Как устроен и работает двигатель Стирлинга. Каковы его преимущества и недостатки. Где применяются двигатели Стирлинга сегодня. Каковы перспективы использования этих двигателей в будущем.
Что такое двигатель Стирлинга и как он работает
Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, работающий за счет циклического сжатия и расширения рабочего тела при различных температурах. Впервые он был запатентован шотландским изобретателем Робертом Стирлингом в 1816 году.
Основные компоненты двигателя Стирлинга:
- Цилиндр с поршнем
- Вытеснитель
- Регенератор
- Нагреватель
- Охладитель
Принцип работы двигателя Стирлинга основан на нагреве и охлаждении рабочего газа, который перемещается между горячей и холодной полостями цилиндра. При этом происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу.
Основные этапы рабочего цикла:
- Нагрев и расширение газа в горячей полости
- Перемещение газа в холодную полость через регенератор
- Охлаждение и сжатие газа в холодной полости
- Перемещение охлажденного газа обратно в горячую полость
Регенератор играет важную роль, накапливая тепло газа при его перемещении из горячей полости в холодную и отдавая это тепло обратно при обратном движении газа. Это повышает эффективность двигателя.
Преимущества двигателей Стирлинга
Двигатели Стирлинга обладают рядом важных достоинств по сравнению с другими типами тепловых двигателей:
- Высокий КПД (до 40-45% в теории)
- Возможность работы от любого источника тепла
- Низкий уровень шума и вибраций
- Простота конструкции
- Экологичность (низкий уровень вредных выбросов)
- Высокий ресурс работы
Благодаря этим преимуществам двигатели Стирлинга находят применение в различных областях, где требуется надежный и эффективный источник механической энергии.
Недостатки двигателей Стирлинга
Несмотря на множество достоинств, у двигателей Стирлинга есть и ряд существенных недостатков:
- Высокая стоимость изготовления
- Большие габариты и масса на единицу мощности
- Медленный запуск и изменение режимов работы
- Необходимость эффективного отвода тепла
- Сложность герметизации рабочего тела
Эти недостатки ограничивают массовое применение двигателей Стирлинга во многих областях, где доминируют двигатели внутреннего сгорания. Однако в некоторых нишах двигатели Стирлинга успешно используются.
Области применения двигателей Стирлинга
Современные двигатели Стирлинга нашли применение в следующих сферах:
Энергетика
Двигатели Стирлинга используются в когенерационных установках для одновременной выработки тепла и электроэнергии. Они эффективно утилизируют отходящее тепло, повышая общий КПД энергоустановки.
Космическая техника
NASA разрабатывает ядерные энергетические установки на основе двигателей Стирлинга для космических аппаратов дальнего космоса. Они способны работать длительное время в экстремальных условиях.
Подводный флот
Двигатели Стирлинга применяются в анаэробных энергетических установках подводных лодок. Это позволяет значительно увеличить время нахождения лодки под водой без всплытия.
Бытовая техника
Существуют разработки холодильников, кондиционеров и тепловых насосов на основе обратного цикла Стирлинга. Они обладают высокой энергоэффективностью.
Перспективы развития двигателей Стирлинга
Несмотря на ограниченное применение в настоящее время, двигатели Стирлинга имеют хорошие перспективы в будущем:
- Использование в солнечной энергетике
- Применение в гибридных энергоустановках
- Утилизация низкопотенциального тепла
- Развитие микро-ТЭЦ для частных домов
- Создание эффективных криогенных охладителей
По мере совершенствования технологий и материалов, двигатели Стирлинга могут найти более широкое применение в различных отраслях техники.
Интересные факты о двигателях Стирлинга
Вот несколько любопытных фактов об этих необычных двигателях:
- Двигатель Стирлинга был изобретен раньше, чем двигатель внутреннего сгорания
- КПД идеального цикла Стирлинга равен КПД цикла Карно
- Существуют двигатели Стирлинга, работающие от тепла руки человека
- Самый большой двигатель Стирлинга имел мощность 500 кВт
- В 1980-х годах компания Ford разрабатывала автомобиль с двигателем Стирлинга
Эти факты показывают, насколько необычным и интересным является двигатель Стирлинга с точки зрения термодинамики и инженерного дела.
Заключение
Двигатель Стирлинга — это уникальная тепловая машина, сочетающая в себе простоту конструкции и высокую эффективность. Несмотря на ограниченное применение, эти двигатели имеют хорошие перспективы в будущем, особенно в области альтернативной энергетики.
