Машина стирлинга: Устройство и принцип работы двигателя Стирлинга, модификации

Двигатель Стирлинга — Энциклопедия журнала «За рулем»

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина — главный соперник бензинового мотора — обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.

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.

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?

Как работает Стирлинг

Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания:
1 — топливная форсунка;
2 — выпускной патрубок;
3 — элементы воздухоподогревателя;
4 — подогреватель воздуха;
5 — горячие газы;
6 — горячее пространство цилиндра;
7 — регенератор;
8 — цилиндр;
9 — ребра охладителя;
10 — холодное пространство;
11 — рабочий поршень;
12 — ромбический привод;
13 — шатун рабочего поршня;
14 — синхронизирующие шестерни;
15 — камера сгорания;
16 — трубки нагревателя;
17 — горячий воздух;
18 — поршень-вытеснитель;
19 — воздухоприемник;
20 — подвод охлаждающей воды;
21 — уплотнение;
22 — буферный объем;
23 — уплотнение;
24 — толкатель поршня-вытеснителя;
25 — толкатель рабочего поршня;
26 — ярмо рабочего поршня;
27 — палец ярма рабочего поршня;
28 — шатун поршня-вытеснителя;
29 — ярмо поршня-вытеснителя;
30 — коленчатые валы.
Красный фон — контур нагрева;
точечный фон — контур охлаждения

В современной конструкции «стирлинга», работающего на жидком топливе, — три контура, имеющих между собой лишь тепловой контакт. Это контур рабочего тела (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Главное назначение контура нагрева — поддерживать высокую температуру в верхней части рабочего контура. Контур охлаждения поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Сам контур рабочего тела замкнут.
Контур рабочего тела. В цилиндре 8 движутся два поршня — рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла ({на схеме показаны эти такты).
Такт I — охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II — сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III — нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV — расширение рабочего тела — рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева. Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения. Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

«Стирлинги» вместо ДВС

Первые же испытания, проведенные пол-века назад, показали, что «стирлинг» почти идеально бесшумен. У него нет карбюратора, форсунок с высоким давлением, системы зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре, хотя и повышается почти до 200 атм, но не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигателе не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания.
Говорят, что, даже приложив руку к двигателю, не всегда удается определить, работает он или нет. Эти качества автомобильного двигателя особенно важны, ибо в крупных городах остро стоит проблема снижения шума.
А вот другое качество — «всеядность». По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода «стирлинга». Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Он может работать на теплоте, запасенной в расплаве какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 литров окиси алюминия заменяет 1 литр бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить водителя, попавшего в беду. Она разрешит остро стоящую проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве.
А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур.
Вот только по стоимости и по весу «стирлинги» пока уступают двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходится 5 кг, что намного больше, чем у бензинового и дизельного моторов. Но не следует забывать, что это еще первые, не доведенные до высокой степени совершенства модели.
Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях «стирлинги» требуют меньших давлений. Это — важное достоинство. И если у них найдутся еще и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении. А вовсе не турбины.

«Стирлинг» от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой — расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см², а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кГ/см² и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час.
Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой — компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель — в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга»:
1 — рабочий цилиндр;
2 — рабочий поршень;
3 — подогреватель;
4 — регенератор;
5 — теплоизолирующая муфта;
6 — охладитель;
7 — компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом.
В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 — охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается — такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 — такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре

Электростанции на двигателе Стирлинга — простота, экономичность и

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

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.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

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

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.

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 

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

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки. Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

Содержание статьи

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.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду. При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла. Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

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.

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

конструкция, принцип работы, делаем своими руками

В 1816 году преподобный Роберт Стирлинг, стремившийся создать более безопасную альтернативу паровым двигателям, котлы которых часто взрывались из-за высокого давления пара и доступных в то время примитивных материалов, изобрёл новое устройство. Как и другие похожие агрегаты, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую. Его существенная особенность заключаются в том, что это разновидность двигателя внешнего сгорания. Это значит, что в нём используется фиксированное количество рабочего тела, обычно воздуха, а тепло, потребляемое им, подводится извне. Это позволяет устройству работать практически на любом источнике тепла, включая ископаемое топливо, горячий воздух, солнечную, химическую и ядерную энергию. Он также может работать с очень низкими температурными перепадами.

