stirling; de exemplu, cilindrii pot fi localizați unul împotriva celuilalt orizontal sau vertical, paralel unul cu celălalt, sub forma literei V (Fig. 1.23) și în alte scheme.

Toate motoarele menționate mai sus sunt, în principiul lor general de funcționare, motoare cu acțiune simplă. Trebuie subliniat faptul că acest nume se referă la motor și nu la piston, deoarece deși
pistonul cu deplasare poate produce o acțiune dublă, cu suprafețele sale superioare și inferioare care controlează mișcarea gazului, motorul în ansamblu poate fi în continuare definit ca un motor acțiune simplă... Termenii „motor

Motorul cu acțiune simplă „” și „motorul cu acțiune dublă” în raport cu motoarele Stirling sunt utilizate pentru a caracteriza motorul în ansamblu. De exemplu, așa cum se arată mai jos, nu

Câte unități cu acțiune simplă pot fi combinate într-un motor cu acțiune dublă. Vom ilustra această metodă folosind exemplul de aranjare a cilindrilor propus de Ryder și numit și modificarea aspectului alfa (Fig. 1.24).

Un ciclu cu acțiune simplă este asigurat de acțiunea combinată a suprafeței superioare a unui piston și a suprafeței inferioare

Nasul unui alt piston în cilindrii adiacenți. Fluidul de lucru circulă între acești doi cilindri. Nu se deplasează prin întregul sistem - de la primul cilindru la al patrulea. Astfel, pistonul din fiecare cilindru îndeplinește funcțiile atât de piston de lucru, cât și de piston cu deplasare, și în același timp

Fiecare piston este implicat simultan în două cicluri de lucru. În consecință, într-un aranjament cu patru cilindri (Fig.1.24), patru cicluri separate au loc simultan:

Acest tip de motor Stirling a fost propus inițial de inginerul englez Siemens și independent de inginerii olandezi Reeny și Van Veen în timpul mandatului lor la Philips, unde a fost îmbunătățit. Motorul cu acțiune dublă este deosebit de eficient în dispozitivele de generare a puterii mecanice ■ datorită raportului său mare putere-greutate datorită pistonului care face o cursă completă pentru fiecare rotație a arborelui cotit din fiecare cilindru.

Aceasta înseamnă că într-un motor cu acțiune dublă, pistonul are două funcții (sau are o funcție duală):

1) umplerea cu fluidul de lucru a două cavități cu volum variabil și deplasarea fluidului de lucru din aceste cavități;

2) transferul forței pe arborele de ieșire.

Motoarele Stirling cu acțiune dublă trebuie să fie în mod inevitabil multicilindri, deoarece sunt necesare cel puțin trei pistoane pentru a obține procesele de expansiune și compresie cu schimbare de fază (necesitatea unei astfel de schimbări a fost observată mai devreme). În practică, totuși, se folosesc cel puțin patru pistoane, conectate la un arbore cotit, iar pistoanele adiacente acționează împreună într-o pereche, ceea ce realizează o acțiune dublă. Mecanismele de acționare a motorului cu acțiune dublă trebuie. îndepliniți cele două funcții de mai sus. Cel mai potrivit pentru aceasta pare să fie un arbore cotit convențional cu mai mulți rulmenți al unui motor în linie.

Orez. 1.26. Configurație coaxială] RIS "L25) - Acest tip de mecanism este un motor special cu acțiune dublă, potrivit în special pentru grupurile de propulsie mari.

Cea mai bună compactitate este asigurată de dispunerea cilindrilor într-un pătrat, așa-numitul aranjament coaxial (Fig. 1.26), care permite nu numai utilizarea sistem comun combustie, dar se aplică și Tipuri variate mecanisme de antrenare. Majoritatea tipurilor de mecanisme de acționare potrivite pentru astfel de motoare sunt modificări ale mecanismului cu tijă cu bielă, cu toate acestea, companiile „Philips”, „General Motors” și „Ford” au depus eforturi semnificative pentru îmbunătățirea mecanismului cu o șaibă oblică . Designul optim al acestui tip de unitate asigură eficiența mecanică. depășind 90%.