Основные преимущества двигателей Стирлинга — экологичность, универсальность по источнику тепла и низкий уровень шума. Главные недостатки — высокая стоимость и низкая удельная мощность.
Дальнейшее совершенствование конструкции и технологий производства может сделать двигатели Стирлинга более конкурентоспособными в ряде областей техники. Это стимулирует продолжение исследований и разработок в данном направлении.
СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ | Наука и жизнь
Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских — конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.
Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из двух цилиндров, соединенных двумя ветками трубопроводов — высокого и низкого давления (для наглядности роторы разнесены, хотя в действительности они находятся на одном валу).
Открыть в полном размере
‹
›
В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило — слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме «Филипс» построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).
Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий.
В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.
Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.
И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.
Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами.
Полость нагнетания (условно — сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра — с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.
Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но «с обратным знаком» происходит в ветви низкого давления.
Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F=∆p(Sб—S м), где ∆p — разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; Sб — рабочая площадь большого ротора; Sм — рабочая площадь малого ротора.
Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.
См. в номере на ту же тему
А. ДУБРОВСКИЙ — Классический четырехтактный…
Ошибка
- Автомобиль — модели, марки
- Устройство автомобиля
- Ремонт и обслуживание
- Тюнинг
- Аксессуары и оборудование
- Компоненты
- Безопасность
- Физика процесса
- Новичкам в помощь
- Приглашение
- Официоз (компании)
- Пригородные маршруты
- Персоны
- Наши люди
- ТЮВ
- Эмблемы
- А
- Б
- В
- Г
- Д
- Е
- Ё
- Ж
- З
- И
- Й
- К
- Л
- М
- Н
- О
- П
- Р
- С
- Т
- У
- Ф
- Х
- Ц
- Ч
- Ш
- Щ
- Ъ
- Ы
- Ь
- Э
- Ю
- Я
Навигация
- Заглавная страница
- Сообщество
- Текущие события
- Свежие правки
- Случайная статья
- Справка
Личные инструменты
- Представиться системе
Инструменты
- Спецстраницы
Пространства имён
- Служебная страница
Просмотры
Перейти к: навигация, поиск
Запрашиваемое название страницы неправильно, пусто, либо неправильно указано межъязыковое или интервики название.
Возможно, в названии используются недопустимые символы.
Возврат к странице Заглавная страница.
Если Вы обнаружили ошибку или хотите дополнить статью, выделите ту часть текста статьи, которая нуждается в редакции, и нажмите Ctrl+Enter. Далее следуйте простой инструкции.
Как работают двигатели Стирлинга.
Как работают двигатели Стирлинга
Подробное объяснение
Не всегда легко понять, как работают двигатели Стирлинга. Я постараюсь объяснить здесь как можно лучше.
Краткое описание двигателей Стирлинга
Внутри двигателя находится фиксированное количество газа. Затем газ перемещается взад и вперед от горячей стороны к холодной стороне двигателя.
Когда газ находится на горячей стороне, он нагревается и расширяется. Когда он на холодной стороне, он охлаждается и сжимается.
В двигателях Стирлинга есть регенераторы. Регенератор — это теплообменник внутри двигателя, который сохраняет часть тепла от одного цикла для использования в следующем цикле.
В двигателе Стирлинга нет клапанов и нет ни впуска, ни выпуска (из самого двигателя), потому что рабочий газ запечатан внутри двигателя.
Резюме статьи ниже
В приведенной ниже статье подробно объясняется множество различных аспектов двигателей Стирлинга.
Нажмите на любую из ссылок ниже, чтобы перейти к этому разделу:
- Немного более подробное объяснение
- Регенераторы двигателя Стирлинга
- Ice Cube Двигатели Стирлинга
- Тепло вашего ручного двигателя
- Охладители Стирлинга и криокулер
Чуть более подробное объяснение
Когда обычный бензиновый или дизельный двигатель завершает свой цикл, он открывает выпускные клапаны и выбрасывает выхлопные газы сначала в выхлопную трубу, а затем быстро в окружающую среду.
Двигатели Стирлинга не имеют выхлопа (изнутри двигателя), потому что рабочий газ используется снова и снова в каждом цикле.
Конечно, двигатели Стирлинга можно нагревать пламенными нагревателями (или любой другой формой тепла).
Если двигатель Стирлинга спроектирован так, чтобы использовать пламя для нагрева горячей стороны, нагреватель обязательно будет иметь выхлоп.