Конструкция двигателя Стирлинга

Агрегаты бывают разных форм, большинство из которых — варианты четырёх базовых конфигураций, главные их части следующие:

1. Источник тепла. Он может быть любой: от огня, производимого горящим углем или дровами, до солнечной света, концентрируемого гелиостатами, поскольку фактическое сгорание топлива не нужно, используется только разница температур между радиатором и источником тепла.
2. Газ, или рабочее тело, постоянно находится в закрытом баллоне внутри машины. Это может быть гелий, обычных воздух, водород, а также любое другое доступное вещество, которое не меняет своей формы при нагреве и охлаждении. Его основная задача — передать тепловую энергию.
3. Радиатор. Нужен для охлаждения горячего газа.
4. Поршни и цилиндры, между которыми движутся газовые заслонки, которые при нагреве расширяются, а при охлаждении сжимаются перед тем, как весь цикл повторится.
5. Теплообменник, или регенератор. Расположен между радиатором и тепловым источником. Нагретый газ, проходя мимо, отдаёт часть своего тепла, а возвращаясь забирает его. Без этого узла тепло будет уходить, то есть тратиться впустую.

Как работает двигатель Стирлинга

Если рассматривать рабочую схему двигателя Стирлинга на примере альфа-конфигурации, где фиксированное количество воздуха или другого рабочего тела заключено в два цилиндра, один из которых горячий, а другой — холодный, перемещается между ними вперёд и назад. Газ нагревается и расширяется в горячем цилиндре, охлаждается в холодном, там же он сжимается, по ходу отдавая энергию для выполнения механической работы.

Надо отметить, что два поршня соединены с коленчатым валом, но их движения не совпадают по фазе на 90 ° между верхней и нижней частями. Поэтапно это выглядит следующим образом:

1. Рабочее тело, расширяясь от нагрева, толкает горячий поршень к нижней части цилиндра, поворачивая коленчатый вал. Расширение продолжается, заставляя газ двигаться к холодному цилиндру. Поршень внутри холодного цилиндра, который находится на четверть оборота позади горячего поршня, также толкается вниз.
2. Газ в максимальном объёме. Импульс маховика на коленчатом валу толкает поршень в горячем цилиндре к вершине его хода, заставляя большую часть газа попадать в холодный цилиндр, толкая холодный поршень вниз. В холодном цилиндре газ охлаждается, давление падает.
3. Когда горячий поршень достигает вершины своего хода, почти весь газ теперь переместился в холодный цилиндр, где охлаждение продолжается, и рабочее тело сжимается, снижая давление ещё больше, что позволяет холодному поршню подняться. Сила импульса маховика сжимает газ и направляет его обратно к горячему цилиндру.
4. На этом этапе рабочая жидкость, достигая своего минимального объема, подаётся в горячий цилиндр, где начинает толкать горячий поршень вниз. Газ снова нагревается, его давление увеличивается, он расширяется, толкая горячий поршень вниз во время рабочего хода, и цикл начинается снова.

Регенератор, расположенный в воздушном канале между двумя поршнями, не строго необходим в конструкции двигателя Стирлинга, но служит для повышения эффективности двигателя. Обычно это металлическая или керамическая матрица с большой площадью поверхности, способная поглощать или отдавать тепло. С ее помощью можно снизить расход топлива и повысить общую эффективность рабочего цикла. Канал для переноса газа между двумя цилиндрами по существу мертвое пространство, часто он остается максимально коротким.

Двигатели Стирлинга использовались в различных формах с 1930-х годов в качестве движущей силы для целого ряда транспортных средств с двигателями мощностью 75 кВт и более. Несмотря на то, что ранние разработки были предназначены для автомобильной промышленности, из-за своей низкой удельной мощности двигатель Stirling больше подходит для стационарного применения, а в последние годы его стали больше использовать для производства электрической энергии:

1. Идеально подходит для использования небольшими комбинированными теплоэнергетическими установками для сбора отработанного тепла. Генераторы двигателя Стирлинга с выходной электрической мощностью от 1 кВт до 10 кВт доступны для бытового применения, а отработанное тепло используется котлом центрального отопления. Общая тепловая эффективность этих установок может достигать 80%.
2. В некоторых странах такие устройства используются для выработки электроэнергии из тепловой энергии.