Configurațiile motorului Stirling în combinație cu diferite mecanisme de acționare sunt prezentate în fig. 1.27. Desigur, motivul alegerii unuia sau altui mecanism de acționare nu este doar compactitatea acestuia, ci și alți factori. Acești factori sunt discutați în detaliu în Sec. 2.5.

În toate motoarele luate în considerare până în prezent, au fost utilizate mecanisme de acționare în care pistoanele sunt conectate rigid între ele folosind diferite legături cinematice, iar aceste legături, la rândul lor, sunt conectate rigid la arborele de ieșire, care servește la transferul energiei mecanice din motor. Motorul Stirling poate funcționa fără mecanism
. ui Salutîntre pistoane. În acest caz, lucrătorul și deplasatorul sunt iii. pistoanele iii se numesc pistoane libere. Acest concept Tsii poate fi utilizat nu numai în motoarele Starinna, ci doar în legătură cu astfel de motoare. implementează cu succes. Pentru prima dată a întruchipat-o în realitate

Sunt". 1,38. Opțiuni pentru motoare cu fluid cu diferite modalități de transfer de energie.

Ra. șoc de presiune; b tija oscilantă; c - jet stream; 1 - mătușă fierbinte; 2 - cavitate rece; 3-balama; 4- restabilirea arcului.

„■ subiect. Sistemul face mișcări unghiulare și, din moment ce structura „temp” este rigidă, aceste mișcări unghiulare sunt transferate în coloanele fluidului de deplasare, unde neutralizează pierderile vâscoase și mențin oscilații stabile.

Motorul cu jet de fluid, precum și motorul cu presiune diferențială și ii, au o cavitate rece integrală.Tevile de rece și de ieșire sunt conectate la conducta fierbinte de la baza sa. Această conexiune oferă un efect de jet.
Menisc în cavitatea fierbinte, o parte din lichid este deviată către cavitatea rece, ceea ce face ca coloana de lichid din conducta rece să se deplaseze în sus, iar în timpul cursei de întoarcere, lichidul care intră în conducta fierbinte determină fluxul din conducta rece deplasați-vă în deplasator cu accelerație. Acest lucru realizează atât cursa ascendentă, cât și cursa descendentă.

Orez. 1,39. Etape secvențiale de „pornire automată” a motorului „Fluidină”.

A - poziția inițială înainte de lansare; b - faza de expansiune; c - depășire primară: g - depășire secundară; e - faza de autoexcitație.

Efectul s reactiv, trui. Cu toate acestea, procesele reale care au loc în această conexiune hidraulică nu au fost încă suficient investigate. În ciuda acestui fapt, versiunea cu jet este cea mai comună printre motoarele cu fluidă. Ciclul de funcționare al unui motor cu reacție va fi discutat mai jos.

Acum, să aruncăm o privire mai atentă asupra proceselor care apar secvențial la pornirea motorului Fluidine, deoarece una dintre cele mai importante caracteristici ale sale este posibilitatea de „auto-pornire”.

Secvența proceselor în timpul auto-pornirii este prezentată în Fig. 1,39. În poziția de pornire, nivelurile fluidului huh2 și h3 sunt determinate de valorile presiunii statice din conducte. Dacă presiunea din cavitățile de lucru depășește
Dacă volumul este egal cu cel atmosferic, atunci toate nivelurile sunt aceleași (rețineți că nivelurile hi și h2 în acest moment sunt întotdeauna aceleași). Când energia termică este furnizată la conducta dreaptă 1, temperatura fluidului de lucru crește și se extinde. Presiunea din cavitățile de lucru crește și, din această cauză, nivelurile de lichid din conductele calde și reci încep, de asemenea, să scadă. În același timp, nivelul lichidului din conducta de ieșire crește. Trebuie remarcat faptul că toate modificările în nivelul lichidului este foarte mic.Dilatarea primară duce la pornirea automată a dispozitivului numai după atingerea unei oscilații critice a parametrului Tss , în funcție de valorile principale ale parametrilor care determină condițiile de funcționare ale motorului:

Această formulă se bazează pe o analiză a fenomenului discutat în detaliu în Sec. 1.6. Pentru majoritatea motoarelor "Flui - 1ain" Tss ~ 0.1.

