Двигун Стірлінга

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Електрогенератор з двигуном Стірлінга. Робочою речовиною служить водень.

Двигун Стірлінга (ДС)тепловий двигун із зовнішнім підводом тепла. Він працює за замкненим термодинамічним циклом циклом Стирлінга. Незмінна кількість робочої речовини циркулює між двома камерами із різними температурами, де по черзі нагрівається та охолоджується. За рахунок цього робоча речовина міняє свій об'єм і рухає робочі поршні. Роберт Стірлінг запантентував цей тип двигуна у 1816 році.

Власне, двигуни із зовнішнім підводом тепла винахідники пропонували і раніше. Та двигун Стірлінга має суттєву відмінність -- це так званий "єконом", або рекуператор. Рекуператор відбирає тепло, коли робоче тіло переміщується з камери нагрівача до охолоджувача, і підігріває робоче тіло, коли воно рухається в зворотній бік.

Особливості[ред.ред. код]

Двигун, що працює за циклом Стірлінга, відрізняється від двигунів внутрішнього згоряння тим, що в пристрої присутня незмінна кількість робочого тіла. Перші стірлінги використовували в якості робочого тіла повітря, яке через нещільності витікало назовні. Саме тому перші стірлінги мали низький тиск робочого тіла. Сучасні стірлінги зазвичай виконуються герметичними, а в якості робочого тіла використовують водень, гелій, азот під високим (вище 100 атм) тиском.

Тепло передається у систему, і відбирається із системи через стінки. Всередині системи згоряння немає, і як наслідок, відсутні стрибки тиску, які супроводжують процес згоряння.

У двигуні є дві робочі зони (це можуть бути дві окремі камери). Зазвичай, робочий об'єм у цих зонах (камерах) змінюється за допомогою поршнів. Поршні можуть бути зв'язані між собою: механічною передачею, пневматичним, гідравлічним, електричним пристроєм.

Важливим компонентом стірлінга є рекуператор. Завдяки рекуператору теоретичний ККД стірлінга вважається еквівалентним циклу Карно.

Класифікація двигунів Стірлінга[ред.ред. код]

Серед інженерів склалася класифікація, згідно якої ДС поділяються на такі конфігурації:

Альфа-стірлінг
Бета-стірлінг з ромбічним механізмом та рекуператором
Гама-стірлінг без рекуператора

- Альфа-конфігурація. Зона нагрівання і зона охолодження робочого тіла мають кожна свій циліндр і поршень. Гарячий і холодний циліндри з'єднані трубою, в якій розміщений рекуператор.

- Бета-конфігурація. Зона нагрівання і зона охолодження робочого тіла розміщені по різні кінці одного циліндра. Зазвичай, з холодного кінця розміщений робочий поршень. Об'єм холодного та гарячого газу міняється за рахунок переміщення між холодною та гарячою зонами поршня-витискувача.

- Гама-конфігурація. Східна з бета-конфігурацією, але робочий поршень винесено у окремий циліндр.


Переваги двигуна Стірлінга[ред.ред. код]

Двигун при роботі створює значно менше шуму, ніж двигуни внутрішнього згоряння, оскільки відсутній викид робочого тіла назовні. Для бета-стірлінга можлива ідеальна врівноваженість механізма. В такому випадку у двигуна практично відсутня і вібрація.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) для двигуна, що працює за циклом Стірлінга, в ідеалі (в приблизних теоретичних розрахунках) дорівнює циклу Карно і залежить лише від різниці температур нагрівача T_1 і охолоджувача T_2.

 \eta={T_1-T_2 \over T_2}

Насправді ККД стірлінга приблизно в 2 рази гірше, ніж для циклу Карно.

Двигун Стірлінга працює від будь-якого перепаду температури і джерела тепла. Він може живитись від сонячного тепла, атомного реактора, розплаву металу, солей, або розігрітих земних надр. В останньому випадку він не потребує кисню і не є шкідливим для екології.

Конструктивно стірлінг значно простіше ДВС. В ньому може бути відсутня система запалювання, подачі палива, або вона може бути значно простіша, якщо двигун використовує рідке чи газове паливо. Двигун може бути зроблений так, щоб сам запускався, без допомоги стартера і акумулятора.

Ресурс стірлінга може складати десятки та сотні тисяч годин без обслуговування.

Ідея стірлінга дозволяє складати найрізноманітніші конструкції двигуна для самих різних призначень, що дає вихід творчості умільців. В якості частин двигуна використовуються банки з під пива, скляні консервні банки, м'ячі, автомобільні шини, пінопласт тощо.

Недоліки двигунів Стірлінга[ред.ред. код]

Двигун Стірлінга з ромбоєдричним механізмом єднання поршнів (розробка фірми Philips).

- ДС має велику матеріалоємкість у порівнянні з ДВЗ. Це спричинено самим принципом роботи, згідно якому робоче тіло гріється і охолоджується зовнішніми джерелами, скрізь стінки робочих циліндрів. Оскільки усередині двигуна знаходиться газ під великим тиском, до стінок циліндрів висуваються дуже жорсткі вимоги: вони повинні тримати цей тиск та добре передавати тепло.

- В порівнянні з тим же ДВЗ ДС важче також через те, що має охолодження робочого тіла. ДВЗ просто викидає відпрацьований газ назовні, а набирає холодне свіже повітря.

- ДС має високий коефіцієнт корисної дії при використанні у конструкції регенератора тепла. Це також збільшує вагу і ціну конструкції.

- Оскільки у системі присутні дві робочі камери, об'єми яких змінюються поршнями, то для ефективної роботи необхідна складна система, що зв'язує поршні.

- ДС дуже повільно реагує на зміну кількості тепла, що поступає від джерела нагріву. Тому для використання ДС у транспорті доводиться долучати досить специфічні засоби керування потужністю, які теж додають ваги пристрою. Це: зміна об'єму робочого тіла у двигуні або ж зміна фазового кута між рухом поршнів. Але зміна фазового кута дозволяє миттєво реагувати на керування, а також дозволяє миттєво перетворити двигун на тепловий насос і накопичувати енергію гальмування у вигляді тепла.

Застосування двигунів Стірлінга[ред.ред. код]

Високий коефіцієнт корисної дії привертає увагу інженерів до цього типу двигунів. Принцип дії не залежить від джерела тепла — це може бути атомний реактор, або горнятко кави [1].

Цікавим є застосування ДС для перетворення сонячного тепла [2].

Застосування ДС як електрогенератора для військового підводного човна, дозволило конкурувати із атомними субмаринами за тривалістю автономного плавання [3].

Посилання[ред.ред. код]

Приклад двигуна Стірлінга, збудованого з бляшанок [4]

Тут можна знайти інформацію про різні конструкції ДС [5]


Цикл Стірлінга[ред.ред. код]

Ключовим принципом двигуна Стірлінга є те, що незмінна кількість газу є закритою усередині двигуна. Цикл Стірлінга містить у собі послідовність дій, що змінюють тиск газу усередині двигуна і приводять його у роботу.

Є кілька якостей газів, які важливі для роботи двигунів Стірлінга:

  • При наявності незмінної кількості газу у незмінному об'ємі і збільшенні температури, його тиск буде збільшуватись.
  • При збереженні незмінної кількості газу і зменшенні об'єму, у якому він знаходиться, температура газу буде зростати.

Розглянемо докладніше кожну із частин циклу Стірлінга на прикладі спрощеного двигуна Стірлінга, що використовує два циліндри. Один циліндр нагрівається зовнішнім джерелом тепла (наприклад, на вогні), а другий охолоджується (наприклад за допомогою льоду). Циліндри заповнені газом і з'єднані між собою, а їх поршні механічно пов'язані за допомогою пристрою, що забезпечує певний порядок їхнього руху.

У циклі Стірлінга є чотири фази. Два поршні на вищенаведеній схемі працюють у всіх частинах такого циклу:

  1. Тепло, нагріваючи газ всередині циліндра (ліворуч), викликає збільшення його тиску, що змушує поршень рухатися донизу. У цій частині циклу двигун Стірлінга виконує роботу.
  2. Лівий поршень рухається догори, а правий рухається донизу. При цьому газ перетікає в охолоджуваний (правий) циліндр і охолодження призводить до падіння тиску, завдяки чому буде легше стиснути газ у наступній частині циклу.
  3. Поршень правого (охолоджуваного) циліндра починає стискати газ. При стискуванні виділяється тепло, що відводиться через стінки охолоджуваного циліндру.
  4. Правий поршень рухається догори, а лівий рухається донизу. Це призводить до переміщення газу у циліндр, що нагрівається. У ньому газ розігрівається, тиск збільшується і цикл повторюється.