Как сделать самостоятельно

Несмотря на кажущуюся простоту, сделать двигатель Стирлинга своими руками в домашних условиях непросто. На это нужно потратить немного времени, уделяя внимание деталям. Никакие станки не потребуются. Вот несколько советов для тех, кто решился на эксперимент.

1. Создание цилиндра. Можно использовать ёмкость из нержавеющей стали, диаметр которой около 95 мм, а высота 235 мм. Этот материал выдерживает сильный нагрев. Не стоит заменять его на алюминиевую банку. Для изготовления диафрагмы подойдёт пластиковая крышка.
2. Охладители. Подойдут нескольких жестяных банок диаметром 150 мм. Чтобы сделать водовыпускное отверстие, можно использовать сантехнические детали.
3. Поршень. Его легко изготовить из проволоки. Понадобится вата, выполненная из нержавеющей стали, которую нужно намотать на сетку из того же материала.
4. Коленчатый вал — самое сложное. Он должен быть прямым с жесткими изгибами. Нужны подшипники, латунные соединители и 4-миллиметровая стальная катанка.
5. Маховик. Стальной круг 4 мм толщиной и 170 мм в диаметре, который нужно навинтить на коленчатый вал.
6. Диафрагма. Понадобится отрезок тонкой резины, её нужно растянуть и нагреть, чтобы придать форму. Как шаблон подойдёт выпуклая пластиковая крышка.
7. Статор. Содержит примерно одинаковые катушки из медной проволоки. Затем их нужно приклеить к фанерному диску, который будет привинчен к боковой части двигателя.

Когда катушки будут готовы, стоит проверить, что у всех одинаковое сопротивление, а провод без разрывов.

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества

• Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
• Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
• Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
• Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
• Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

• В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

Недостатки

• При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам. Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
• Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
• Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
• Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

• Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
• Насосы. Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
• Холодильное оборудование. В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.

• Сверхнизкие температуры. Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.

• Солнечные электростанции. Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
• Аккумуляторы тепла. С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические аккумуляторы, и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
• Автомобилестроение. Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

Похожие темы:

DIY Модель двигателя Парового Электрогенератора со светодиодной подсветкой Научные развивающие игрушки для детей | Двигатель Стирлинга | Двигатель Стирлинга ВоздухДвигатель Стирлинга

DIY Air Модель двигателя Стирлинга паровая мощность электрический генератор машина со светодиодной подсветкой научные развивающие игрушки для детей

Это двигатель внешнего сгорания, для непрерывного сжигания топлива расширяющийся воздух будет работать как среда для работы поршня, затем расширяющийся воздух будет охлаждаться в холодной камере; Он будет многократно повторять этот процесс.

Характеристики:
Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу.
Это также генератор электроэнергии, мощность может загораться мини-светодиодной лампой.
Процесс преподавания и обучения станет более интуитивным и интересным.
Хорошо собран, нужно просто установить светодиодную лампу и подготовить спирт.
Самым большим преимуществом двигателя внешнего сгорания является то, что его мощность и эффективность не зависят от высоты, даже на большой высоте он работает хорошо.
Изготовлен из изысканного алюминиевого сплава и стекла.

Технические характеристики:
Материал: алюминиевый сплав и стекло
Скорость: до 1200 об / мин
Размер изделия: 15,5 * 8 * 8,8 см / 6,1 * 3,1 * 3,5 дюйма
Вес изделия: 470 г / 16,6 унций
Размер упаковки: 19,3 * 11 * 13,7 см / 7,6 * 4,3 * 5,4 дюйма
Вес упаковки: 616 г / 21.7 унций

Список пакетов:
1 * Комплект модели двигателя Стирлинга
1 * Запасная конвейерная лента
1 * Запасная трубка
1 * Руководство пользователя (на английском языке)

Примечание:
1. Стекло не должно подвергаться воздействию воды после нагревания, иначе он расколется.
2. Если спирт пролился, потушите пожар влажной тканью.
3. Дети до 12 лет должны находиться в сопровождении взрослых при использовании этого продукта.

Доставка:

1.Мы гарантируем отправку товара в течение 24-72 часов после подтверждения оплаты, за исключением праздников.
2. Мы отправляем почтой Китая, HKpost EMS, DHL, FedEx, по вашему выбору при размещении заказов.
3. Если вы не получили товар через 45 дней, пожалуйста, свяжитесь с нами. Мы приложим все усилия, чтобы решить эту проблему.
4. Мы не несем ответственности за задержки, вызванные таможней, импортными пошлинами, налогами или другими таможенными сборами.

