Двигун Стірлінга

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

Двигун Стірлінга (ДС)тепловий двигун, що працює за замкненим термодинамічним циклом циклом Стирлінга. У 1816 році Роберт Стірлінг запантентував цей тип двигуна.

Особливості[ред.ред. код]

Двигун, що працює за циклом Стірлінга, відрізняється від двигунів внутрішнього згоряння тим, що робоче тіло переміщується у пристрої за замкненим контуром. Тепло передається у систему, і відбирається із системи через стінки. Всередині системи згоряння немає, і як наслідок, відсутні стрибки тиску, які супроводжують процес згоряння.

Оскільки робоча речовина переміщується за замкненим контуром, то у системі повинні бути присутні дві робочі камери. Зазвичай, робочий об'єм у цих камерах змінюється за допомогою поршнів. Поршні зв'язані між собою механічними передачами.

Переваги двигуна Стірлінга[ред.ред. код]

Двигун при роботі створює менше шуму, ніж двигуни внутрішнього згоряння, оскільки відсутня детонація. Відсутність детонації також позначається на довговічності конструкції.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) для двигуна, що працює за циклом Стірлінга, як і для двигуна, що працює за циклом Карно, залежить лише від різниці температур нагрівача T_1 і холодильника T_2.

 \eta={T_1-T_2 \over T_2}

Недоліки двигунів Стірлінга[ред.ред. код]

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

ДС має високий коефіцієнт корисної дії при використанні у конструкції регенератора тепла. Це 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.

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]