Двигун Стірлінга виконує роботу під час першої частини циклу. Існують два основних шляхи збільшення потужності циклу Стірлінга:

  • Збільшити тиск в цій фазі циклу. Це збільшить виконувану двигуном роботу. Один зі шляхів збільшення тиску є збільшення температури газу. Далі у цій статті на прикладі двухпоршневої машини Стірлінга ми побачимо, як пристрій, який називаний регенератором (regenerator), може підвищити потужність двигуна шляхом тимчасового збереження тепла.
  • Зменшити витрати на третьому кроці. У цій частині циклу поршні виконують роботу із газом, використовуючи частину енергії, що була одержана у першій фазі циклу. Зменшення тиску на цьому етапі може зменшити кількість затрачуваної енергії, тобто загальна віддача двигуна зросте. Одним зі шляхів зменшення тиску є охолодження газу до більш низьих температур.

Це ідеальний цикл Стірлінга. У реальних машинах використовуються варіації цього циклу, що зв'язано із фізичними обмеженнями в їхніх конструкціях. У наступних двох частинах статті будуть розглянуті два різних типи конструкцій двигунів Стірлінга.



Двигун Стірлінга – це поршневий двигун із зовнішнім підведенням тепла, у якому робоче тіло перебуває у замкненому контурі і під час роботи двигуна не змінюється.

Ідеальний термодинамічний цикл Стірлінга має термічний ККД, що дорівнює ККД теоретичного циклу Карно. Але, фактично забезпечити високий ККД двигуна Стірлінга, можливо тільки за наявності ефективного регенератора. Питома потужність двигуна Стірлінга (потужність на одиницю робочого об’єму) відповідає потужності дизеля.

Зрештою, зупинимось на будові і принципі роботи двигуна Стірлінга. Однією з можливих його конструкцій є розташування його циліндрів під кутом 90°.

У кожному циліндрі переміщується поршень: у гарячому – як робочий, а в холодному - як витискач. Поршні поєднано із кривошипом колінчастого валу шатунами. Гаряча порожнина сполучається з холодною через регенератор і охолоджувач. Регенератор є тепловим акумулятором, що призначений для запобігання втратам теплоти. Він одержує теплоту робочого тіла при перетіканні із гарячої порожнини до холодної і віддає її при зворотному перетіканні робочого тіла. Матеріал регенератора повинен мати високу теплоємність та низьку теплопровідність для уникання передачі теплоти до охолоджувача. Охолоджувач одержує основну частину теплоти, яка відводиться від двигуна, що зумовлено замкненим циклом двигуна Стірлінга. Порівняно із дизелем, у системі охолодження двигуна Стірлінга відводиться вдвічі більше теплоти і тому, продуктивність системи охолодження має бути вдвічі вищою.

Під час руху поршня до верхньої мертвої точки, відбувається стискання повітря у всіх порожнинах двигуна. Робоче тіло через регенератор відбирає накопичену теплоту і перетікає до гарячої порожнини. Теплота до робочого тіла в гарячій порожнині підводиться ззовні через стінки циліндра від продуктів згоряння, що утворюються у камері згоряння. Нагрівання робочого тіла в гарячій порожнині зумовлює підвищення його тиску в усіх сполучених між собою порожнинах двигуна. Під дією цього тиску робочий поршень переміщується до нижньої мертвої точки, здійснюючи робочий хід, а робоче тіло проходить через регенератор, віддає йому частину теплоти, охолоджується в охолоджувачі і потрапляє до холодної порожнини. Завдяки зниженню температури зменшується тиск. Далі цей цикл повторюється. Регулювання потужності може здійснюватись у різні способи. Наприклад, зміною додаткового об'єму, для чого до двигуна додають додатковий поршень із ґвинтовою передачею.

Двигуни Стрілінга мають вагомі переваги порівняно з двигунами внутрішнього згоряння, а саме:

  • 1. незначна витрата мастильних матеріалів;
  • 2. дуже низькі викиди основних шкідливих речовин, які на порядок нижчі за ДВЗ, завдяки сталому згоранню палива у сприятливих умовах;
  • 3. незначний рівень шуму двигуна Стіргінга, що пояснюється відсутністю механізму газорозподілу, а також плавним безперервним процесом згоряння, на відміну від вибухоподібного згоряння в циліндрах ДВЗ;
  • 4. невеликий обсяг технічного обслуговування;
  • 5. абсолютна некритичність до виду палива.

Джерела[ред.ред. код]