Гарантия:

1. На все товары действует гарантия 1 год.Если ваша покупка не соответствует товарному качеству, не соответствует назначению или не соответствует описанию, мы можем убедиться, что ваши проблемы решены.
2. В случае ошибочно отправленных товаров, пожалуйста, свяжитесь с нами в течение 48 часов после доставки. Мы организуем доставку нужных товаров или возврат всей вашей оплаты.
3. Для дефектных или неисправных продуктов, пожалуйста, сделайте фотографии или видео, мы повторно отправим или вернем деньги после подтверждения.

Современное применение двигателей Стирлинга

Современное применение двигателей Стирлинга

Их практическое применение сегодня

Комбинированный двигатель теплоэлектростанции, произведенный Wudag в Германии.Двигатели Стирлинга зеленые, а топки синие.

Вы, наверное, говорите себе что-то вроде этого: «Если двигатели Стирлинга такие крутые, то для чего они используются сегодня?»

Сегодня двигатели Стирлинга используются как в игрушках и вентиляторах для дровяной печи, так и в комбинированных теплоэлектростанциях для предприятий и в самых бесшумных и смертоносных подводных лодках в море.

Итак, какие применения описаны в этой статье?

На этой странице показаны ТОЛЬКО двигатели Стирлинга, которые являются легкодоступными продуктами.Он не включает исследовательские проекты или исторические двигатели Стирлинга.

Я также писал о том, почему некоторые специфические области применения двигателей Стирлинга, такие как двигатели для вашей машины и эффективные солнечные двигатели Стирлинга, вряд ли также будут популярны.

Щелкните или коснитесь ссылок ниже, чтобы перейти в этот раздел:

1. Игрушки
2. Учебные пособия
3. Вентилятор для дровяной печи
4. Теплоэлектроцентраль
5. Пример крутой 3D-печати
6. Подводная мощь
7. Кондиционирование и охлаждение
8. Криокулеры
9. Социальное обеспечение ученых и инженеров
10. Инвестиционные мошенничества
11. Двигатели Стирлинга для легковых автомобилей — никогда
12. Солнечные генераторы — эффективные и по завышенной цене
13. Двигатели Стирлинга для ядерной энергетики дальнего космоса

Игрушки

Игрушки с двигателем Стирлинга могут очаровывать, и это было верно с тех пор, как их изобрел Роберт Стирлинг.

Есть еще старинные игрушки-двигатели Стирлинга, которые были построены вскоре после того, как Роберт Стирлинг изобрел двигатель.

Самый старый из существующих старинных двигателей Стирлинга

Старинная игрушечная модель двигателя Стирлинга, около 1910 г.

Обычно они работают на спиртовом пламени, и существуют тысячи вариантов возможных конструкций двигателей.

Мои личные фавориты с визуальной точки зрения — это те, в которых просто много движущихся частей.

Низкотемпературные игрушки

Я также большой поклонник низкотемпературных двигателей Стирлинга, которые могут работать как от чашки горячей воды, так и от тепла ваших рук.

Двигатель Стирлинга Eco Power

Цены начинаются от 30 долларов и увеличиваются до той суммы, которую вы хотите заплатить.

Учебные пособия

Двигатели Стирлинга помогают безопасно привлекать студентов

Двигатель Стирлинга ММ-7

Двигатели Стирлинга занимают особое место в университетских и школьных аудиториях.

Это особенно верно для двигателей Стирлинга с низким перепадом температур, которые могут работать, не заполняя классную комнату парами окиси углерода.

Есть что-то вдохновляющее в том, как двигатель работает от тепла чашки с горячей водой или от тепла вашей руки. Эти двигатели привлекают студентов, изучающих естественные науки и инженерные науки, к более глубокому интересу и пониманию всех типов двигателей.

Физические и инженерные лаборатории могут особенно выиграть от оснащенного прибором лабораторного двигателя Стирлинга, который может работать без вытяжного шкафа и без риска утечки угарного газа.

Вентилятор для дровяной печи

Одна из больших проблем при использовании дровяной печи для обогрева дома заключается в том, что рядом с печью обычно слишком жарко, а в других частях комнаты слишком холодно.

Очевидно, вам нужен способ перемещать воздух по дому, и в некоторых случаях вы будете использовать дровяную печь в месте, где нет электричества или вы просто не хотите ее использовать по какой-то причине.