La sfârșitul fazei de expansiune primară, nivelul lichidului din conducta de ieșire continuă să crească datorită inerției lichidului în mișcare. Nivelul lichidului pe partea fierbinte continuă să scadă până când se ajunge la un echilibru între lichid și mediul de lucru. În acest moment, nivelul lichidului în conducta laterală rece este mai mare decât în ​​conducta laterală fierbinte. Această condiție, constând într-o succesiune de faze care se înlocuiesc reciproc la pornirea motorului, se numește „depășire primară”.

De îndată ce gravitația oprește mișcarea ascendentă a lichidului în conducta de ieșire, nivelul lichidului de pe partea fierbinte se stabilizează, de asemenea; în același timp, există tendința ca nivelurile de lichid să se egalizeze pe părțile calde și reci. În consecință, nivelul lichidului în conducta fierbinte crește, iar în ieșire scade. În același timp, volumul gazului încălzit și presiunea acestuia în cavitatea de lucru scad datorită scăderii temperaturii în această cavitate datorită creșterii nivelului de lichid în conducta fierbinte și a scăderii corespunzătoare a cantității de lucru gazul fiind încălzit. Aceste procese sunt facilitate de mișcarea continuă în jos a nivelului lichidului în conducta de ieșire, ceea ce determină un cap dinamic semnificativ în conexiunea hidraulică și o creștere suplimentară a nivelului în conducta pe partea fierbinte. Împreună, aceste procese determină creșterea nivelului de lichid din conducta de pe partea fierbinte la un nivel mai mare decât nivelurile din celelalte două conducte. Această condiție se numește depășire secundară. Aceasta duce la o creștere suplimentară a potențialului gravitațional între menisci.

În acest moment, sistemul se află într-o stare de echilibru instabil, iar nivelurile lichidului încep să se deplaseze către o stare de echilibru stabil. Nivelul lichidului pe partea fierbinte este redus, ceea ce permite mai multor fluide de lucru să primească energie din sursa de energie. Corpul de lucru se extinde și procesul începe din nou,

Cu toate acestea, oscilațiile devin acum excitate de sine și stabile.

Ciclul de funcționare descris mai sus are aceeași bază fizică ca și ciclul pentru un sistem dublu cu țevi în U.

Fluidina poate funcționa atât în ​​mod umed, cât și în mod uscat. În primul caz, există contact între fluidul deplasat și fluidul de lucru. În al doilea, suprafețele lichidului și gazului de lucru sunt separate fie de un strat de gaz „inert”, fie de un plutitor mecanic. Energia din fluid este generată sub formă de vibrații ale fluidului în conducta de ieșire și acest lucru este convenabil în special pentru utilizarea motorului ca suflantă. (Istoria tehnologiei cunoaște un dispozitiv foarte similar - o pompă Humphrey cu buclă deschisă.) Efectul de pompare este realizat în două moduri principale, cunoscute sub numele de pompare directă și indirectă. În primul caz, conducta de ieșire sau rezonantă este complet transformată în partea de livrare a pompei, în timp ce cu injecție indirectă, conducta rezonantă rămâne în forma sa originală, iar efectul de injecție este realizat folosind un canal separat conectat la cavitate rece (Fig. 1.40, 1.41) ...