Почему двигатели Стирлинга могут быть такими чистыми
Пламя выделяет большую часть дыма, когда двигатель запускается и останавливается.
Поскольку пламя на горячей стороне двигателя Стирлинга непрерывное, это пламя может гореть очень чисто. Подумайте, когда горящая спичка дает больше всего дыма. Он производит больше всего дыма, когда вы его зажигаете и когда задуваете — верно?
Спички могут гореть с очень небольшим загрязнением в середине цикла горения. То же самое верно для любого пламени. Пламя делает большую часть своего загрязнения, когда оно начинается и останавливается.
Поскольку бензиновые и дизельные двигатели постоянно зажигаются и гаснут, их труднее заставить работать чисто.
Регенераторы Стирлинга
Двигатели Стирлинга способны улавливать и повторно использовать часть тепла, которое в противном случае было бы потрачено впустую, с помощью внутреннего теплообменника, называемого регенератором.
Регенератор — это что-то внутри двигателя Стирлинга, обычно это специально разработанная деталь, позволяющая накапливать тепло от одного цикла и снова использовать его в следующем цикле.
Регенераторы часто изготавливаются из листов фольги, ваты из нержавеющей стали или металлической губки.
В двигателях с низким перепадом температур они часто изготавливаются из пенопласта, губок и материалов для фильтрации воздуха.
Как работает регенератор
Регенератор уменьшает количество потерянного тепла, сохраняя тепло от одного цикла для использования в следующем цикле.
Когда рабочий газ проходит через регенератор на пути от горячей стороны двигателя к холодной, он накапливает некоторое количество тепла в регенераторе.
Затем, когда воздух возвращается с холодной стороны на горячую, он забирает часть тепла от регенератора.
Это означает, что меньше отработанного тепла должно отводиться в окружающую среду.
Это означает, что двигатель будет потреблять меньше топлива или (или солнечной энергии) при заданном КПД и заданной выходной мощности.
Почти бесплатный обед
Регенераторы — одна из тех вещей в мире техники, которые слишком хороши, чтобы быть правдой, но это правда.
Регенераторы не позволяют повторно использовать все отработанное тепло, но позволяют повторно использовать большую его часть
На самом деле в инженерии не бывает бесплатных обедов, но хорошо спроектированные регенераторы в хорошо спроектированных двигателях может значительно улучшить характеристики двигателя Стирлинга.
См. мою полную статью о регенераторах двигателя Стирлинга здесь.
Двигатели Стирлинга Ice Cube
Двигатель Стирлинга, работающий на льду.
Одна из захватывающих особенностей двигателей Стирлинга заключается в том, что вы наблюдаете за разностью низких температур двигателей Стирлинга, которые, кажется, работают на кубиках льда.
Как что-то могло подпитываться холодом?
Ну, на самом деле источник топлива не лед.
Источником топлива является тепло из комнаты, и если температура в комнате упадет до температуры льда, двигатель не запустится.
Эти двигатели очень забавны, и, конечно же, вы можете использовать любую замерзшую пустыню в качестве «источника топлива» с дополнительным преимуществом, поскольку вы можете есть топливо.
Тепло твоих рук Двигатели Стирлинга
Наш двигатель Стирлинга ММ-7, работающий от тепла моей руки.
Еще одна замечательная демонстрация двигателей Стирлинга — это тепло вашей руки Двигатели Стирлинга, которые будут работать на разнице температур между теплом вашей теплой руки и температурой воздуха комнатной температуры.
Обратите внимание: если температура воздуха в помещении станет такой же, как температура вашей руки, эти двигатели также не запустятся.
Если вам нравятся подобные вещи, ознакомьтесь с нашим движком Heat of Your Hand здесь.
Волшебства нет, но похоже на волшебство
Двигатели Стирлинга можно заставить работать при очень незначительной разнице температур.
Но чем меньше разница температур, тем больше размер двигателя, необходимого для выработки значительной мощности.
Охладители Стирлинга и криокуллеры
Криоохладитель Стирлинга производства Janis.
Не сразу видно, но двигатель Стирлинга — это обратимый тепловой насос.
Если с одной стороны поставить источник тепла, а с другой — охладитель, то вал будет получать механическую энергию.
Что не очевидно, так это то, что если вы используете электродвигатель для подачи механической энергии на вал, одна сторона будет нагреваться, а другая — холодать.
Это относится ко всем двигателям Стирлинга, даже к двигателям Стирлинга с низким перепадом температур.