Вот где блистают вентиляторы дровяных печей Стирлинга. У нас есть подробная страница антикварных и современных вентиляторов Стирлинга, 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 ждите, что это будет двигать воздух, как сильный электрический вентилятор. Но если у вас есть дровяная печь и вы читаете это, вам, возможно, понравится использовать вентилятор двигателя Стирлинга, чтобы сделать температуру в вашей комнате более равномерной.

Теплоэлектроцентраль

Комбинированный теплоэнергетический двигатель в доме производства Ökofen¹

Одна из проблем всех типов двигателей в том, что они недостаточно эффективны.Каждый раз, когда из выхлопной трубы двигателя выходят горячие газы, этот поток горячего выхлопа — это энергия, за которую вы заплатили, но не смогли использовать.

Но что, если бы вы могли настроить движок так, чтобы вы одновременно делали две важные для вас вещи? Например, производство электричества и горячая вода для обогрева дома.

Сегодня на рынке представлено несколько компаний с продуктами, которые производят электричество, а также вырабатывают горячую воду для отопления домов и зданий, а также для бытовых или коммерческих нужд в горячей воде.

Возможно, вам понравится читать о рекомендуемых нами комбинированных теплоэнергетических двигателях.

Пример крутой 3D-печати

Когда 3D-принтеры впервые стали доступны, я сразу понял, что их можно использовать для создания двигателя Стирлинга. Многие другие люди тоже.

Единственный вопрос заключался в том, какую часть движка вы действительно можете напечатать? Очевидно, что наиболее интересным и сложным было бы распечатать весь движок без необходимости в непечатаемых частях.

Двигатели с частичной печатью

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, работающий в стеклянном цилиндре.

В первых двигателях Стирлинга, напечатанных на 3D-принтере, было много дорогих закупленных компонентов.

Я знал, что было бы намного интереснее, если бы кто-нибудь нашел способ распечатать весь движок.

Я также потратил много времени на разработку собственных двигателей Стирлинга, напечатанных на 3D-принтере. Это было нелегко.

Самый крутой пример 3D-печати за всю историю

Двигатель Стирлинга, полностью напечатанный на 3D-принтере, разработанный Доном Клукасом.

К счастью, Дон Клукас из Крайст-Черч, Новая Зеландия, придумал, как напечатать весь двигатель Стирлинга, вообще не используя никаких приобретенных компонентов.

Дон ранее проектировал комбинированный теплоэнергетический двигатель Стирлинга Whispergen, поэтому он был опытным конструктором двигателей Стирлинга, и выяснение того, как напечатать весь двигатель Стирлинга без необходимости покупать дополнительные компоненты, было почти чудом.

Распечатайте двигатель для каждого ученика

Теперь, если в вашей школе есть 3D-принтер, и вы хотите провести в классе эксперимент с двигателями Стирлинга, вы можете просто распечатать его для каждого ученика в классе.

Это намного интереснее, чем наличие нескольких двигателей для студентов.

Решение Дона печатной проблемы поршня

Самая сложная часть при печати всего 3D-двигателя Стирлинга — это поршень. Современные принтеры не позволяют печатать поршень малого диаметра с достаточной точностью, чтобы он работал.

Дон решил напечатать поршень, который работает как сильфон. На изображении выше поршень белый. Его веб-сайт называется «Проекты для печати», и на него есть ссылка со страницы ссылок на двигатель Стирлинга.

Submarine Power

Submarine Power — Воздушно-независимая силовая установка

ВМС США наняли для участия в военных играх подводные лодки шведской конструкции производства SAAB (ранее Kockums). Их бесшумные подводные лодки, использующие двигатели Стирлинга, оказались «смертоносными» при моделировании.

Стирлинга превосходны там, где люди очень высоко ценят тишину.

Поскольку двигатели Стирлинга могут быть практически бесшумными, они идеально подходят для питания подводных лодок.

Шведская компания-производитель подводных лодок SAAB (ранее Kockums) добавила 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 называемые воздушно-независимые двигательные установки, позволяющие 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) с помощью двигателя Стирлинга, дополняющего батареи.

Стирлинга также устанавливаются на японские подводные лодки класса Soryu и, по слухам, используются в некоторых новых китайских подводных лодках².