În cazul pompării indirecte, este dificil de realizat „auto-tanycK” și sunt necesare dispozitive suplimentare speciale, cum ar fi o linie de drenare construită în paralel cu ieșirea grosieră și care acționează ca un dispozitiv de pompare primar.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că în „fluidul” „umed” este imposibil să se instaleze regeneratoare cu garnituri, deoarece acestea nu sunt foarte eficiente în atmosfera de ceață formată

În vapori de lichid. Absența unui regenerator în „Fluy-1ain” „umed” poate explica probabil de ce astfel de motoare au un randament foarte scăzut. Cu toate acestea, trebuie luat în considerare faptul că „fluidul” „umed” poate funcționa numai la temperaturi de 350 K (77 ° C) și diferența de temperatură în timpul alimentării și eliminării căldurii nu mai mare de 25 ° C. În aceste condiții, eficiența ciclului Carnot este mai mică de 10%.

Cele 15 motoare Stirling discutate mai sus foloseau un fluid de lucru gazos; chiar și în „Fluidina” „umedă”, fluidul de lucru este gazos în majoritatea covârșitoare a cazurilor. În prezent, sunt prezentate propuneri pentru utilizarea fluidelor de lucru cu o fază în schimbare, de exemplu, cele utilizate la motoarele cu aburi și turbine cu abur, dar nu există informații că astfel de dispozitive funcționează cu succes sau cel puțin au fost dezvoltate. În anii 1930, inginerul englez Malone a construit o mașină cu acțiune alternativă cu un nichel închis, folosind un lichid ca fluid de lucru. Walker sugerează că motorul Malone este de fapt un motor Stirling, iar publicația unică a lui Malone pare să ofere dovezi suplimentare.

4 Zak. 839 pentru această presupunere. Cu toate acestea, o analiză mai atentă și o discuție detaliată ulterioară a acestei probleme într-o echipă de cercetători care lucrează în acest domeniu sub îndrumarea prof. Univ. Wheatley de la Universitatea din California (San Diego, SUA), a condus la concluzia că cel mai probabil motorul Malone funcționează pe un ciclu similar cu cel al unui motor Stirling, dar cu diferențe semnificative. În același timp, motorul Malone, după o ușoară modificare, se poate potrivi exact cu motorul Stirling. Cu toate acestea, o serie de întrebări rămân neclare cu privire la principiile de funcționare ale motorului Malone, chiar și în forma sa originală, deci considerăm prematur să încercăm să descriem ciclul său de funcționare.

Ciclurile de funcționare ale diferitelor forme ale motorului Stirling, care transformă energia termică în energie mecanică, au fost deja descrise de noi. Toate aceste motoare au aceleași principii de bază ale funcționării, dar există unele diferențe în ceea ce privește proiectarea, mai ales când vine vorba de modalitățile de utilizare a energiei generate. Diagramele schematice și descrierile detaliate, deși sunt foarte utile pentru a facilita înțelegerea principiilor de bază pe care se bazează aceste motoare, nu ușurează întotdeauna lucrurile atunci când este necesar să se determine dacă dispozitivul în cauză este un motor Stirling. În secțiunea următoare, sunt prezentate fotografii și descrieri ale motoarelor Stirling deja construite de diferite tipuri, ceea ce va elimina aceste dificultăți.

1. Introducere …………………………………………………………………………… 3

2. Istorie …………………………………………………………………………… 4

3. Descriere ………………………………………………………………………… 4

4. Configurare …………………………………………………………………. 6

5. Dezavantaje …………………………………………………………………… .. 7

6. Avantaje ………………………………………………………………… 7

7. Cerere ………………………………………………………………………. opt

8. Concluzie ………………………………………………………………………. unsprezece

9. Referințe ……………………………………………………… .. 12

Introducere

La începutul secolului 21, omenirea privește viitorul cu optimism. Există cele mai convingătoare motive pentru aceasta. Gândirea științifică nu stă pe loc. Astăzi ni se oferă din ce în ce mai multe noi dezvoltări. Din ce în ce mai multe tehnologii economice, ecologice și promițătoare sunt introduse în viața noastră

Acest lucru se aplică, în primul rând, construcției de motoare alternative și utilizării așa-numiților „noi” combustibili alternativi: vânt, soare, apă și alte surse de energie.