Какие двигатели хорошо охлаждают
Двигатели, предназначенные для работы при незначительных перепадах температур, будут создавать лишь незначительные перепады температур.
Если вы не проделаете удивительно хорошую работу по изоляции двигателя Стирлинга с низким перепадом температур, вы никогда не сможете обнаружить перепад температур, который возник бы, если бы вы запускали двигатель.
Изготовление собственного демонстрационного охладителя Стирлинга
Если вы купите любой двигатель Стирлинга, предназначенный для работы на пламени, и повернете выходной вал с помощью электродвигателя, вы заметите, что одна сторона нагревается, а другая охлаждается.
Лучше всего попробовать это с двигателем, который ощущается как «подпрыгивающий» на такте сжатия, когда вы вертите его в руках.
Моторизация модели двигателя Стирлинга
Моторизация означает установку электродвигателя на выходной вал и вращение двигателя.
Просто подключите электродвигатель к выходному валу и запустите двигатель на той же скорости, на которой он должен был бы работать, если бы вы использовали его как двигатель, а не как холодильник.
Вы можете использовать любой газ
Практически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела внутри двигателя Стирлинга, но есть лишь несколько газов, которые имеют смысл.
Чем легче газ, тем лучше он передает тепло внутри двигателя.
Водород был бы оптимальным газом. Однако гелий также был бы хорошим вариантом.
Утечка легких газов
Гелий и водород известны инженерам-двигателям Стирлинга тем, что их трудно предотвратить от утечки из двигателей Стирлинга.
Эти крохотные газы имеют тенденцию выходить даже из тщательно спроектированных двигателей. Водород может мигрировать прямо через множество различных металлов.
Эти газы хорошо выделяются только в двигателях, таких как двигатели со свободным поршнем, которые не используют вращающийся механический выходной вал и могут быть полностью герметизированы.
Решение Whispergen
Некоторые недавние разработчики двигателей Стирлинга, в частности Дон Клукас, разработчик двигателя Whispergen Stirling из Новой Зеландии, использовали азот в качестве рабочего газа.
Дон говорит, что азот можно сделать отличным рабочим газом, и его гораздо легче держать в закрытом состоянии внутри двигателя в течение длительного периода времени.
Этот опасный газ вас удивит
Когда компания Phillips Electronics возродила современный двигатель Стирлинга в 1950-х годах, инженеры сразу же заметили, что они могут получить больше мощности от двигателя данного размера, создав в нем давление.
Поскольку в их первых двигателях в качестве рабочей жидкости использовался воздух, было довольно просто построить двигатель, который накачивался бы сам и выдавал бы больше мощности по мере увеличения давления.
Эти двигатели будут запускаться как двигатели атмосферного давления, а затем нагнетать рабочее давление для получения желаемой выходной мощности.
Проблема заключалась в том, что они случайно построили бомбу.
Треугольник Вечного Огня
Вчера, сегодня и всегда компонентами треугольника огня были и всегда будут кислород, тепло и топливо.
Когда вы сжимаете кислород, топливо и смазочные материалы внутри двигателя, легко понять, почему в прошлом несколько двигателей Стирлинга, работающих под давлением, взрывались.
Это привело как минимум к одному смертельному исходу в компании Phillips.
Не изобретайте опасное решение
Двигатели Стирлинга должны быть под давлением для обеспечения приемлемой выходной мощности с двигателями меньшего размера.
Однако ни в коем случае нельзя использовать воздух в качестве рабочего газа, если существует вероятность взрыва нефтяных смазок, используемых в двигателе.
Двигатели с нагнетаемым воздухом могут быть безопасными, если они полностью сухие внутри и не содержат смазочных материалов, которые могут испариться и, возможно, взорваться.
Современное использование двигателей Стирлинга
Их практическое применение сегодня
Двигатель комбинированной теплоэлектроцентрали производства Wudag в Германии. Двигатели Стирлинга зеленые, топки синие.
Вы, наверное, говорите себе что-то вроде этого: «Если двигатели Стирлинга такие классные, для чего они сегодня используются?»
В настоящее время двигатели Стирлинга используются в самых разных областях: от игрушек и вентиляторов дровяных печей до комбинированных теплоэлектростанций для бизнеса и самых бесшумных и смертоносных подводных лодок в море.
Итак, какие виды использования включены в эту статью?
На этой странице представлены ТОЛЬКО легкодоступные двигатели Стирлинга. Он не включает исследовательский проект или исторические двигатели Стирлинга.