Кондиционер

Это не сразу становится очевидным, если посмотреть на двигатель Стирлинга, но любой двигатель Стирлинга можно превратить в тепловой насос, прикрепив электродвигатель к выходному валу и запустив электродвигатель.

Конечно, двигатели Стирлинга с низким перепадом температур, которые были разработаны для работы при небольших перепадах температур, будут давать лишь небольшие перепады температур, когда они приводятся в действие двигателем.

Так что не пытайтесь делать это с двигателем Стирлинга с низким перепадом температур.

Попробуйте запустить двигатель с подогревом пламени

Но если вы прикрепите электродвигатель к выходному валу любого двигателя Стирлинга, предназначенного для работы при более высоких перепадах температур, и запустите электродвигатель, одна сторона станет горячей, а другая — холодной.

Это можно сделать даже с очень простыми моделями, так что попробуйте.

Двигатели Стирлинга можно использовать в качестве кондиционеров

Очевидно, что специализированные кулеры будут работать лучше, чем двигатели, которые были преобразованы в кулеры.

Если вы хотите построить систему для кондиционирования воздуха в доме, вам придется конкурировать с хорошо зарекомендовавшей себя технологией охлаждения с паровым циклом, цена которой снижалась на протяжении многих поколений производства.

Таким образом, поскольку большинство людей принимают решения о покупке новых холодильников и кондиционеров в основном на основе первоначальной закупочной цены, и поскольку новый кондиционер с двигателем Стирлинга, вероятно, будет изначально дороже, это не то приложение, которое вы, вероятно, увидите в широком использовании. в любое время скоро.

Но были построены кондиционеры и холодильники с двигателями Стирлинга.

Но в чем действительно проявляется технология цикла Стирлинга, так это там, где другие технологии не могут легко конкурировать, например, в криокулерах.

Криокулеры

Криоохладитель производства Janis³, используемый в статическом обменном газе.

Если вы хотите достичь очень низких температур для охлаждения электроники для достижения сверхпроводимости или для исследовательских целей, двигатели Стирлинга, специально разработанные для охлаждения, являются отличным выбором.

, подобные этому, были первоначально разработаны компанией Phillips Electronics в 1950-х годах и продолжают продаваться и использоваться сегодня.

Если вам нужен он для вашего промышленного применения, они доступны.

Двухступенчатые охладители Стирлинга могут обеспечивать температуру примерно до 20 градусов Кельвина, что достаточно для сжижения водорода и неона.

Социальное обеспечение ученых и инженеров

По этому поводу, похоже, я несерьезно, но на самом деле это так.

Определенная сумма государственного бюджета на исследования ежегодно расходуется на проекты по разработке новых технологий. Это вопрос государственной политики.

На протяжении многих лет, когда я интересовался двигателями Стирлинга, я видел, как люди подавали заявки и получали правительственные гранты на исследования для разработки двигателей Стирлинга.

Почему это проблема?

Проблема с этим финансируемым государством исследованием заключается в том, что оно редко приводит к появлению новых продуктов, которые люди покупают.Продукты часто разрабатываются с учетом высокого уровня эффективности, сложности и стоимости, что делает невозможным их производство и коммерческую продажу.

Возьмем, к примеру, компанию Sunpower из Афин, штат Огайо.

За эти годы они разработали множество интересных продуктов, но попробуйте найти любой из них на рынке сегодня. Вы действительно не можете.

Заказчик — следующий правительственный грант на исследования

Sunpower потратила столько лет на создание интересных продуктов, которые так и не вышли на рынок, что 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 вас интересует, почему исследовательские проекты часто не приводят к появлению новых продуктов, прочтите мою страницу о том, почему двигатели Стирлинга не пользуются большей популярностью.

Инвестиционное мошенничество

Множество производителей двигателей Стирлинга приходили и уходили за эти годы.И технологии, и рынки сложны, поэтому я полагаю, что отчасти этого следует ожидать.

Но есть особый тип компаний, которые приходили и уходили, и у которых, кажется, никогда не было никаких намерений делать что-либо, 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 никакой реальной попытки вывести двигатели Стирлинга на рынок с некоторыми из этих мошенников / компаний.

Как они делают это реальным

Прототип обычно покупается у инженера, который потратил на его разработку огромное количество времени.

Он продает это мошенникам, говоря, что они собираются вывести его продукт на рынок, обладая превосходным маркетинговым опытом.