Datorită motoarelor de tot felul, o persoană primește energie, lumină, căldură și informații. Motoarele sunt inima care bate în timp odată cu dezvoltarea civilizației moderne. Acestea asigură creșterea producției, scurtează distanța. Motoarele cu ardere internă răspândite în prezent au o serie de dezavantaje: funcționarea lor este însoțită de zgomot, vibrații, emit gaze de eșapament dăunătoare, poluând astfel natura noastră și consumă mult combustibil. Dar astăzi există deja o alternativă la ele. Clasa motoarelor, ale căror prejudicii sunt minime, sunt motoarele Stirling. Acestea funcționează într-un ciclu închis, fără micro-explozii continue în cilindrii de lucru, practic fără eliberarea de gaze dăunătoare și au nevoie de mult mai puțin combustibil.

Inventat cu mult înainte de motorul cu ardere internă și diesel, motorul Stirling a fost uitat nemeritat.

Renașterea interesului pentru motoarele Stirling este de obicei asociată cu activitățile Philips. Lucrările la proiectarea motoarelor Stirling de mică putere au început în companie la mijlocul anilor 30 ai secolului al XX-lea. Scopul lucrării a fost de a crea un mic generator electric cu un nivel de zgomot redus și o unitate termică pentru alimentarea echipamentelor radio în zone din lume fără surse regulate de alimentare cu energie electrică. În 1958, General Motors a încheiat un acord de licențiere cu Philips, iar relația lor a continuat până în 1970. Dezvoltările au fost legate de utilizarea motoarelor Stirling pentru centralele spațiale și subacvatice, mașinile și navele, precum și pentru sistemele de alimentare staționare. Compania suedeză United Stirling, care și-a concentrat eforturile în principal pe motoare pentru vehicule grele, și-a extins interesele către domeniul motoarelor pentru autoturisme. Interesul real pentru motorul Stirling a fost reînviat doar în timpul așa-numitei „crize energetice”. Atunci potențialul acestui motor în raport cu consumul economic de combustibil lichid convențional părea a fi deosebit de atractiv, ceea ce părea a fi foarte important în legătură cu creșterea prețurilor combustibililor.

Istorie

Motorul Stirling a fost brevetat pentru prima dată de preotul scoțian Robert Stirling la 27 septembrie 1816 (brevetul englez nr. 4081). Cu toate acestea, primele „motoare cu aer cald” elementare erau cunoscute la sfârșitul secolului al XVII-lea, cu mult înainte de Stirling. Realizarea lui Stirling este adăugarea unui purificator, pe care el îl numește „economie”. În literatura științifică modernă, acest purificator este numit „regenerator” (schimbător de căldură). Crește performanța motorului prin prinderea căldurii în partea caldă a motorului în timp ce fluidul de lucru este răcit. Acest proces îmbunătățește foarte mult eficiența sistemului. 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 capacitate de peste două sute de cai putere și o rentabilitate mai mare de 30%. Motorul Stirling are multe avantaje și a fost răspândit în epoca motoarelor cu aburi.

Descriere

Motorul lui Stirling- un motor termic, în care un lichid sau un gaz gazos se deplasează într-un volum închis, un fel de motor cu ardere externă. Se bazează pe încălzirea și răcirea periodică a fluidului de lucru cu extragerea energiei din modificarea rezultată a volumului fluidului de lucru. Poate funcționa nu numai din combustia de combustibil, ci și din orice sursă de căldură.

