Calcul motor Stirling. Centrale electrice cu motoare Stirling - simplitate, economie și siguranță pentru mediu

Ecologia consumului Stiinta si tehnologie: Motorul Stirling este cel mai des folosit in situatiile in care este necesar un dispozitiv de conversie a energiei termice, care este simplu si eficient.

Cu mai puțin de o sută de ani în urmă, motoare combustie interna au încercat să-și câștige locul de drept în competiție printre alte mașini și mecanisme de mișcare disponibile. În același timp, în acele vremuri, superioritatea motor pe benzina nu era atât de evident. Mașini existente pe motoare cu aburi caracterizat prin zgomot, caracteristici excelente de putere pentru acea perioadă, ușurință de întreținere, capacitatea de utilizare de diverse feluri combustibil. În continuarea luptei pentru piață, motoarele cu ardere internă au predominat datorită eficienței, fiabilității și simplității lor.

Cursa ulterioară pentru îmbunătățirea unităților și mecanismelor de conducere, în care au intrat la mijlocul secolului al XX-lea turbine cu gazși tipurile de motoare rotative, au condus la faptul că, în ciuda supremației motorului pe benzină, s-au încercat introducerea completă a noul fel motoare - termice, inventate pentru prima dată în 1861 de un preot scoțian pe nume Robert Stirling. Motorul a fost numit după creatorul său.

MOTOR STIRLING: LATURA FIZICĂ A PROBLEMEI

Pentru a înțelege cum funcționează o centrală electrică de masă Stirling, ar trebui să înțelegeți Informații generale pe principiile de funcționare a motoarelor termice. Din punct de vedere fizic, principiul de funcționare este utilizarea energiei mecanice, care se obține atunci când un gaz se dilată când este încălzit și apoi se comprimă când se răcește. Pentru a demonstra principiul de funcționare, puteți da un exemplu bazat pe o sticlă obișnuită de plastic și două oale, dintre care unul conține apă rece, celălalt fierbinte.

La coborarea sticlei în apă rece, a cărui temperatură este apropiată de temperatura de formare a gheții cu o răcire suficientă a aerului din interiorul recipientului de plastic, ar trebui să fie închis cu un dop. În plus, atunci când sticla este pusă în apă clocotită, după un timp dopul „ișoară” cu forță, deoarece în în acest caz aerul încălzit a efectuat o muncă de multe ori mai mare decât cea efectuată în timpul răcirii. Cu repetarea repetată a experimentului, rezultatul nu se schimbă.

Primele mașini, care au fost construite folosind motorul Stirling, au reprodus fidel procesul demonstrat în experiment. Desigur, mecanismul a necesitat o îmbunătățire a utilizării unei părți din căldura pe care gazul a pierdut-o în timpul procesului de răcire pentru încălzire ulterioară, permițând căldurii să fie returnată gazului pentru a accelera încălzirea.

Dar nici aplicarea acestei inovații nu a putut salva starea de lucruri, deoarece primii Stirling se distingeau prin dimensiunile mari și puterea redusă. În viitor, de mai multe ori s-au încercat modernizarea designului pentru a atinge o putere de 250 CP. a dus la faptul că, cu un cilindru cu diametrul de 4,2 metri, puterea reală de ieșire a centralei Stirling de 183 kW era de fapt de doar 73 kW.

Toate motoarele Stirling funcționează pe principiul ciclului Stirling, care include patru faze principale și două faze intermediare. Principalele sunt încălzirea, expansiunea, răcirea și contracția. Trecerea la generatorul de rece și trecerea la elementul de încălzire sunt considerate ca etapă de tranziție. Munca utilă efectuată de motor se bazează exclusiv pe diferența de temperatură dintre părțile de încălzire și de răcire.

CONFIGURAȚII STIRLING MODERNE

Ingineria modernă distinge între trei tipuri principale de astfel de motoare:

• alfa-styling, a cărui diferență este în două pistoane active situate în cilindri separați. Dintre toate cele trei variante acest model diferă cel mai mult de mare putere având cea mai mare temperatură a pistonului de încălzire;
• beta-styling, bazat pe un cilindru, din care o parte este fierbinte, iar cealaltă este rece;
• gama-styling, care, pe lângă piston, are și un deplasator.

Producția centralei Stirling va depinde de alegerea modelului de motor, care va ține cont de toate aspectele pozitive și laturi negative proiect similar.

AVANTAJE ȘI DEZAVANTAJE

Datorită caracteristicilor lor de design, aceste motoare au o serie de avantaje, dar nu sunt lipsite de dezavantaje.

Centrala electrică desktop Stirling, care nu poate fi cumpărată într-un magazin, ci doar de la amatori care colectează în mod independent astfel de dispozitive, includ:

• dimensiuni mari, care sunt cauzate de nevoia de răcire constantă a pistonului de lucru;
• utilizare presiune ridicata ceea ce este necesar pentru a îmbunătăți performanța și puterea motorului;
• pierderea de căldură, care are loc datorită faptului că căldura generată nu este transferată către sine corp de lucru, dar printr-un sistem de schimbătoare de căldură, a căror încălzire duce la o pierdere de eficiență;
• o reducere drastică a puterii necesită aplicarea unor principii speciale care diferă de motoarele tradiționale pe benzină.

Alături de dezavantaje, centralele care funcționează pe unități Stirling au avantaje incontestabile:

• orice tip de combustibil, pentru că, ca orice motoare care utilizează energie termică, acest motor capabil să funcționeze la o diferență de temperatură în orice mediu;
• rentabilitatea. Aceste dispozitive pot fi un excelent substitut pentru unitățile de abur în cazurile de necesitate a procesării energiei solare, oferind o eficiență cu 30% mai mare;
• Siguranța mediului... Deoarece centrala electrică de masă kW nu creează un moment de evacuare, nu generează zgomot și nu emite în atmosferă Substanțe dăunătoare... Căldura obișnuită acționează ca o sursă de energie, iar combustibilul se arde aproape complet;
• simplitate constructivă. Pentru funcționarea sa, Stirling nu necesită piese sau accesorii suplimentare. Este capabil să pornească independent, fără a utiliza un starter;
• durata de viata crescuta. Datorită simplității sale, motorul poate oferi mai mult de o sută de ore de funcționare continuă.