Я также писал о том, почему некоторые конкретные виды использования двигателей Стирлинга, такие как двигатели для вашего автомобиля и эффективные солнечные двигатели Стирлинга, вряд ли приживутся.
Нажмите или коснитесь ссылок ниже, чтобы перейти к этому разделу:
- Игрушки
- Инструменты для обучения
- Вентиляторы дровяной печи
- Комбинированное производство тепла и электроэнергии
- Классный пример 3D-печати
- Сила подводной лодки
- Кондиционирование воздуха и охлаждение
- Криоохладители
- Социальное обеспечение ученых и инженеров
- Мошенничество с инвестициями
- Двигатели Стирлинга для автомобилей – Никогда
- Генераторы солнечной энергии – эффективные и дорогие
- Ядерные двигатели Стирлинга для дальнего космоса
Игрушки
Игрушки с двигателем Стирлинга могут быть очаровательными, и это было верно с тех пор, как их изобрел Роберт Стирлинг.
До сих пор существуют старинные игрушки с двигателями Стирлинга, которые были построены вскоре после того, как Роберт Стирлинг изобрел двигатель.
Старейший из существующих старинных двигателей Стирлинга
Игрушечная модель старинного двигателя Стирлинга, около 1910 года.
Обычно они работают на спиртовом пламени, и существуют тысячи вариантов возможных конструкций двигателей.
Мои личные фавориты с визуальной точки зрения — те, в которых просто много движущихся частей.
Низкотемпературные игрушки
Я также большой поклонник низкотемпературных двигателей Стирлинга, которые могут работать на тепле чашки горячей воды или тепле вашей руки.
Двигатель Стирлинга Eco Power
Цены начинаются примерно с 30 долларов и доходят до любой суммы, которую вы готовы заплатить.
Учебные пособия
Двигатели Стирлинга помогают безопасно вовлекать учащихся
Двигатель Стирлинга MM-7
Двигатели Стирлинга занимают особое место в университетских и школьных классах.
Это особенно верно для двигателей Стирлинга с низким перепадом температур, которые могут работать, не заполняя класс угарным газом.
Есть что-то вдохновляющее в том, чтобы увидеть, как двигатель работает от тепла чашки с горячей водой или тепла вашей руки. Эти двигатели вызывают у студентов естественных и инженерных наук более глубокий интерес и понимание всех типов двигателей.
Физические и инженерные лаборатории особенно выиграют от оснащенного приборами лабораторного двигателя Стирлинга, который может работать без вытяжного шкафа и без риска утечки угарного газа.
Вентиляторы дровяной печи
Одна из больших проблем с использованием дровяной печи для обогрева дома заключается в том, что возле печи обычно слишком жарко, а в других частях комнаты слишком холодно.
Очевидно, вам нужен способ перемещения воздуха по дому, и в некоторых случаях вы будете использовать дровяную печь в районе, где нет электричества, или вы просто не хотите его использовать по какой-либо причине.
Вот где сияют вентиляторы дровяной печи с двигателем Стирлинга. У нас есть подробная страница о старинных и современных вентиляторах Stirling, которые могут вам понравиться.
Перемещение воздуха без электричества
Вы можете купить вентиляторы для дровяной печи, чтобы плавно перемещать воздух по комнате без электричества.
Просто установите вентилятор на дровяную печь, подождите, пока он нагреется, переверните лопасти вентилятора, и вы получите вентилятор, который мягко и бесшумно перемещает воздух по комнате.
Не ожидайте, что воздух будет перемещаться, как мощный электрический вентилятор. Но если у вас есть дровяная печь и вы читаете это, вам может понравиться использовать вентилятор двигателя Стирлинга, чтобы сделать температуру в вашей комнате более равномерной.
Комбинированное производство тепла и электроэнергии
Комбинированное производство тепла и электроэнергии в доме, производства Ökofen¹
Одна из проблем всех типов двигателей заключается в том, что они недостаточно эффективны.
Каждый раз, когда из выхлопной трубы двигателя выходят горячие газы, этот горячий поток выхлопных газов — это энергия, за которую вы заплатили, но не смогли использовать.
Но что, если бы вы могли настроить механизм таким образом, чтобы выполнять две важные для вас вещи одновременно? Например, производство электроэнергии, а также производство горячей воды для обогрева вашего дома.
