Принцип работы двигателя Стирлинга

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5—7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».
Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с цилиндром диаметром 4,2 метра развивала меньше 100 л. е., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло.
Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами как только появились мощные, компактные и легкие бензомоторы и дизели. И вдруг, в 1960-е, спустя почти 80 лет о «стирлингах» и «эриксонах» (будем условно называть их так по аналогии с дизелем) заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Разговоры эти не утихают и поныне. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах?

Двигатель внешнего сгорания

Базовое отличие двигателя Стирлинга в том, что топливо сгорает не внутри цилиндра, а снаружи. Следовательно, внутреннее пространство остаётся герметичным и идеально чистым, без нагара и необходимости его обслуживания. Работает он практически бесшумно, так как нет детонации обогащённой топливной смеси.

Остальные достоинства можно обозначить так:

  • Абсолютная экологическая безопасность.
  • Простейшая конструкция обеспечивает высокую надёжность.
  • Чрезвычайно высокий моторесурс.
  • Всеядность по отношению к источнику тепла.
  • Очень высокий КПД.

Обеспечить более полное сгорание топлива гораздо легче снаружи цилиндра, чем внутри. Нагрев можно проводить не только углеводородными энергоносителями, но энергией Солнца, используя высокотемпературные солнечные концентраторы. В такой комбинации, КПД альтернативного генератора электроэнергии превышает 30%!

Для сравнения – лучшие серийные фотоэлементы демонстрируют КПД только 24%. Именно бесшумность была решающим фактором для установки двигателя Стирлинга на подводные лодки последних серий в Японии и Швеции.

В середине 80-х годов 20-го века, в США собрали и установили двигатель Стирлинга в автомобиль Chevrolet Celebrity!(Chevrolet Celebrity MOD 2 Stirling)

amc spirit stirlingНа фото автомобиль AMC Spirit Stirling experimental engines

Результаты были поразительны: глушитель, смазка и катализаторы были уже не нужны, экономия топлива достигала 45%, а ускорение практически не изменилось.

На фото автомобиль NASA's Stirling-engined Dodge D-150На фото автомобиль NASA’s Stirling-engined Dodge D-150

Двигатели Стирлинга используются НАСА(NASA) даже в космических аппаратах.

Но у них есть и недостатки.

Для получения максимально достижимого на практике КПД, необходимо обеспечить очень высокую разницу температур в холодной и горячих частях цилиндра. В противном случае, снижается «удельная мощность».

На фото автомобиль P-40 OPEL STIRLING ENGINEНа фото автомобиль P-40 OPEL STIRLING ENGINE

Идеальным рабочим телом (газом) является водород, но его молекулы настолько малы, что им удаётся «напитывать» материал цилиндра. Следующий по эффективности газ – гелий, но он дорогой. А КПД снижается на 5%. Но можно использовать и азот, и аммиак, и даже осушенный воздух. Но мощность будет ниже идеальной.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг.

Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Описание процесса создания

Этап 1. Подготовка баночек.

Вначале стоит взять 2 банки и отрезать у них верхнюю часть. Если верхушки будут отрезаться ножницами, полученные зазубрины придется сточить при помощи напильника.

Дальше надо вырезать дно баночки. Это можно выполнить с помощью ножа.

Этап 2. Изготовление диафрагмы.

Особенности изгтовленияВ качестве диафрагмы можно взять воздушный шарик, который стоит усилить вулканизированной резиной. Шар надо разрезать и натянуть на баночку. Потом на центральную часть диафрагмы приклеим кусок специальной резины. После застывания клея, в центре диафрагмы пробьем дырочку для установки проволоки. Легче всего это выполнить при помощи специальной кнопки, которую можно оставить в дырке до момента сборки.

Этап 3. Разрезание и создание дырок в крышке.

В стенках крышки надо сделать два отверстия по два мм, они необходимы для установки поворотной оси рычагов. Еще одну дырочку надо сделать в донышке крышки, через него будет идти проволока, которая будет соединена с вытеснителем.

На последнем этапе крышку надо обрезать. Это делается для того, чтобы проволока вытеснителя не зацепилась за края крышки. Для таких работ можно взять хозяйственные ножницы.

Этап 4. Сверлим.

В баночке надо просверлить две дырки для подшипников. В нашем случае это было выполнено сверлом 3.5 мм.

Этап 5. Изготовление смотрового окна.

В корпусе двигателя надо вырезать специальное окно. Теперь можно будет понаблюдать, как работают все узлы прибора.

Этап 6. Доработка клемм.

Необходимы взять клеммы и убрать с них пластиковую изоляцию. Потом возьмем дрель, и сделаем сквозные отверстия на краях клемм. Всего надо высверлить три клеммы. Оставим две клеммы, не просверленными.

Этап 7. Создание рычагов.

В качестве материала для изготовления рычагов берется медная проволока, диаметр которой всего 1.88 мм. Как именно подогнуть спицы, стоит посмотреть в интернете. Можно взять и стальную проволоку, просто с медной проволокой, удобнее работать.

Этап 8. Изготовление подшипников.

Чтобы сделать подшипники потребуется два велосипедных ниппеля. Диаметр дырок надо проверить. Автор просверлил их насквозь с помощью сверла на два мм.

Этап 9. Установка рычагов и подшипников.