APLICAȚII MOTOR STIRLING

Motorul Stirling este cel mai des folosit în situațiile în care este necesar un dispozitiv de conversie a energiei termice, ceea ce este simplu, în timp ce eficiența altor tipuri de unități termice este semnificativ mai scăzută în condiții similare. Foarte des, astfel de unități sunt folosite pentru alimentarea echipamentelor de pompare, a camerelor frigorifice, a submarinelor, a bateriilor care stochează energie.

Unul dintre direcții promițătoare Motoarele Stirling sunt folosite în centralele solare, deoarece această unitate poate fi folosită cu succes pentru a converti energia razelor solare în energie electrică. Pentru a realiza acest proces, motorul este plasat în focarul unei oglinzi care acumulează razele solare, ceea ce asigură iluminarea permanentă a zonei care necesită încălzire. Acest lucru vă permite să vă concentrați energie solaraîntr-o zonă restrânsă. În acest caz, combustibilul pentru motor este heliu sau hidrogen. publicat de

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 munca depusă de piston pentru comprimarea mediului de lucru este mai mică decât munca pe care o face pistonul atunci când extinde mediul de lucru, motorul generează energie mecanică utilă.

2. În principiu, în prezența regenerării, este necesară doar furnizarea de căldură pentru a preveni răcirea fluidului de lucru în timpul expansiunii sale și pentru a elimina căldura degajată în timpul comprimării sale.

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

4. Modificările de volum în aceste două cavități nu ar trebui să fie în fază, iar modificările ciclice rezultate ale volumului 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 la chiulasa, presiunea fluidului de lucru crește, iar pistonul începe să se miște spre dreapta sub acțiunea fluidului de lucru în expansiune (Fig. 1.5).

Când fluidul de lucru se extinde, presiunea din cilindru scade. Pentru a compensa răcirea fluidului de lucru în timpul expansiunii sale, alimentarea cu căldură continuă, datorită căruia procesul

Curge la temperatura constanta... Când pistonul ajunge în poziția cea mai dreaptă (centrul mort inferior), alimentarea cu căldură se oprește și începe răcirea chiulasei cu ajutorul unei surse externe (Fig. 1.6).

Presiunea continuă să scadă în timpul procesului de răcire. Apoi pistonul începe să se miște spre stânga, comprimând gazul. Proces

Orez. 1.8. Finalizarea ciclului de lucru.

În acest caz, răcirea continuă să compenseze încălzirea în timpul compresiei, astfel încât comprimarea se desfășoară și la o temperatură constantă (Fig. 1.7).

Când pistonul atinge poziția cea mai din stânga ( top mort puncte) dispozitivul de răcire este înlocuit cu o sursă de căldură (Fig. 1.8).

Această secvență poate fi reprezentată în diagrame de stare termodinamică (Fig. 1.9).

Deoarece procesul de expansiune la cald are loc la o presiune medie mai mare decât procesul de compresie răcită, motorul funcționează muncă utilă Cu toate acestea, această metodă de furnizare și îndepărtare a căldurii este greoaie și nepractică, deoarece capacitatea de căldură a materialelor din care este făcută chiulasa este prea mare pentru a atinge nivelul 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 lucru mecanic este prezentat aici destul de precis.

Volum A

Se pune problema transpunerii acestui concept în practică. O soluție evidentă ar fi menținerea unei constante la un capăt al cilindrului febră mare, iar pe de altă parte - un scăzut constant. 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 emite simultan căldură în faze alternative ale procesului. Robert Sterling a depășit această dificultate prin introducerea unui piston de deplasare, sau deplasator, situat în serie cu pistonul original, care a primit

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

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

Când dispozitivul de deplasare se deplasează în sus spre capătul fierbinte al cilindrului, fluidul de lucru încălzit intră în cavitatea rece prin golul inelar de pe pereții laterali ai deplasării.
piston. În acest caz, presiunea fluidului de lucru scade din cauza răcirii. Nu există supape în cilindru, așa că dacă nu țineți cont de 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 prin golul inelar din jurul suprafeței laterale a pistonului în cavitatea fierbinte pentru încălzire. De la ora

Când pistonul de deplasare se mișcă, presiunea la ambele capete este întotdeauna aceeași; nu se cheltuiește niciun lucru pentru această mișcare.

Mișcarea pistoanelor de deplasare și de lucru este defazată. O explicație a acestui lucru din punct 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 fie într-o cavitate fierbinte, iar într-o altă fază a ciclului - într-una rece, atunci ambele pistoane nu pot fi în aceeași fază. Pentru a obține o astfel de mișcare defazată a pistonului este necesară. un mecanism de antrenare diferit de cel convenţional. Un exemplu de mecanism folosit de Stirling însuși este prezentat în Fig. 1.12.

Este nevoie de încă un element pentru a obține motorul Stirling așa cum este cunoscut astăzi. Este un regenerator sau „economizator”, așa cum l-a numit inițial Stirling. Când pistonul de 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 la frigider. După ce fluidul de lucru este comprimat, acesta se deplasează în cavitatea fierbinte prin cea rece, răcind suplimentar. În consecință, fluidul de lucru intră în cavitatea fierbinte mai rece decât este necesar, iar în cea rece - mai fierbinte.

Dacă o plasă de sârmă de oțel este instalată în golul inelar din jurul pistonului de deplasare, prin care curge fluidul de lucru, atunci fluidul de lucru, care trece prin acest gol din cavitatea fierbinte în cavitatea rece, va avea o temperatură mai mare decât ochiul și , prin urmare, va degaja căldură această grilă. În acest caz, grila acționează ca un pre-răcitor, reducând sarcina termică a răcitorului principal. După procesul de compresie, 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 aportul de energie necesar. Sistemul descris ca un întreg este prezentat în Fig. 1.13.

Deși circuitul prezentat în fig. 1.13, găsește aplicare 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, s-au folosit 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 ușor.

În fig. 1 14, iar pistonul de lucru este în poziția extremă inferioară, dispozitivul de deplasare este în poziția extremă superioară, iar întregul fluid de lucru este închis într-o cavitate rece. Apoi, sub acțiunea forțelor externe, pistonul de lucru începe să se miște în sus, comprimând fluidul de lucru în cavitatea rece, iar temperatura fluidului de lucru este menținută la un nivel minim. La punctul 2 (Fig. 1.15), pistonul de deplasare este încă în poziția sa cea mai sus, locul de lucru.
pistonul își încheie mișcarea ascendentă, iar procesul de comprimare se încheie (Fig. 1.14.6). Pistonul de lucru rămâne în punctul mort superior, iar pistonul de deplasare începe să se miște 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 fluidului de lucru din regenerator. Punctul 3 corespunde șederii întregului fluid de lucru în cavitatea fierbinte, la

Prin aceasta, pistonul de lucru rămâne încă în punctul mort superior. Trebuie remarcat faptul că pistonul de deplasare la punctul 3 nu a ajuns încă la extrem poziție inferioară.