În secolul al XIX-lea, inginerii au dorit să creeze o alternativă sigură la motoarele cu aburi ale vremii, ale căror cazane explodau adesea din cauza presiunilor mari de abur și a materialelor inadecvate pentru construcția lor. O bună alternativă la motoarele cu abur a apărut odată cu crearea motoarelor Stirling, care ar putea transforma orice diferență de temperatură în lucru. Principiul de bază al funcționării motorului Stirling este alternarea constantă a încălzirii și răcirii fluidului de lucru într-un cilindru închis. De obicei, aerul acționează ca mediu de lucru, dar se utilizează și hidrogen și heliu. În mai multe eșantioane experimentale, au fost testați freoni, dioxid de azot, propan-butan lichefiat și apă. În acest din urmă caz, apa rămâne în stare lichidă în toate părțile ciclului termodinamic. Particularitatea stirling-ului cu un fluid de lucru lichid este dimensiunea sa redusă, densitatea mare a puterii și presiunile ridicate de lucru. Există, de asemenea, un stil cu un fluid de lucru în două faze. De asemenea, se caracterizează prin densitate mare de putere și presiune mare de lucru.

Din termodinamică se știe că presiunea, temperatura și volumul unui gaz sunt corelate și respectă legea gazelor ideale

• P este presiunea gazului;
• V este volumul de gaz;
• n este numărul de moli de gaz;
• R este constanta universală a gazului;
• T este temperatura gazului în Kelvin.

Aceasta înseamnă că, atunci când gazul este încălzit, volumul său crește, iar când se răcește, acesta scade. Această proprietate a gazelor stă la baza funcționării motorului Stirling.

Motorul Stirling folosește ciclul Stirling, care nu este inferior ciclului Carnot din punct de vedere al eficienței termodinamice și chiar are un avantaj. Faptul este că ciclul Carnot constă din izoterme și adiabate puțin diferite. Implementarea practică a acestui ciclu nu este foarte promițătoare. Ciclul Stirling a făcut posibilă obținerea unui motor practic funcțional în dimensiuni acceptabile.

Ciclul Stirling este format din patru faze și este împărțit în două faze de tranziție: încălzire, expansiune, tranziție la o sursă rece, răcire, compresie și tranziție la o sursă de căldură. Astfel, la trecerea de la o sursă caldă la o sursă rece, gazul din butelie se extinde și se contractă. Diferența volumelor de gaz poate fi transformată în lucru, ceea ce face motorul Stirling. Ciclul de funcționare al unui motor Stirling de tip beta este:

1

2

3

4

unde: a - piston cu deplasare; b - piston de lucru; c - volant; d - foc (zonă de încălzire); e - aripioare de răcire (zona de răcire).

1. O sursă externă de căldură încălzește gazul de la baza cilindrului schimbătorului de căldură. Presiunea generată împinge pistonul de lucru în sus (rețineți că pistonul cu deplasare nu se potrivește perfect pe pereți).
2. Volanta împinge pistonul de deplasare în jos, deplasând astfel aerul încălzit de jos în camera de răcire.
3. Aerul se răcește și se contractă, pistonul coboară.
4. Pistonul cu deplasare se deplasează în sus, deplasând astfel aerul răcit în partea de jos. Și ciclul se repetă.

Într-o mașină Stirling, mișcarea pistonului de lucru este deplasată cu 90 ° față de mișcarea pistonului cu deplasare. În funcție de semnul acestei schimbări, mașina poate fi un motor sau o pompă de căldură. La o schimbare de 0, mașina nu efectuează nicio lucrare (în afară de pierderile prin frecare) și nu o generează.

Beta Stirling- există un singur cilindru, fierbinte de la un capăt și rece de celălalt. Un piston (din care se scoate puterea) și un „deplasator” se mișcă în interiorul cilindrului, schimbând volumul cavității fierbinți. Gazul este pompat de la frig la capătul fierbinte al buteliei prin regenerator. Regeneratorul poate fi extern, face parte dintr-un schimbător de căldură sau poate fi combinat cu un piston cu deplasare.

Gamma Stirling- există, de asemenea, un piston și un „deplasator”, dar în același timp există doi cilindri - unul rece (pistonul se mișcă acolo, din care se scoate puterea), iar al doilea este fierbinte de la un capăt și rece de la celălalt (se deplasează acolo un „dislocator”). Regeneratorul conectează partea fierbinte a celui de-al doilea cilindru cu cel rece și simultan cu primul cilindru (rece).