Сегодня на рынке есть несколько компаний, выпускающих продукцию, которая производит электроэнергию, а также производит горячую воду для отопления домов и зданий, а также для бытовых или коммерческих нужд в горячем водоснабжении.
Вам может быть интересно прочитать о рекомендуемых нами двигателях с комбинированным производством тепла и энергии.
Классный пример 3D-печати
[фото 1]
Когда впервые появились 3D-принтеры, я сразу понял, что их можно использовать для создания двигателя Стирлинга. Так же поступали и многие другие люди.
Вопрос был только в том, какую часть движка вы могли бы напечатать? Очевидно, что самым интересным и самым сложным было бы напечатать весь движок без каких-либо непечатных частей.
Частично напечатанные двигатели
Первые несколько напечатанных двигателей Стирлинга, которые я видел, были напечатаны лишь частично.
Они использовали шарикоподшипники для маховика и несколько металлических деталей, а также очень гладкий графитовый поршень марки Airpot, вращающийся в стеклянном цилиндре.
В первых распечатанных на 3D-принтере двигателях Стирлинга было много дорогостоящих покупных компонентов.
Я знал, что было бы гораздо интереснее, если бы кто-нибудь придумал способ распечатать весь движок.
Я также потратил много времени на разработку собственных двигателей Стирлинга, напечатанных на 3D-принтере. Это было непросто.
Самый крутой образец 3D-печати
Полностью напечатанный на 3D-принтере двигатель Стирлинга, разработанный Доном Клукасом.
К счастью, Дон Клукас из Крайст-Черч, Новая Зеландия, придумал, как напечатать двигатель Стирлинга без использования каких-либо покупных компонентов.
Дон ранее проектировал комбинированный двигатель Стирлинга Whispergen, поэтому он был опытным разработчиком двигателей Стирлинга, и выяснить, как напечатать двигатель Стирлинга без необходимости покупать дополнительные компоненты, было почти чудом.
Напечатайте двигатель для каждого учащегося
Теперь, если в вашей школе есть 3D-принтер и вы хотите провести в классе эксперимент с двигателями Стирлинга, вы можете просто распечатать по одному двигателю для каждого ученика в классе.
Это гораздо интереснее, чем просто несколько двигателей, на которые студенты могут посмотреть.
Решение Дона проблемы с поршнем для печати
Самая трудная часть при печати всего трехмерного двигателя Стирлинга — это поршень. Современные принтеры не позволяют печатать поршень малого диаметра достаточно точно, чтобы он работал.
Решение Дона состояло в том, чтобы напечатать поршень, который работает как сильфон. На изображении выше поршень белый. Его веб-сайт называется «Проекты для печати», и здесь есть ссылка на нашу страницу ссылок двигателя Стирлинга.
Подводная мощность
Submarine Power — Air Independent Propulsion
ВМС США наняли подводные лодки шведской конструкции, произведенные SAAB (ранее Kockums), для участия в военных играх. Их бесшумные подводные лодки с двигателями Стирлинга оказались «смертоносными» в моделировании.
Двигатели Стирлинга отлично подходят для любых применений, где люди придают большое значение бесшумности.
Поскольку двигатели Стирлинга могут быть практически бесшумными, они идеально подходят для двигателей подводных лодок.
Шведский производитель подводных лодок SAAB (ранее Kockums) добавил двигатель Стирлинга к своим подводным лодкам классов Gotland и Södermanland.
Дизель + Аккумуляторы + Стирлинг
Двигатель Стирлинга, который SAAB использует для шведских подводных лодок класса Gotland.
Эти подводные лодки используют так называемую воздухонезависимую двигательную установку, которая позволяет им оставаться под водой в полной боевой готовности до нескольких недель.
По сути, это дизель-электрические подводные лодки, которые просто могут продлить срок эксплуатации (до двух недель) за счет двигателя Стирлинга, заряжающего батареи.
Двигатели Стирлинга также используются на японской подводной лодке класса Soryu и, по слухам, на некоторых новых китайских подводных лодках².
Кондиционер
Это не сразу очевидно, когда вы смотрите на двигатель Стирлинга, но любой двигатель Стирлинга можно превратить в тепловой насос, подключив электродвигатель к выходному валу и запустив электродвигатель.
Конечно, низкотемпературный перепад Двигатели Стирлинга, которые были разработаны для работы при небольших перепадах температур, будут производить только небольшие перепады температур, когда они работают от двигателя.
Так что не пытайтесь сделать это с двигателем Стирлинга с низкой разницей температур.