Они фотографируют его, создают красивый веб-сайт, публикуют глянцевые брошюры, собирают много денег от инвесторов и исчезают в истории.

Цикл мошенничества и исчезновения, кажется, повторяется

Это случалось так много раз, что я впадаю в депрессию каждый раз, когда вижу новую.

Итак, мошенники, найдите, пожалуйста, другой технологический центр, в котором работают ваши мошенники.

Очевидно, что нужны новые деньги инвесторов для разработки двигателя Стирлинга правильного типа, но компании с историей наличия хорошего маркетингового персонала и отсутствия инженерного персонала, вероятно, не из тех, кто выводит на рынок новые продукты для двигателей Стирлинга.

Почему двигатели Стирлинга в автомобилях маловероятны

Двигатели Стирлинга имеют смысл для множества применений, но автомобильные двигатели к их числу не относятся.

Почему?

1. Они медленно запускаются
2. Сложно быстро изменить уровень мощности
3. Они не ускоряются быстро
4. Они тяжелее и дороже

Двигатели Стирлинга любят работать с постоянной скоростью

Стирлинга не подходят для тех, кто хочет быстро перейти 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, чем типичный двигатель внутреннего сгорания, делают их плохим выбором для автомобилей.

Гибридные автомобили

Теперь, когда мы видим все больше гибридных автомобилей, все больше людей задумываются о том, какое влияние может оказать двигатель Стирлинга.

Стирлинга имеют смысл в качестве источника энергии в некоторых электрических гибридных автомобилях, но, опять же, они имеют тенденцию быть тяжелыми.

Если вам удастся решить проблему с весом, они могут подойти.

Солнечные генераторы

А как насчет двигателей Стирлинга для солнечной энергии?

Кажется довольно очевидным, что двигатели Стирлинга можно использовать для работы на концентрированной солнечной энергии.

Проблема с этим подходом состоит в том, что инженерные программы по разработке этих двигателей обычно ставили целью высокую эффективность. Это означает, что будут использоваться дорогие жаропрочные сплавы, и к тому времени, когда двигатель заработает, как ожидалось, будет слишком дорого конкурировать с солнечными элементами.

Concentrating sunshine производит высокотемпературные двигатели, в которых должны использоваться дорогие высокотемпературные металлы, и, хотя в этой области было проведено много исследований, на сегодняшний день на рынке нет коммерческих продуктов.

Двигатели Стирлинга с ядерной установкой для дальнего космоса

Двигатели Стирлинга могут работать на любом виде тепла. Что касается двигателя, тепло от ядерного изотопа так же хорошо, как и любой другой вид тепла.

Это было хорошо исследовано в так называемых радиоизотопных генераторах Стирлинга для использования в исследованиях космоса.

Важно, когда спутники не приближаются к Солнцу

Легко представить, что солнечные элементы можно использовать повсюду в космосе, но это невозможно.

По мере того, как спутник улетает все дальше от орбиты Земли вокруг Солнца, солнечной плотности просто недостаточно для питания электроники спутника, и вам нужен другой метод производства энергии.

Стирлинга, использующие 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 они могли бы получить с помощью термоэлектрического устройства⁴.

Двигатели могут быть разработаны для работы в течение четырех лет без какого-либо обслуживания.

Sunpower of Athens Ohio, создает их для НАСА.

Пожалуйста, прокомментируйте ниже

Спасибо, что прочитали эту страницу.

Пожалуйста, оставьте свои вопросы, комментарии или предложения ниже.

Не забудьте заглянуть на другие наши страницы, посвященные двигателям Стирлинга «Сделай сам».

¹ Фото: Ökofen

²Фарли, Р. (2018). «Воздушно-независимые силовые подводные лодки: малозаметность, 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

³ Фото: Янис

⁴Шрайбер, Дж., И Вонг, В. (2007). Усовершенствованный радиоизотопный генератор Стирлинга для космических исследований и исследовательских миссий НАСА. Кливленд, Огайо: Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. Источник: https://web.archive.org/web/201209209/http://www.grc.nasa.gov/WWW/TECB/RPS_ASRG_%20Handout.pdf

⁵ Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства. (Апрель 2018 г.). Исследовательский центр Гленна НАСА. Получено с https://tec.grc.nasa.gov/rps/stirling-research-lab/advanced-stirling-convertor/