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 miște împreună în jos până când își iau poziția cea mai de jos. În procesul dintre punctele 3 și 4, se realizează o muncă pozitivă. Punctul 4 corespunde staționării ambelor pistoane în partea inferioară a acestora puncte oarbe... 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 renunță la regenerator restul căldurii sale. În procesul 4 - 1, volumul rămâne neschimbat și presiunea scade. Așa se realizează 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 observat că mișcarea lor de-a lungul întregului ciclu 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 ilustrată clar prin diagrama mișcărilor pistonului (Fig. 1.16).

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

Cavitatea de expansiune la cald este definită de un volum variabil VEîntre chiulasa și capătul superior al pistonului de deplasare. Este format numai prin mișcarea pistonului de deplasare. Cavitatea de compresie la rece este determinată de volumul variabil Vc dintre capătul inferior al pistonului de deplasare și capătul superior al pistonului de lucru. Volumul încălzitorului, al frigiderului, al regeneratorului și al conductelor adiacente este un volum nefuncțional și se numește volumul spațiului mort (volum mort) VD. Orice volum mort reduce puterea generată de motor și trebuie menținut la minimul admis caracteristici de proiectare motor. Cu toate acestea, în unele condiții, prin creșterea volumului mort, este posibilă creșterea Eficiența motorului.

Acum ar fi necesar să luăm în considerare problemele de termodinamică, dinamica gazelor și transferul de căldură, care trebuie rezolvate pentru implementarea principiului Stirling. De asemenea, nu a fost cucerit
dificultăți asociate cu complexitatea ridicată a mecanismului de antrenare și nevoia 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 Stirling ideal. Funcția principală a mecanismului de antrenare este reproducerea cea mai exactă a acestei relații. Cu toate acestea, satisfacerea 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 modificării volumului, aproape de ideal, la proiectare trebuie să se țină cont de alți factori și anume: simplitatea designului, compactitatea, factorii dinamici și posibilitatea instalării. un sistem de etanșare.

Cu cât mai multe piese în mișcare în mecanismul de antrenare, cu atât eficiența mecanică este, de regulă, mai mică; în acest caz, avantajele datorate reproducerii legii de variație a volumului aproape de ideal pot fi compensate de randamentul global scăzut al motorului. În plus, numărul mare de piese crește costul de producție al mecanismului de antrenare, cost total costurile unitare și de operare, precum și o scădere a fiabilității în comparație cu mecanismele de antrenare ale motoarelor convenționale cu ardere internă. Spațiul în care ar trebui să se „adapte” motorul Stirling poate fi, de asemenea, un factor determinant, iar acest lucru îi va lăsa pe proiectant să aleagă pe care să o prefere: un mecanism de antrenare voluminos care oferă aproape legea perfectă modificări de volum, sau un mecanism mai compact, dar reproduce legea modificării volumului cu mai puțină acuratețe.

Factorii dinamici care trebuie luați în considerare la proiectare pot fi împărțiți în două grupe: legate de încărcarea dinamică și legate de echilibrarea dinamică a părților mobile ale motorului. Sarcini dinamice au o influență decisivă asupra determinării dimensiunilor de bază ale motorului Stirling. Analiza termodinamică a funcționării motorului impune anumite cerințe privind volumul de lucru, lungimea bielei etc., totuși, cantitativ aceste cerințe sunt exprimate prin parametri adimensionali și, prin urmare, nu stabilesc niciun fel de dimensiuni reale... Dimensionarea acestor componente se bazează pe calcule dinamice ulterioare, inclusiv determinarea sarcinilor lagărului, momentul încovoietor pe biela etc.
de este silențios, iar dacă este prevăzut un mecanism de antrenare fără vibrații (și, prin urmare, echilibrat dinamic), atunci potențialul său aplicație practică se va extinde semnificativ. Mai multe mecanisme de antrenare concepute pentru motoarele Stirling îndeplinesc aceste cerințe.

Și, în sfârșit, la motoarele Stirling de mare cilindree se pune problema etanșărilor care separă cilindrii motorului de carter și izolează carterul de excesul de presiune. Astfel, am enumerat principalii factori care influențează alegerea unui mecanism de antrenare pentru un motor Stirling.

În motoarele Stirling, sunt utilizate cel mai adesea următoarele: strâmb - mecanism de echilibrare a vârfurilor, antrenare rombica, șaibă oblică și mecanism de manivelă.

Primul din motorul Stirling a fost un mecanism de antrenare crooked-spice-balapsirped (Fig. 1.17), în care bara de echilibru este articulată prin intermediul a două pârghii cu pistoanele de lucru și de deplasare, iar pistonul de lucru este antrenat direct din arbore cotit... La acest tip de antrenare, o suprapresiune în carter este inevitabilă și, prin urmare, este potrivită doar pentru motoare mici... De asemenea, o astfel de unitate nu asigură 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 suprapresiuneîn carter. Această problemă este rezolvată prin instalarea unui drive rombic (Fig. 1.18), dezvoltat de Philips în anii 50. Avantajul unei astfel de acționări este și 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 mobile, suprafețe de frecare etc. și prezența a două roți dințate cuplate în mecanism.

Șaiba 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 al mașinii de spălat. De asemenea, facilitează izolarea cilindrilor de carter. Cu toate acestea, în cazul instalării motorului pe o mașină, problema fiabilității etanșărilor apare în condițiile unei schimbări rapide a unui număr mare de cicluri. De asemenea, șaiba oblică vă permite să controlați puterea motorului prin modificarea unghiului de înclinare a șaibei, ceea ce duce, la rândul său, la o modificare a cursei pistoanelor motorului. În acest caz, motorul este echilibrat dinamic la o singură valoare a unghiului spălării.

Mecanismul manivelă (Fig. 1.20) a fost folosit la motoarele cu ardere internă de mulți ani. Este extrem de fiabil și până acum s-a acumulat multă experiență în funcționarea sa. Acest mecanism este utilizat pe scară largă la motoarele Stirling. cu dublă acțiune cu sau fără cruce. 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, după cum am putut vedea, nu este solutie simpla probleme de antrenare atunci când pistoanele de lucru și de deplasare sunt amplasate secvenţial în același cilindru. Cu toate acestea, un astfel de mecanism este larg

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

În secolul al XIX-lea. un astfel de motor a fost construit de Henrich și Robinson. În literatura despre motoarele Stirling, începând cu (> 0 ani ai secolului nostru și mai departe, această variantă este adesea denumită configurația gamma.