Рычаги можно ставить прямо через смотровое окошко. Один кончик проволоки должен быть длинным, на нем будет лежать маховое колесо. Подшипники должны крепко сесть на нужные места. Если будет присутствовать люфт, их можно приклеить.

Этап 10. Делаем вытеснитель.

Как действует двигатель стирлингаВытеснитель делается из стальной ваты ля полировки. Для изготовления вытеснителя берется проволока из стали, на ней создается крючок, а потом на проволоку наматывается определенное количество ваты. Вытеснитель должен быть таким же по размерам, чтобы он спокойно перемещался в банке. Вся высота вытеснителя не должна быть больше пяти сантиметров.

В конце на одной стороне ваты надо сделать спираль из проволоки, чтобы она не выходила из ваты, а на второй стороне из проволоки делаем петлю. Потом к этой петле привяжем леску, которая впоследствии притянется через центральную часть диафрагмы. Вулканизированная резина должна быть в серединке емкости.

Этап 11. Изготовление резервуара под давлением

Надо вырезать дно банки определенным образом, чтобы осталось где-то 2.5 см от ее основы. Вытеснитель вместе с диафрагмой надо переместить в резервуар. После этого весь этот механизм переносится в конец банки. Диафрагму надо немножко натянуть, чтобы она не провисла.

Потом необходимо взять клемму, которая не была просверлена, и провести через нее леску. Узел надо приклеить так, чтобы он не передвигался. Проволоку надо качественно смазать маслом и при этом убедиться, что вытеснитель без труда протянет за собой леску.

Этап 12. Изготовление толкательных тяг.

Эти специальные тяги соединяют диафрагму и рычаги. Это производится с куска медной проволоки длиной пятнадцать см.

Этап 13. Создание и установка маховика

Для изготовления маховика берем три старых СД-диска. В качестве центра возьмем деревянный стержень. После установки маховика, стержень коленчатого вала загнем, так маховик уже не будет спадать.

На последнем этапе весь механизм собирается полностью.

Последний шаг, создание топки

Вот мы и дошли до последнего шага в создании двигателя.

  • Как изготовить двигатель стирлингаДля изготовления топки своими руками, используется жестяная банка. В ней стоит вырезать специальное окно, через него и будет ставиться, и поджигаться свечка. Чтобы сгладить острые края, можно сделать для арки окантовку от электрического кабеля. Потом можно перейти к тестированию двигателя. Он ставится на топку, а в топке зажигается свеча.
  • Если все собрано правильно, маховик будет вращаться. Если же двигатель не заработал, придется искать проблему. Сделать стирлинг с генератором большой мощности, совсем нетрудно, главное, это выполнять все этапы последовательно, как в инструкции. Существуют разные модели двигателей с разной мощностью, выбирайте все на свой вкус. А генератор лучше купить, его очень сложно делать своими руками.

Двигатель Стирлинга: фото

Генераторы стирлинга

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением.
Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28—30 и 32—35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон?
той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления.
Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми.
Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания.
Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

  • альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
  • бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
  • гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло.
2. Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы.
3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую.
4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать.
5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку – она дает очень хороший результат.
Удачи в техническом творчестве!

В другом материале о том, как приспособить для этого движка генератор тока. А тут еще одна модель, которую можно собрать дома.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Электростанции на  двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

  • большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
  • использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
  • потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
  • резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

  • любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
  • экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
  • экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
  • конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
  • повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Электростанции на  двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано econet.ru 

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet

Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом

Этот сегмент альтернативной энергетики практически не освоен на постсоветском пространстве. Сказывается политика правительства, которая препятствует развитию на практике альтернативной энергетики. Упор делается на нефтегазовый сектор, как в колониальных странах.

Для личных нужд, умельцы такую перспективную комбинацию начнут рассматривать в ближайшее время. Сразу, как только окончится переформатирование страны, скрытой под маской коронавирусной эпидемии COVID-19.

Вероятно, Вам также понравятся следующие материалы:

Автономное электроснабжение

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Следите за нами в твиттере: https://twitter.com/Alter2201

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ   (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:        

ALTER220 Портал о альтернативную энергию

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Заключение

Мы процитировали выше упрощенную историческую схему тенденций проектирования двигателей Стирлинга. Конечно, мы опустили множество проектов как энтузиастов, так и тех, которые были разработаны в «серьезных» исследовательских проектах (например, машины с жидкими поршнями – «жидкость», термоакустические двигатели и т.д.). Это не меняет того факта, что инженеры и ученые пытались построить эффективный и надежный двигатель Стирлинга почти 200 лет. Практически каждое последующее поколение инженеров пытается решить проблемы этих двигателей, надеясь, что это обеспечит технический прогресс, который произошел в предыдущие 20-25 лет. К сожалению, усилия по-прежнему неэффективны. Я должен признать, что, по-видимому, мое поколение также пыталось это сделать, а также потерпело неудачу. Однако мы глубоко убеждены в том, что

Совсем другое дело, что каждое поколение инженеров начинает свою деятельность почти с самого начала, на практике имея очень сложный доступ к документации ранее выполненных работ… но это снова тема для совершенно другого случая.

Модель двигателя Стирлинга в бета-системе, разработанной и сделанной г-ном Рафалом Ходорковским в рамках инженерных работ на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: Мачей Тулодзекский, PhD). Длина двигателя: около 35 см.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом