Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: топливо горит снаружи

Двигатель Стирлинга — что представляет собой конструкция такой системы? Какие существуют двигатели Стирлинга, как работают и насколько являются эффективными

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована тепловая машина, названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Источник: http://fb.ru/article/222893/dvigatel-stirlinga-printsip-rabotyi-nizkotemperaturnyiy-dvigatel-stirlinga-foto

Цикл Стирлинга

Ключевой принцип двигателя Стирлинга состоит в том, что фиксированное количество газа герметизируется внутри двигателя. Цикл Стирлинга включает в себя ряд событий, которые изменяют давление газа внутри двигателя, заставляя его работать. Существует несколько свойств газов, которые имеют решающее значение для работы двигателей Стирлинга: • Если у вас есть фиксированное количество газа в фиксированном объеме пространства, и вы повышаете температуру этого газа, давление будет увеличиваться. • Если у вас есть фиксированное количество газа, и вы сжимаете его (уменьшаете объем его пространства), температура этого газа будет увеличиваться.

Давайте пройдемся по каждой части цикла Стирлинга, рассматривая упрощенный двигатель Стирлинга. Наш упрощенный двигатель использует два цилиндра. Один цилиндр нагревается от внешнего источника тепла (например, огня ), а другой — от внешнего источника охлаждения (например, льда). Газовые камеры двух цилиндров соединены, а поршни механически связаны друг с другом с помощью коленчатого вала, который определяет, как они будут двигаться относительно друг друга. В цикле Стирлинга четыре части. Два поршня в приведенной выше анимации выполняют все части цикла: 1. Тепло передается газу внутри нагретого цилиндра (слева), вызывая повышение давления. Это заставляет поршень двигаться вниз. Это та часть цикла Стирлинга, которая выполняет эту работу. 2. Левый поршень движется вверх, а правый — вниз. Это выталкивает горячий газ в охлаждаемый цилиндр, который быстро охлаждает газ до температуры источника охлаждения, понижая его давление. Это облегчает сжатие газа в следующей части цикла. 3. Поршень в охлаждаемом цилиндре (справа) начинает сжимать газ. Тепло, генерируемое этим сжатием, отводится источником охлаждения. 4. Правый поршень движется вверх, а левый — вниз. Это заставляет газ поступать в нагретый цилиндр, где он быстро нагревается, создавая давление, после чего цикл повторяется. Двигатель Стирлинга делает полезную работу в течение первой части цикла. Существует два основных способа увеличить выходную мощность цикла Стирлинга: • Увеличьте выходную мощность на первом этапе. В первой части цикла давление нагретого газа, толкающего поршень, выполняет работу. Увеличение давления во время этой части цикла приведет к увеличению мощности двигателя. Одним из способов повышения давления является повышение температуры газа. Когда мы посмотрим на двухпоршневой двигатель Стирлинга позже в этой статье, мы увидим, как устройство под названием регенератор может улучшить выходную мощность двигателя путем временного накопления тепла. • Уменьшите потребление энергии на третьем этапе. В третьей части цикла поршни выполняют работу, используя часть энергии, произведенной в первой части. Понижение давления во время этой части цикла может уменьшить мощность, используемую во время этой стадии цикла (эффективно увеличивая выходную мощность двигателя). Одним из способов снижения давления является охлаждение газа до более низкой температуры. В этом разделе описан идеальный цикл Стирлинга. Фактически работающие двигатели слегка меняют цикл из-за физических ограничений их конструкции. В следующих двух разделах мы рассмотрим несколько различных типов двигателей Стирлинга. Двигатель типа вытеснителя, вероятно, легче всего понять, поэтому мы начнем с него.

Двигатель Стирлинга дискового типа

Вместо двух поршней двигатель типа вытеснителя имеет один поршень и вытеснитель. Вытеснитель служит для управления, когда газовая камера нагревается и при охлаждении. Этот тип двигателя Стирлинга иногда используется на демонстрациях в классе. Вы даже можете купить комплект для сборки самостоятельно!