Motoarele cu doi 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 cu doi cilindri au câștigat o acceptare pe scară largă. În modificarea lui Ryder, în locul sistemului piston-deplasator sunt utilizate două pistoane complet etanșate în cilindri. Schimbătoarele de căldură de tip „încălzitor – regenerator – frigider” sunt construite între doi cilindri, formând un canal de legătură (Fig. 1.22).

Acest aranjament a extins posibilitățile de a crea diverse configurații de motor care implementează principiul Stirling; de exemplu, cilindrii pot fi amplasați unul împotriva celuilalt orizontal sau vertical, paralel unul cu celălalt, în forma literei V (Fig. 1.23) și în alte modele.

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

„” cu acțiune simplă și „motor cu acțiune dublă” în raport cu motoarele Stirling sunt folosite pentru a caracteriza motorul în ansamblu. De exemplu, după 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 layout-ului alfa (Fig. 1.24).

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

Botul altui piston în cilindrii adiacenți. Fluidul de lucru circulă între acești doi cilindri. Nu se deplasează prin întregul sistem - de la primul cilindru până la al patrulea. Astfel, pistonul din fiecare cilindru acționează atât ca piston de lucru, cât și ca piston de 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 dublă acțiune este deosebit de eficient la dispozitivele mecanice de generare a puterii ■ datorită raportului său mare putere/greutate, datorită faptului că pistonul efectuează o cursă completă pentru fiecare rotație a arborelui cotit din fiecare cilindru.

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

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

2) transferul de forță către arborele de ieșire.

Motoarele Stirling cu dublă acțiune trebuie să fie inevitabil multi-cilindri, deoarece sunt necesare cel puțin trei pistoane pentru a obține procese de expansiune și compresie defazate (necesitatea unei astfel de schimbări a fost observată mai devreme). În practică, totuși, se folosesc de obicei cel puțin patru pistoane, conectate la un arbore cotit, cu pistoanele adiacente acționând împreună într-o pereche, ceea ce este ceea ce se realizează dubla acțiune. Mecanismele de acționare cu motor cu dublă acțiune trebuie. îndeplini cele două funcții de mai sus. Cel mai potrivit pentru aceasta pare să fie un arbore cotit convențional multi-lagăr al unui motor în linie.

Orez. 1.26. Configurație coaxială] RIS "L25) - Acest tip de mecanism este un motor special cu acțiune dublă, care este potrivit în special pentru sistemele 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 ardere, dar se aplică și Tipuri variate mecanisme de antrenare. Cele mai multe dintre tipurile de mecanisme de antrenare potrivite pentru astfel de motoare sunt modificări ale mecanismului de biela cu vârfuri strâmbe, cu toate acestea, firmele „Philips”, „General Motors” și „Ford” au depus eforturi semnificative pentru îmbunătățirea mecanismului cu o șaibă oblică. . Designul optim al acestui tip de acționare asigură eficiența mecanică. depășind 90%.

Configurațiile motorului Stirling în combinație cu diferite mecanisme de antrenare sunt prezentate în fig. 1.27. Desigur, motivul pentru care alegeți unul sau altul 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 acum, s-au folosit mecanisme de antrenare în care pistoanele sunt conectate rigid între ele folosind diverse legături cinematice, iar aceste legături, la rândul lor, sunt conectate rigid la arborele de ieșire, care servește la transferul energiei mecanice de la motor. Motorul Stirling poate funcționa fără un mecanism mecanic
. ui Salutîntre pistoane. În acest caz, lucrătorul și deplasatorul sunt iii. iii pistoanele se numesc pistoane libere. Acest concept Tsii poate fi folosit nu numai în motoarele Starinna, ci numai în legătură cu astfel de motoare. implementa cu succes. Pentru prima dată a întruchipat-o în realitate

Sunt". 1,38. Opțiuni de motor Fluidine cu diferite moduri de transfer de energie.

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

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

Motorul cu reacție Fluidine, precum și motorul ii și cu presiune diferențială, au o cavitate rece integrală.Televile reci și de evacuare se conectează la țeava fierbinte la baza acesteia.Această conexiune asigură un efect de jet de jet.
Meniscul din cavitatea fierbinte, o parte a lichidului este deviată spre cavitatea rece, ceea ce face ca coloana de lichid din conducta rece să se miște în sus, iar în timpul cursei de întoarcere, lichidul care intră în conducta fierbinte determină curgerea din conducta rece. se deplasează în deplasator cu accelerație. Acest lucru realizează atât cursa în sus, cât și cursa în jos.

Orez. 1.39. Etape succesive de „autopornire” a motorului „Fluidine”.

A - pozitia initiala inainte de lansare; b - faza de expansiune; c - depăşire primară: g - depăşire secundară; e - faza de autoexcitare.

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

Acum, să aruncăm o privire mai atentă la procesele care apar secvenţial la pornirea motorului Fluidine, deoarece una dintre cele mai importante caracteristici ale acestuia este posibilitatea de „pornire automată”.

Secvența proceselor în timpul auto-pornirii este prezentată în Fig. 1.39. În poziţia de echilibru înainte de pornire, nivelurile fluidelor 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 energie termică este furnizată în conducta dreaptă 1, temperatura fluidului de lucru crește și se extinde. Crește și presiunea din cavitățile de lucru și, din această cauză, încep să scadă și nivelurile de lichid din conductele calde și reci. În același timp, nivelul lichidului din conducta de evacuare crește. Trebuie remarcat că toate modificările în nivelul lichidului este foarte mic Expansiunea primară duce la pornirea automată a dispozitivului numai după atingerea unei variații critice a parametrului Tss , în funcție de principalele valori ale parametrilor care determină condițiile de funcționare a 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 evacuare continuă să crească din cauza inerției lichidului în mișcare. Nivelul lichidului de pe partea fierbinte continuă să scadă până când se atinge echilibrul între lichid și mediul de lucru. În acest moment, nivelul lichidului în conducta din partea rece este mai mare decât în ​​conducta din partea fierbinte. Această condiție, constând într-o succesiune de faze care se înlocuiesc între ele la pornirea motorului, se numește „depășire primară”.

De îndată ce gravitația oprește mișcarea ascendentă a lichidului în conducta de evacuare, nivelul lichidului de pe partea fierbinte se stabilizează și el; în același timp, există tendința de egalizare a nivelului de lichid pe părțile calde și reci. În consecință, nivelul lichidului din conducta fierbinte crește, în timp ce la ieșire scade. În același timp, volumul gazului încălzit și presiunea acestuia în cavitatea de lucru scad din cauza scăderii temperaturii în această cavitate datorită creșterii nivelului lichidului în conducta fierbinte și scăderii corespunzătoare a cantității de lucru. gazul fiind încălzit. Aceste procese sunt facilitate de mișcarea continuă în jos a nivelului lichidului din conducta de evacuare, ceea ce determină o înălțime dinamică semnificativă în racordul hidraulic și o creștere suplimentară a nivelului în conductă pe partea fierbinte. Împreună, aceste procese fac ca nivelul lichidului din conducta de pe partea fierbinte să crească 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 dintre meniscuri.

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

Cu toate acestea, oscilațiile devin acum autoexcitate 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 ​​modul umed, cât și în cel uscat. În primul caz, există un contact între lichidul deplasat și fluidul de lucru. În al doilea, suprafețele lichidului și ale gazului de lucru sunt separate fie printr-un strat de gaz „inert”, fie printr-un flotor mecanic. Energia în Fluidine este generată sub formă de vibrații ale fluidului în conducta de evacuare, iar acest lucru este deosebit de convenabil pentru utilizarea motorului ca suflantă. (Istoria tehnologiei cunoaște un dispozitiv foarte asemănător - 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 în cazul injecției indirecte, 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 să se efectueze „self-tanycK” și sunt necesare dispozitive suplimentare speciale, cum ar fi o linie de scurgere construită în paralel cu orificiul de evacuare grosier și care acționează ca un dispozitiv de pompare primar.

De asemenea, trebuie remarcat faptul că în „Fluidinea” „umedă” este imposibil să se instaleze regeneratoare cu duze, deoarece acestea nu sunt foarte eficiente în atmosfera de ceață formată.

În vapori de lichid. Absența unui regenerator în „umed” „Fluy-1ain” poate explica probabil de ce astfel de motoare au o eficiență foarte scăzută. Cu toate acestea, ar trebui să se țină cont de faptul că „Fluidina” „umedă” poate funcționa numai la temperaturi de ordinul a 350 K (77 ° C), iar diferența de temperatură în timpul furnizării și eliminării căldurii nu este mai mare de 25 ° C. . În aceste condiții, eficiența ciclului Carnot este mai mică de 10%.

Cele 15 motoare Stirling discutate mai sus au folosit un fluid de lucru gazos; chiar și în „fluidina” „umedă” fluidul de lucru este gazos în majoritatea covârșitoare a cazurilor. În prezent, se fac propuneri pentru utilizarea fluidelor de lucru cu stare de fază în schimbare, de exemplu, cele utilizate la motoarele cu abur și turbinele cu abur, dar încă nu există informații că astfel de dispozitive funcționează cu succes sau cel puțin dezvoltate. În anii 1930, inginerul englez Malone a construit un piston alternativ 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 o asemenea presupunere. Cu toate acestea, o analiză mai atentă și o discuție ulterioară detaliată a acestei probleme în cadrul unei echipe de cercetători care lucrează în acest domeniu sub îndrumarea prof. 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 mici modificări, 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, prin urmare, considerăm că este prematur să încercăm să descriem ciclul său de funcționare.

Ciclurile de funcționare ale diferitelor forme ale motorului Stirling, care convertesc energia termică în energie mecanică, au fost deja descrise de noi. Toate aceste motoare au aceleași principii de bază de funcționare, cu toate acestea, există unele diferențe în design, mai ales când vine vorba de modul 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 întotdeauna ușurează lucrurile atunci când vine vorba de a determina dacă dispozitivul în cauză este un motor Stirling. Următoarea secțiune oferă fotografii și descrieri ale motoarelor Stirling deja construite de diferite tipuri, ceea ce va elimina aceste dificultăți.

Motorul Stirling, cândva celebru, a fost uitat multă vreme din cauza utilizării pe scară largă a unui alt motor (combustie internă). Dar astăzi auzim din ce în ce mai multe despre el. Poate că are șansa să devină mai popular și să-și găsească locul într-o nouă modificare în lumea modernă?

Istorie

Motorul Stirling este un motor termic care a fost inventat la începutul secolului al XIX-lea. Autorul, după cum știți, a fost un anume Stirling pe nume Robert, un preot din Scoția. Dispozitivul este un motor cu ardere externă, în care corpul se mișcă într-un recipient închis, schimbându-și constant temperatura.

Din cauza proliferării unui alt tip de motor, acesta a fost aproape uitat. Cu toate acestea, datorită avantajelor sale, astăzi motorul Stirling (mulți amatori îl construiesc acasă cu propriile mâini) revine din nou.

Principala diferență față de un motor cu ardere internă este că energia termică vine din exterior și nu este generată în motorul în sine, ca într-un motor cu ardere internă.

Principiul de funcționare

Vă puteți imagina un volum de aer închis, închis într-o carcasă cu o membrană, adică un piston. Când corpul se încălzește, aerul se extinde și efectuează lucru, îndoind astfel pistonul. Apoi se răcește și se pliază din nou. Acesta este ciclul mecanismului.

Nu este de mirare că multe motoare termoacustice Stirling sunt făcute acasă. Uneltele și materialele pentru aceasta necesită minimul care poate fi găsit în casa fiecăruia. Să ne uităm la două moduri diferite de a o crea cu ușurință.

Materiale pentru lucru

Pentru a face un motor Stirling cu propriile mâini, veți avea nevoie de următoarele materiale:

• staniu;
• spiță de oțel;
• tub de alama;
• ferăstrău;
• fişier;
• suport din lemn;
• foarfece pentru metal;
• detalii elemente de fixare;
• ciocan de lipit;
• lipire;
• lipire;
• mașinărie.

E tot. Restul este o chestiune de tehnică simplă.

Modul de a face

Din tablă se prepară un focar și doi cilindri pentru bază, din care va consta motorul Stirling, realizat manual. Dimensiunile sunt selectate independent, ținând cont de scopurile pentru care este destinat acest dispozitiv. Să presupunem că motorul este realizat în scopuri demonstrative. Apoi, măturarea cilindrului principal va fi de la douăzeci la douăzeci și cinci de centimetri, nu mai mult. Restul pieselor ar trebui să se adapteze la el.

În partea de sus a cilindrului, sunt făcute două proeminențe și găuri cu un diametru de patru până la cinci milimetri pentru a deplasa pistonul. Elementele vor acționa ca lagăre pentru localizarea ansamblului manivelă.

Apoi, ei fac fluidul de lucru al motorului (apa obișnuită va deveni el). Cercurile de tablă sunt lipite de cilindru, care este rulat într-o țeavă. În ele se fac găuri și se introduc tuburi de alamă de la douăzeci și cinci până la treizeci și cinci de centimetri în lungime și patru până la cinci milimetri în diametru. La final, ei verifică cât de strânsă a devenit camera prin inundarea cu apă.

Urmează deplasatorul. Pentru fabricație, luați un semifabricat dintr-un copac. Pe mașină, aceștia se asigură că ia forma unui cilindru obișnuit. Deplasatorul trebuie să fie puțin mai mic decât diametrul cilindrului. Înălțimea optimă este selectată după ce este fabricat motorul Stirling de tip „do-it-yourself”. Prin urmare, în această etapă, lungimea ar trebui să preia o anumită marjă.

Spița este transformată într-o tijă de cilindru. Se face o gaură în centrul recipientului de lemn, potrivită pentru tulpină, introduceți-o. În partea superioară a tijei, este necesar să se prevadă un loc pentru dispozitivul de biela.

Apoi iau tuburi de cupru lungi de patru centimetri și jumătate și diametru de doi centimetri și jumătate. O cană de tablă este lipită de cilindru. Pe lateralele pereților se face o gaură pentru comunicarea recipientului cu cilindrul.

Pistonul este de asemenea montat pe un strung în interiorul cilindrului mare. În partea de sus, tija este conectată într-un mod articulat.

Asamblarea este finalizată și mecanismul este configurat. Pentru a face acest lucru, pistonul este introdus într-un cilindru mai mare, iar acesta din urmă este conectat la un alt cilindru mai mic.

Un mecanism de manivelă este construit pe un cilindru mare. O parte a motorului este fixată cu un fier de lipit. Părțile principale sunt fixate pe o bază de lemn.

Cilindrul este umplut cu apă și o lumânare este plasată sub fund. Motorul Stirling, realizat manual de la început până la sfârșit, este testat pentru funcționare.

Metoda a doua: materiale

Motorul se poate face si in alt mod. Pentru a face acest lucru, veți avea nevoie de următoarele materiale:

• staniu;
• cauciuc spumă;
• agrafe;
• discuri;
• două șuruburi.

Modul de a face

Cauciucul spongios este foarte des folosit pentru a face acasă un motor Stirling simplu, nu puternic, cu propriile mâini. Din el este pregătit un deplasator pentru motor. Tăiați cercul de spumă. Diametrul trebuie să fie puțin mai mic decât cel al unei conserve, iar înălțimea să fie puțin peste jumătate.

Se face o gaură în centrul capacului pentru viitoarea biela. Pentru a o face să meargă fără probleme, agrafa este pliată într-o spirală și lipită de capac.

Cercul de cauciuc spumos din mijloc este străpuns cu un fir subțire cu un șurub și fixat deasupra cu o șaibă. Apoi o bucată de agrafă este conectată prin lipire.

Dislocatorul este împins în orificiul capacului, iar borcanul și capacul sunt lipite împreună pentru a etanșa. Pe o agrafă se face o buclă mică și o altă gaură mai mare în capac.

Foaia de tablă este rulată într-un cilindru și lipită, apoi atașată la borcan, astfel încât să nu rămână deloc goluri.

Agrafa este transformată într-un arbore cotit. Distanța ar trebui să fie exact nouăzeci de grade. Genunchiul de deasupra cilindrului este ușor mai mare decât celălalt.

Restul capselor sunt transformate în suporturi cu arbore. Membrana este realizată după cum urmează: cilindrul este învelit într-o peliculă de polietilenă, presat și fixat cu un fir.

Biela este realizată dintr-o agrafă care se introduce într-o bucată de cauciuc, iar piesa finită este atașată de membrană. Lungimea bielei este făcută astfel încât membrana să fie trasă în cilindru în punctul brut inferior și întinsă în punctul cel mai înalt. A doua parte a bielei este realizată în același mod.

Apoi, unul este lipit de membrană, iar celălalt de displacer.

Picioarele borcanelor pot fi, de asemenea, făcute din agrafe și lipite. Pentru manivelă se folosește un CD.

Deci întregul mecanism este gata. Rămâne doar să înlocuiți și să aprindeți o lumânare sub ea, apoi să dați o împingere prin volant.

Concluzie

Acesta este motorul Stirling cu temperatură joasă (auto-construit). Desigur, la scară industrială, astfel de dispozitive sunt fabricate într-un mod complet diferit. Cu toate acestea, principiul rămâne neschimbat: volumul de aer este încălzit și apoi răcit. Și acest lucru se repetă în mod constant.

În cele din urmă, uită-te la aceste desene ale motorului Stirling (o poți face singur fără abilități speciale). Poate ești deja în flăcări cu ideea și ai vrea să faci ceva asemănător?

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

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

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

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

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

6. Beneficii ………………………………………………………………… 7

7. Aplicație ……………………………………………………………………. opt

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

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

Introducere

La începutul secolului al XXI-lea, omenirea privește spre viitor cu optimism. Există cele mai convingătoare motive pentru aceasta. Gândirea științifică nu stă pe loc. Astăzi ni se oferă tot 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-numitelor „noi” combustibili alternativi: vânt, soare, apă și alte surse de energie.

Datorită motoarelor de toate felurile, o persoană primește energie, lumină, căldură și informații. Motoarele sunt inima care bate în timp odată cu dezvoltarea civilizației moderne. Ele 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 nocive, poluând astfel natura noastră și consumă mult combustibil. Dar astăzi există deja o alternativă la ele. Clasa de motoare, a cărei daune este minimă, sunt motoarele Stirling. Funcționează în ciclu închis, fără microexplozii continue în cilindrii de lucru, practic fără degajare de gaze nocive și au nevoie de mult mai puțin combustibil.