Попробуйте запустить двигатель с пламенным нагревом
Но если вы прикрепите электродвигатель к выходному валу любого двигателя Стирлинга, предназначенного для работы при более высоких перепадах температур, и запустите электродвигатель, одна сторона будет нагреваться, а другая сторона станет холодно.
Вы можете сделать это даже с очень простыми моделями, так что попробуйте.
Двигатели Стирлинга могут использоваться в качестве кондиционеров
Очевидно, что специально изготовленные охладители будут работать лучше, чем двигатели, которые были переделаны под охладители.
Если вы хотите построить кондиционер для кондиционирования воздуха в доме, вы будете конкурировать с хорошо зарекомендовавшей себя технологией охлаждения с паровым циклом, которая была снижена в цене на протяжении многих поколений производства.
Таким образом, поскольку большинство людей принимают решения о покупке новых холодильников и кондиционеров, основываясь в основном на первоначальной покупной цене, и поскольку новый кондиционер с двигателем Стирлинга, вероятно, изначально будет дороже, это не то приложение, которое вы, вероятно, увидите в широком диапазоне.
использовать в ближайшее время.
Но двигатели Стирлинга, кондиционеры и холодильники уже построены.
Но где технология цикла Стирлинга действительно сияет, там где другие технологии не могут легко конкурировать, например, в криокулерах.
Криоохладители
Криоохладители производства Janis³, используемые для статического обменного газа.
Если вы хотите добиться очень низких температур для охлаждения электроники, чтобы достичь сверхпроводимости или в исследовательских целях, двигатели Стирлинга, которые были специально разработаны для охлаждения, являются отличным выбором.
Подобные кулеры были первоначально разработаны компанией Phillips Electronics в 1950-х годах и продолжают продаваться и использоваться по сей день.
Если вам нужен один для вашего промышленного применения, они доступны.
Двухступенчатые охладители Стирлинга могут создавать температуры примерно до 20 градусов по Кельвину, что достаточно для сжижения водорода и неона.
Социальное обеспечение для ученых и инженеров
По этому поводу может показаться, что я несерьезен, но на самом деле это так.
Определенная сумма государственного бюджета на исследования ежегодно тратится на проекты по разработке новых технологий. Это вопрос государственной политики.
За многие годы, что я интересовался двигателями Стирлинга, я видел, как люди подавали заявки и получали государственные исследовательские гранты для разработки двигателей Стирлинга.
Почему это проблема?
Проблема этого исследования, финансируемого государством, заключается в том, что оно редко приводит к появлению новых продуктов, которые люди могут купить. Продукты часто разрабатываются с высоким уровнем эффективности, сложности и стоимости, что делает невозможным их производство и продажу на коммерческой основе.
Возьмем, к примеру, компанию Sunpower из Афин, штат Огайо.
За прошедшие годы они разработали множество интересных продуктов, но попробуйте найти любой из них на рынке сегодня.
Вы действительно не можете.
Заказчик — следующий государственный исследовательский грант
Компания Sunpower потратила столько лет на создание интересных продуктов, которые так и не вышли на рынок, поэтому я могу предположить, что они действительно не собирались выводить продукты на рынок.
Вместо этого они создали эти продукты, чтобы получить следующий раунд государственных денег на исследования.
В этом нет ничего плохого, просто помните, что государственные субсидии редко приводят к появлению новых продуктов.
Если вам интересно, почему исследовательские проекты часто не приводят к новым продуктам, прочитайте мою страницу о том, почему двигатели Стирлинга не так популярны.
Мошенничество с инвестициями
За прошедшие годы появилось и исчезло множество компаний, производивших двигатели Стирлинга. И технологии, и рынки сложны, поэтому я полагаю, что этого следует ожидать.
Но есть особый тип компаний, которые появлялись и исчезали и, кажется, никогда не собирались делать ничего, кроме сбора денег от инвесторов и выплаты высоких зарплат директорам.
У них всегда красивые сайты и красивые офисы. Часто у них даже есть прототип, который они купили у разработчика.
Но, похоже, не было никаких реальных попыток вывести двигатели Стирлинга на рынок с некоторыми из этих мошенников/компаний.
Как они выглядят настоящими
Прототип обычно покупается у инженера, который потратил огромное количество времени на его разработку.
Он продает его мошенникам, утверждая, что они собираются вывести его продукт на рынок благодаря своему превосходному маркетинговому опыту.