Для работы двигателя выше необходим перепад температур между верхом и низом большого цилиндра. В этом случае разницы между температурой вашей руки и воздухом вокруг нее достаточно для запуска двигателя. На рисунке выше вы можете увидеть два поршня: 1. Силовой поршень — это меньший поршень в верхней части двигателя. Это плотно закрытый поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри цилиндра. 2. Вытеснитель — это большой поршень. Этот поршень очень свободно сидит в своем цилиндре, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретой и охлаждаемой частями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз. • Когда вытеснитель находится вблизи верхней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя нагревается источником тепла и расширяется. Внутри двигателя создается давление, заставляющее силовой поршень подниматься вверх. • Когда вытеснитель находится у основания большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя охлаждается и сжимается. Это приводит к падению давления, облегчая движение силового поршня и сжатие газа. Двигатель многократно нагревает и охлаждает газ, извлекая энергию из расширения и сжатия газа. Далее мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга.

Двухпоршневой двигатель Стирлинга

В этом двигателе нагретый цилиндр нагревается от внешнего пламени. Охлаждаемый цилиндр охлаждается воздухом и имеет ребра для облегчения процесса охлаждения. Шток, идущий от каждого поршня, соединен с небольшим диском, который, в свою очередь, соединен с маховиком большего размера. Это обеспечивает движение поршней, когда двигатель не генерирует мощность.

1. В первой части цикла давление возрастает, заставляя поршень двигаться влево, выполняя работу. Охлажденный поршень остается приблизительно неподвижным, потому что он находится в точке своего вращения, где он меняет направление. 2. На следующем этапе оба поршня двигаются. Нагретый поршень перемещается вправо, а охлажденный поршень движется вверх. Это перемещает большую часть газа через регенератор и в охлаждаемый поршень. Регенератор — это устройство, которое может временно накапливать тепло — это может быть сетка из проволоки, через которую проходят нагретые газы. Большая площадь поверхности проволочной сетки быстро поглощает большую часть тепла. Это оставляет меньше тепла для удаления охлаждающих ребер. 3. Далее поршень в охлаждаемом цилиндре начинает сжимать газ. Тепло, генерируемое этим сжатием, отводится охлаждающими ребрами. 4. В последней фазе цикла оба поршня двигаются — охлажденный поршень движется вниз, а нагретый поршень движется влево. Это проталкивает газ через регенератор (где он улавливает тепло, которое хранилось там во время предыдущего цикла) и в нагретый цилиндр. В этот момент цикл начинается снова. Почему нет массового применения двигателей Стирлинга? В следующем разделе мы рассмотрим некоторые причины этого.

Почему двигатели Стирлинга не применяются в автомобилях?

Есть несколько ключевых характеристик, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования в легковых и грузовых автомобилях. Поскольку источник тепла является внешним, двигателю требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подаваемого на цилиндр — требуется время, чтобы тепло проходило через стенки цилиндра и нагревало газ внутри двигатель Oil Union. Это означает, что: • Двигателю требуется некоторое время для прогрева, прежде чем он сможет вырабатывать полезную работу. • Двигатель не может быстро изменить свою выходную мощность. Эти недостатки почти гарантируют, что он не заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее, гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга может быть целесообразным.

Двигатель Стирлинга с электрогенератором

Источник: http://24techno-guide.ru/princip-raboti-dvigatelya-stirlinga.php

Двигатель Стирлинга альтернативный источник электричества и тепла

Генерация электроэнергии почти всегда связана с появлением побочного продукта – тепла. Даже фотоэлементы нагреваются, что снижает их КПД. Однако есть целый кластер устройств, в которых тепло не рассеивается, а может быть использовано для бытовых нужд. Сердце таких генераторов – двигатель Стирлинга.

Источник: http://zen.yandex.ru/media/alter220/sovremennyi-dvigatel-stirlinga-5ea70424007c871a15903471

Плюсы двигателя Стирлинга

Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.

Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.

Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.

Конструкция двигателя Бета

Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.

Источник: http://autostuk.ru/samyj-moshhnyj-dvigatel-stirlinga.html

Минусы двигателя Стирлинга

Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.

Источник: http://autostuk.ru/samyj-moshhnyj-dvigatel-stirlinga.html

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Источник: http://fb.ru/article/222893/dvigatel-stirlinga-printsip-rabotyi-nizkotemperaturnyiy-dvigatel-stirlinga-foto

Коэффициент полезного действия

КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом.

На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.

Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.

Источник: http://autostuk.ru/samyj-moshhnyj-dvigatel-stirlinga.html

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Источник: http://motoran.ru/dvigatel/dvigatel-stirlinga

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Источник: http://fb.ru/article/222893/dvigatel-stirlinga-printsip-rabotyi-nizkotemperaturnyiy-dvigatel-stirlinga-foto

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

• КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов.
• В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации.
• В Стирлингах нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны.
• В них не бывает того эффекта, когда говорят, что «двигатель заглох».
• Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени.
• Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива.
• Сгорание происходит вне мотора.

Источник: http://fb.ru/article/222893/dvigatel-stirlinga-printsip-rabotyi-nizkotemperaturnyiy-dvigatel-stirlinga-foto

Примеры успешного применения двигателей Стирлинга

Во второй половине 20 века несколько компаний начали разрабатывать моторы Стирлинга и устанавливать их на легковые автомобили. Успешные модели оказались у таких компаний, как Ford Motor Company, Volkswagen Group, UNITED STIRLING (Швеция), General Motors, модель Стирлинга «Philips 4-125DA» (Нидерланды).

Источник: http://autostuk.ru/samyj-moshhnyj-dvigatel-stirlinga.html

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Явным преимуществом двигателя Стирлинга видится более выраженная эффективность по отношению к тем же паровым системам. Исключается необходимость котлов – опасных технологически конструкций, нет нужды запасать воду и создавать сложные системы открывания / закрывания клапанов.

Следует отметить: благодаря отсутствию сложных клапанных систем, двигатели Стирлинга работают тише паровых конструкций. Учитывая возможное применение энергии, получаемой не от источников сжигания топлива, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всевозможных видах топлива.

Среди потенциальных недостатков можно отметить относительно медленный запуск. Обычно требуется время для прогрева теплообменника и маховика, чтобы разогнать систему до рабочей скорости.

Также достаточно сложно проходят процессы остановки. Конструкции требуют радиаторов больших габаритов для эффективного отвода тепла, чем несколько ограничивается применение в отдельных случаях.

Источник: http://zetsila.ru/двигатель-стирлинга-конструкция/

Видео

Фильм «Роберт Стирлинг и его двигатель».

Как работает двух цилиндровый вакуумный двигатель.

Источник: http://autostuk.ru/samyj-moshhnyj-dvigatel-stirlinga.html

Ссылки

• Двигатель Стирлинга (простейший вариант) — видео (рус.)
• Двигатель Стирлинга — своими руками (рус.)
• Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Сокращённый перевод с английского Б. В. СУТУГИНА и Н. В. СУТУГИНА (рус.)
• Значительная часть сайта посвящена моему личному увлечению, двигателям Стирлинга, а именно, изготовлению рабочих моделей этого замечательного устройства (рус.)
• ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА И МНОГОЕ ДРУГОЕ (рус.)
• Двигатель Стирлинга В книге: В. М. Бродянский. От твердой воды до жидкого гелия (история холода). — М.: Энергоатомиздат, 1995.

Как только страница обновилась в Википедии она обновляется в Вики 2.
Обычно почти сразу, изредка в течении часа.

Источник: http://wiki2.org/ru/Двигатель_Стирлинга

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

• Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

• Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

• Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

• Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

• Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

• Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

• Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

• Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Источник: http://motoran.ru/dvigatel/dvigatel-stirlinga