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

Revenirea interesului pentru motoarele Stirling este de obicei asociată cu activitățile Philips. Lucrările la proiectarea motoarelor Stirling de putere redusă au început în companie la mijlocul anilor 30 ai secolului XX. Scopul lucrării a fost acela de a crea un mic generator electric cu un nivel scăzut de zgomot și o unitate termică pentru alimentarea echipamentelor radio în zone ale lumii fără surse de alimentare obișnuite. În 1958, General Motors a încheiat un acord de licență cu Philips, iar relația lor a continuat până în 1970. Evoluțiile au fost legate de utilizarea motoarelor Stirling pentru centrale spațiale și subacvatice, mașini și nave, precum și pentru sistemele staționare de alimentare cu energie. Firma suedeză United Stirling, care și-a concentrat eforturile în principal pe motoare pentru vehicule grele, și-a extins interesele în domeniul motoarelor pentru autoturisme. Interesul real pentru motorul Stirling a fost reînviat abia 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 la combustibil.

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). Mărește performanța motorului prin captarea 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 de peste 30%. Motorul Stirling are multe avantaje și a fost răspândit în epoca motoarelor cu abur.

Descriere

Motorul lui Stirling- un motor termic, în care un fluid de lucru lichid sau 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 arderea combustibilului, ci și din orice sursă de căldură.

În secolul al XIX-lea, inginerii doreau să creeze o alternativă sigură la motoarele cu abur ale vremii, ale căror cazane explodau adesea din cauza presiunii mari a aburului și a materialelor neadecvate pentru construcția lor. O alternativă bună la motoarele cu abur a apărut odată cu crearea motoarelor Stirling, care puteau transforma orice diferență de temperatură în lucru. Principiul de bază de funcționare al motorului Stirling este alternarea continuă a încălzirii și răcirii fluidului de lucru într-un cilindru închis. De obicei aerul acționează ca un fluid de lucru, dar se folosesc și hidrogenul și heliul. Într-un număr de probe 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 agitarii cu un fluid de lucru lichid este dimensiunea sa mică, densitatea mare de putere și presiuni mari 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 de lucru ridicată.

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

• P este presiunea gazului;
• V este volumul gazului;
• 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 acestuia crește, iar când se răcește, scade. Această proprietate a gazelor stă la baza funcționării motorului Stirling.

Motorul Stirling folosește ciclul Stirling, care nu este inferior ciclului Carnot în ceea ce privește eficiența termodinamică și chiar are un avantaj. Faptul este că ciclul Carnot este format din izoterme și adiabați care diferă puțin unul de celălalt. 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, trecere la o sursă rece, răcire, compresie și trecere la o sursă de căldură. Astfel, la trecerea de la o sursă caldă la o sursă rece, gazul din cilindru se dilată și se contractă. Diferența de volume de gaz poate fi transformată în muncă, ceea ce face motorul Stirling. Ciclul de lucru al unui motor Stirling de tip beta este:

1

2

3

4

unde: a - piston de deplasare; b - piston de lucru; c - volanta; d - incendiu (zona de incalzire); e - aripioare de răcire (zona de răcire).

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

Într-o mașină Stirling, mișcarea pistonului de lucru este deplasată cu 90 ° față de mișcarea pistonului de 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 (cu excepția pierderilor prin frecare) și nu o generează.

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

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

Motorul Stirling, al cărui principiu de funcționare este diferit din punct de vedere calitativ de cel obișnuit pentru toate motoarele cu ardere internă, a constituit odată o concurență demnă pentru acestea din urmă. Cu toate acestea, au uitat de el o vreme. Cum se folosește acest motor astăzi, care este principiul funcționării acestuia (în articol puteți găsi și desene ale motorului Stirling care demonstrează clar funcționarea acestuia) și care sunt perspectivele de utilizare a acestuia în viitor, citiți mai jos.

Istorie

În 1816, în Scoția, Robert Stirling a brevetat astăzi numele după inventatorul său. Primele motoare cu aer cald au fost inventate înaintea lui. Dar Stirling a adăugat dispozitivului un purificator, care în literatura tehnică este numit regenerator sau schimbător de căldură. Datorită lui, performanța motorului a crescut, menținând unitatea caldă.

Motorul a fost recunoscut drept cel mai durabil motor cu abur disponibil la acea vreme, deoarece nu a explodat niciodată. Înaintea lui, pe alte motoare, această problemă a apărut des. În ciuda succesului său rapid, la începutul secolului XX, dezvoltarea sa a fost abandonată, deoarece a devenit mai puțin economică decât alte motoare cu ardere internă și motoare electrice apărute atunci. Cu toate acestea, Stirling a continuat să fie folosit în unele industrii.

Motor cu ardere externă

Principiul de funcționare al tuturor motoarelor termice este că pentru a obține un gaz în stare expandată, sunt necesare forțe mecanice mai mari decât la comprimarea unuia rece. Pentru a demonstra acest lucru, se poate face un experiment cu două oale umplute cu apă caldă și rece, precum și cu o sticlă. Acesta din urmă este scufundat în apă rece, astupat, apoi transferat în apă fierbinte. Acest lucru va face ca gazul din sticlă să facă lucrări mecanice și să împingă dopul afară. Primul motor cu ardere externă s-a bazat în întregime pe acest proces. Adevărat, mai târziu, inventatorul și-a dat seama că o parte din căldură ar putea fi folosită pentru încălzire. Astfel, productivitatea a crescut semnificativ. Dar nici asta nu a ajutat motorul să se răspândească.

Mai târziu, Erickson, un inginer din Suedia, a îmbunătățit designul propunând răcirea și încălzirea gazului la presiune constantă în loc de volum. Ca urmare, multe exemplare au început să fie folosite pentru lucrări în mine, pe nave și în tipografii. Dar pentru echipaje, acestea s-au dovedit a fi prea grele.

Motoare cu ardere externă de la Philips

Astfel de motoare sunt de următoarele tipuri:

• aburi;
• turbină cu abur;
• Stirling.

Acest din urmă tip nu a fost dezvoltat din cauza fiabilității scăzute, iar restul nu sunt cei mai înalți indicatori în comparație cu celelalte tipuri de unități care au apărut. Cu toate acestea, Philips și-a reluat operațiunile în 1938. Motoarele au început să servească la acționarea generatoarelor în zonele neelectrificate. În 1945, inginerii companiei le-au găsit aplicația opusă: dacă arborele este rotit de un motor electric, atunci răcirea chiulasei ajunge la minus o sută nouăzeci de grade Celsius. Apoi s-a decis să se utilizeze un motor Stirling îmbunătățit în unitățile frigorifice.