Они его фотографируют, делают красивый сайт, издают глянцевые брошюры, собирают большие деньги от инвесторов и исчезают в истории.
Цикл мошенников и исчезновений, кажется, повторяется
Это случалось так много раз, что я просто впадаю в депрессию каждый раз, когда вижу что-то новое.
Так что, мошенники, пожалуйста, найдите другой технологический центр, вокруг которого вы работаете.
Очевидно, что для правильной разработки двигателя Стирлинга нужны деньги новых инвесторов, но компании с опытом работы в области маркетинга и отсутствием инженерного персонала, вероятно, не те, кто выводит на рынок новые продукты для двигателей Стирлинга.
Почему маловероятно использование двигателей Стирлинга в автомобилях
Двигатели Стирлинга подходят для многих применений, но не для автомобилей.
Почему?
- Они медленно запускаются
- Сложно быстро изменить уровни мощности
- Они не разгоняются быстро
- Они тяжелее и дороже
Двигатели Стирлинга любят работать с постоянной скоростью
Двигатели Стирлинга не подходят для тех, кто хочет быстро разогнаться от «0 до 60».
Они лучше работают на постоянной скорости, поэтому, если вам нужно быстро разогнаться, когда загорается зеленый свет, двигатели Стирлинга не для вас.
Все эти вещи, а также тот факт, что они дороже обычных двигателей внутреннего сгорания, делают их плохой смесью для автомобилей.
Гибридные автомобили
Теперь, когда мы видим больше гибридных автомобилей, все больше людей задумываются о том, какое влияние может оказать двигатель Стирлинга.
Двигатели Стирлинга имеют смысл в качестве источника энергии в некоторых электрических гибридных транспортных средствах, но, опять же, они имеют тенденцию быть тяжелыми.
Если вы сможете решить проблему веса, они могут подойти.
Генераторы солнечной энергии
Что насчет двигателей Стирлинга для солнечной энергии?
Кажется очевидным, что двигатели Стирлинга можно использовать для работы на концентрированной солнечной энергии.
Проблема с этим подходом заключается в том, что инженерные программы по разработке этих двигателей обычно имеют целью высокую эффективность. Это означает, что будут использоваться дорогие жаропрочные сплавы, и к тому времени, когда двигатель заработает, как ожидается, он будет слишком дорогим, чтобы конкурировать с солнечными батареями.
Концентрация солнечного света производит высокотемпературные двигатели, в которых должны использоваться дорогие высокотемпературные металлы, и, несмотря на то, что в этой области было проведено множество исследований, сегодня на рынке нет коммерческих продуктов.
Двигатели Стирлинга с ядерными двигателями для дальнего космоса
Двигатели Стирлинга могут работать на любой форме тепла.
Что касается двигателя, тепло от ядерного изотопа так же хорошо, как и любое другое тепло.
Это хорошо изучено в так называемых радиоизотопных генераторах Стирлинга для использования в космических исследованиях.
Важно, когда спутники не близко к Солнцу
Легко думать, что солнечные батареи можно использовать везде в космосе, но это не так.
Поскольку спутник улетает все дальше от орбиты Земли вокруг Солнца, солнечной плотности просто недостаточно для питания электроники спутника, и вам нужен другой метод получения энергии.
Двигатели Стирлинга были разработаны для этого применения, используя радиоактивный изотоп в качестве источника тепла, подключенного к двигателю Стирлинга.
Больше энергии из того же плутония
Двигатели Стирлинга, сконфигурированные таким образом, могут производить примерно в три раза больше электроэнергии, чем при использовании термоэлектрического устройства⁴.
Двигатели могут работать четыре года без обслуживания.
Sunpower из Афин, Огайо, строит их для НАСА⁵.
Пожалуйста, прокомментируйте ниже
Спасибо за чтение этой страницы.
Пожалуйста, оставьте свои вопросы, комментарии или предложения ниже.
Обязательно ознакомьтесь с другими нашими страницами о двигателях Стирлинга, которые можно сделать своими руками.
¹Фото: Ökofen
²Фарли, Р. (2018). «Воздушно-независимые двигательные подводные лодки: скрытность, дешевизна и будущее?» Национальный интерес. Вашингтон, округ Колумбия, Центр национальных интересов. Получено с http://nationalinterest.org/blog/the-buzz/air-independent-propulsion-submarines-stealth-cheap-the-24245
³Фото: Дженис
2007). Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга для космических научных и исследовательских миссий НАСА. Кливленд, Огайо: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Получено с: https://web.