Principiul de funcționare

Acțiunea motorului este de a lucra în cicluri termodinamice, în care compresia și dilatarea au loc la temperaturi diferite. În acest caz, reglarea debitului fluidului de lucru se realizează datorită modificării volumului (sau presiunii - în funcție de model). Acesta este principiul de funcționare al majorității acestor mașini, care pot avea diferite funcții și scheme de proiectare. Motoarele pot fi alternative sau rotative. Mașinile cu instalațiile lor funcționează ca pompe de căldură, frigidere, generatoare de presiune și așa mai departe.

În plus, există motoare cu ciclu deschis în care controlul debitului este realizat prin intermediul supapelor. Se numesc motoare Erickson, cu excepția numelui comun al numelui Stirling. Într-un motor cu ardere internă, lucrările utile sunt efectuate după comprimarea preliminară a aerului, injecția de combustibil, încălzirea amestecului rezultat amestecat cu ardere și expansiune.

Motorul Stirling are același principiu de funcționare: la temperaturi scăzute are loc compresia, iar la temperaturi ridicate, expansiune. Dar încălzirea se realizează în moduri diferite: căldura este furnizată prin peretele cilindrului din exterior. Prin urmare, a primit numele motorului cu ardere externă. Stirling a folosit o schimbare periodică a temperaturii cu un piston de deplasare. Acesta din urmă mută gazul dintr-o cavitate a cilindrului în alta. Pe de o parte, temperatura este constant scăzută, iar pe de altă parte, este ridicată. Când pistonul se mișcă în sus, gazul se deplasează din cavitatea caldă în cea rece și în jos revine la cea fierbinte. În primul rând, gazul degajă multă căldură frigiderului și apoi primește atâta căldură de la încălzitor cât a dat. Între încălzitor și frigider este plasat un regenerator - o cavitate umplută cu material căruia gazul eliberează căldură. În caz de curgere inversă, regeneratorul îl returnează.

Sistemul de deplasare este conectat la un piston de lucru care comprimă gazul pe vreme rece și permite expansiunea la căldură. Munca utilă se face prin compresie la o temperatură mai scăzută. Întregul sistem trece prin patru cicluri cu mișcări intermitente. Mecanismul manivela asigură astfel continuitatea. Prin urmare, granițele ascuțite între etapele ciclului nu sunt observate, iar Stirling nu scade.

Având în vedere toate cele de mai sus, concluzia sugerează că acest motor este o mașină cu piston cu alimentare externă de căldură, în care fluidul de lucru nu părăsește spațiul restrâns și nu este înlocuit. Desenele motorului Stirling ilustrează bine dispozitivul și principiul funcționării acestuia.

Detalii de lucru

Soarele, electricitatea, energia nucleară sau orice altă sursă de căldură pot furniza energie unui motor Stirling. Principiul corpului său este să folosească heliu, hidrogen sau aer. Un ciclu ideal are o eficiență termică maximă posibilă de treizeci până la patruzeci de procente. Dar cu un regenerator eficient, acesta va putea funcționa cu o eficiență mai mare. Regenerarea, încălzirea și răcirea sunt asigurate de schimbătoare de căldură încorporate fără ulei. Trebuie remarcat faptul că motorul are nevoie de foarte puțină lubrifiere. Presiunea medie în cilindru este de obicei de 10 până la 20 MPa. Prin urmare, aici este necesar un sistem de etanșare excelent și capacitatea de a introduce ulei în camerele de lucru.

Caracteristici comparative

Majoritatea motoarelor de acest fel aflate în funcțiune astăzi folosesc combustibili lichizi. Presiunea continuă este ușor de controlat, ceea ce ajută la reducerea emisiilor. Absența supapelor asigură o funcționare silențioasă. Puterea/greutate este comparabilă cu motoarele turbo, iar raportul putere/greutate este egal cu cel al unei unități diesel. Viteza și cuplul sunt independente unul de celălalt.

Costul de producere a unui motor este mult mai mare decât cel al unui motor cu ardere internă. Dar în timpul funcționării, se obține indicatorul opus.

Avantaje

Orice model de motor Stirling are multe avantaje:

• Eficiența în designul modern poate ajunge până la șaptezeci la sută.
• Motorul nu are sistem de aprindere de înaltă tensiune, arbore cu came și supape. Nu va trebui ajustat pe toată durata de viață.
• La Stirlings, nu există o astfel de explozie ca în motorul cu ardere internă, care încarcă puternic arborele cotit, rulmenți și biele.
• Nu au acest efect când spun că „motorul s-a oprit”.
• Datorită simplității dispozitivului, acesta poate fi utilizat pentru o perioadă lungă de timp.
• Poate funcționa atât pe lemn, cât și cu combustibil nuclear și orice alt tip.
• Arderea are loc în afara motorului.

dezavantaje

Aplicație

În prezent, un motor Stirling cu generator este folosit în multe domenii. Este o sursă versatilă de energie electrică în frigidere, pompe, submarine și centrale solare. Datorită utilizării diferitelor tipuri de combustibil, este posibil să îl utilizați pe scară largă.

Renaştere

Datorită lui Philips, aceste motoare au fost dezvoltate din nou. La mijlocul secolului XX, General Motors a încheiat un acord cu ea. Ea a condus dezvoltarea pentru aplicarea Stirling-urilor în dispozitive spațiale și subacvatice, nave și automobile. În urma acestora, o altă companie din Suedia, United Stirling, a început să se ocupe de dezvoltarea lor, inclusiv de posibila utilizare în

Astăzi, motorul liniar Stirling este utilizat în instalațiile vehiculelor subacvatice, spațiale și solare. Un mare interes pentru acesta se datorează relevanței problemelor de degradare a mediului, precum și luptei împotriva zgomotului. În Canada și SUA, Germania și Franța, precum și Japonia, există o căutare activă pentru dezvoltarea și îmbunătățirea utilizării acestuia.

Viitor

Avantajele clare pe care le au pistonul și Stirling, care constau într-o durată lungă de viață, utilizarea diferiților combustibili, zgomot și toxicitate scăzută, îl fac foarte promițător pe fundalul unui motor cu ardere internă. Cu toate acestea, dat fiind faptul că motorul cu ardere internă a fost îmbunătățit de-a lungul întregului timp, acesta nu poate fi deplasat cu ușurință. Într-un fel sau altul, tocmai un astfel de motor ocupă astăzi o poziție de lider și nu intenționează să-l predea în viitorul apropiat.