Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских - конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии.
Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из двух цилиндров, соединенных двумя ветками трубопроводов - высокого и низкого давления (для наглядности роторы разнесены, хотя в действительности они находятся на одном валу).
Открыть в полном размере
‹
›
В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило - слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме "Филипс" построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).
Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.
В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.
Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.
И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.
Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно - сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра - с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.
Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но "с обратным знаком" происходит в ветви низкого давления.
Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F=∆p(Sб-S м), где ∆p - разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; Sб - рабочая площадь большого ротора; Sм - рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.
См. в номере на ту же тему
А. ДУБРОВСКИЙ - Классический четырехтактный…
В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически - это примерно одинаковые величины.
Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.
Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления.
При нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.
Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга. 1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). 2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. 3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. 4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.
Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена.
Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.
В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.
Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы большой мощности — до 150 кВт на одно зеркало. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию.
Солнечные коллекторы.Вы здесь: Домашняя страница > Инжиниринг > Двигатели Стирлинга
Реклама
Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.
Двигатели питают наш мир с момента Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что использует разницу между высокой температурой и низкой один — не изменился за пару сотен лет, хотя иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга, что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова. снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!
Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования Возобновляемая энергия. На этом фото вы можете увидеть массив зеркал концентрируя солнечное тепло на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество. Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).
Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для высвобождения тепловая энергия, которая используется для производства газ расширится и остынет, нажми на поршень, крутить руль и водить машину. Двигатели бывают двух основных типов: двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят топливо в одном месте и производить энергию в другой части та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигать топливо и производить мощность точно в одном месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Оба типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать. Чем больше разница температур (между газом при самое горячее и самое холодное), тем лучше работает двигатель. Теория того, как работа двигателя основана на науке термодинамики (буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются.
газ в серии шагов, называемых циклом.
Прежде чем мы узнаем, что же такого хорошего в Двигатели Стирлинга, это поможет, если мы узнаем, что так плохо Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает воды, пока она не закипит и не сделает пар. Пар идет по трубе в цилиндр через открытый впускной клапан, где он толкает поршень и водит колесо. Затем впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный ненужный пар через выйти и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).
Фото: Примеры паровых двигателей, таких как в этом локомотиве двигателей внешнего сгорания. Огонь, дающий энергию при сгорании (1), находится снаружи (вне) цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который приводит в движение колеса с кривошипом (5) и приводит в движение поезд (6).
Паровая и тепловая энергия постоянно выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ приведения в действие движущейся машины особенно неэффективным и неудобным. Но это было нормально в те дни, когда угля было много и никто особо не заботился о том, чтобы навредить планете.
Много проблем с паром двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел из-за чего пар работает под высоким давлением и существует риск что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется, получая тепло от один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, еще достаточно горячий, поэтому он содержит потраченную впустую энергию. В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные количества воды, а также топлива. (Вот почему паровозы имеют продолжать останавливаться у цистерн с водой на обочине пути. )
Рекламные ссылки
Можем ли мы разработать двигатель, преодолевающий эти проблемы? Предположим, мы избавились от котла (что решило бы опасность взрыва) и использовать тепло от огня для питания двигатель напрямую. Тогда вместо использования пара для перемещения тепловой энергии от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к огонь и использовать обычный воздух (или какой-либо другой простой газ) для перемещения тепла энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда позвонил двигатели горячего воздуха .) Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию от огня и выпуская его в цилиндр, решаем проблему двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми Двигатель Стирлинга совершенствует паровой двигатель. Вы будете иногда видеть Двигатели Стирлинга, описываемые как «замкнутый цикл с рекуперацией тепла». двигатели», что является очень кратким способом выразить то, что мы только что сказали: замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для возврата тепла и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они использовать теплообменники для сохранения части тепла, которое в противном случае теряться при каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровой машине).
Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же верно, как и великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности, но богаче, сложнее и потенциально очень запутанно, пока вы действительно не разберетесь с ними. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube. показать, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, который он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычной паровой машине.
В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала рассмотрев содержащиеся в нем детали, затем подумав, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.
Фото: Небольшой, компактный двигатель Стирлинга, подобный этому, может работать от крошечного разницы в тепле — даже когда человек отдыхает на чьих-то руках и убегает от содержащегося в них тепла. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.
Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как вытесняющий (или рабочий объем) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Вот основные части:
Источник тепла — это место, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь. огонь солнечному зеркалу, концентрирующему тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга называются двигателями внешнего сгорания, они не должны вообще использовать горение (фактическое сжигание топлива): они просто нужна разница температур между источником тепла (откуда поступает энергия) и радиатор (куда она попадает).
Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга теплом от чашки кофе, теплую чью-то ладонь или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, вырабатываемая двигателем, исходит от любой разницы температур между источником тепла и источником тепла. раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на что-то вроде чашки кофе, просто потому, что она содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.
Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.
Объем газа постоянно запечатан внутри машины в закрытом цилиндре. Это может быть обычный воздух, водород, гелий или другое легкодоступное вещество, остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия операций, через которые он проходит). Его единственное назначение - перемещение тепловой энергии от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, приводящий в движение машину, а затем снова вернуться к набери еще. Газ, перемещающий тепло, иногда называют рабочим телом.
Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.
Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей. В общей конструкции, называемой двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, там два одинаковых поршня и цилиндра и газовые челноки сзади и далее между ними, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторяется.
В другой конструкции, показанной здесь, называемой литражным (или бета-) двигателем Стирлинга, есть один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем). край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашен в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое маховик прикреплен к сборке импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся, но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) 90 109 впереди 90 110 рабочего поршня.
Теплообменник, также известный как регенератор, находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла. на котором держится регенератор. Когда газ движется назад, он снова забирает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно. в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга иметь несколько теплообменников.
Подобно паровому двигателю или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя ряд основных операций, известный как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга вытеснительного типа. На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит вот что. газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно. Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для привода машины, которую приводит в действие двигатель, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа зеленого поршня вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны цилиндра (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к приемнику и ее преобразование в полезную механическую работу.
Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому, с чего начал, это несимметричный процесс: энергия постоянно удаляется от источника и накапливается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ совершает определенное количество работы поршня при его расширении, но поршень совершает меньшую работу по сжатию охлажденного газа и возвращению его в исходное положение.
Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Зачем все эти отдельные ступени? Почему бы не сделать все это проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к). Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (с сохранением тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.
Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:
Реальный двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки этой статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом гораздо больше написано в статье Википедии о цикле Стирлинга.
Фото: Хотя инженеры пытались оснастить автомобили двигателями Стирлинга, эксперименты были не такими успешными. Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость. не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом фронте: будущие автомобили, скорее всего, будут оснащены электродвигателями или топливными элементами. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.
Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, которым требуется непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-либо горячее и что-то холодное. Они идеально подходят для солнечных электростанций, где солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и высокоэффективные комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ), которые должны производить стабильные поставки электроэнергии. Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга. используя их в качестве основы для компактного, домашнего электроснабжения генератор под названием Beacon 10, размером примерно с бытовую стиральную машину.
В обычном двигателе Стирлинга вы нагреваете до горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора). Как только электродвигатели можно использовать в качестве генераторов в обратном направлении, так что можно поставить энергию в двигатель Стирлинга и запустить его в обратном направлении, эффективно отвод тепла от радиатора и выброс его в источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криоохладитель». эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в сверхпроводимость и электронные исследования.
Фото: Чистый, экологичный, безопасный, эффективный и компактный — двигателей Стирлинга много преимущества. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).
Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в снабжении водой и не имеют сложную систему открывания и закрывания клапанов, двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише паровых двигателей, и потому что они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей, которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов разное топливо.
С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это требуется время, чтобы важнейший теплообменник прогрелся, а маховик разгоняются) и они не так хорошо работают в режиме стоп-старт (в отличие от двигателей внутреннего сгорания двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло. что делает их непригодными для некоторых приложений.
Иллюстрация: это иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года). напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших чугунные "воздушные сосуды" слева горячие внизу и холодные вверху (источник тепла и радиатор), и поршни вытеснителя перемещаются внутри них вперед и назад. Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик. Работа из книги «История и прогресс парового двигателя» Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.
Неудивительно, что Стирлинг двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и эффективнее паровых двигателей, разработанных около века назад Томасом Ньюкоменом (и позже улучшенным Джеймс Уотт и др.). Появление двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных двигателей) Двигатели Стирлинга отошли на второй план, хотя они были заново открыты Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они становятся популярными в солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии. энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология получил еще один импульс в 1980-е, когда Иво Колин из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новую, очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между источник тепла и поглотитель.
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.
Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.
Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.
Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.
Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:
Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]
@misc{woodford_stirling_engines, автор = "Вудфорд, Крис", title = "Двигатели Стирлинга", publisher = "Объясните это", год = "2012", url = "https://www. explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html", URL-адрес = "2021-05-28" }
↑ Вернуться к началу
Вы здесь: Домашняя страница > Инжиниринг > Двигатели Стирлинга
Реклама
Криса Вудфорда. Последнее обновление: 28 мая 2021 г.
Двигатели питают наш мир с момента Промышленная революция: сначала грязные паровые машины, работающие на угле, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах. Основная концепция двигателя — то, что использует разницу между высокой температурой и низкой один — не изменился за пару сотен лет, хотя иногда люди все же придумывают небольшие улучшения, которые сделать процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель вы возможно, много слышал о недавно двигатель Стирлинга, что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует один и тот же воздух или газ снова и снова. снова и снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной. В команде Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но на самом деле они с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!
Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования Возобновляемая энергия. На этом фото вы можете увидеть массив зеркал концентрируя солнечное тепло на двигателе Стирлинга, который вырабатывает электричество. Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).
Двигатели, приводящие в движение транспортные средства или заводские машины являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для высвобождения тепловая энергия, которая используется для производства газ расширится и остынет, нажми на поршень, крутить руль и водить машину. Двигатели бывают двух основных типов: двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят топливо в одном месте и производить энергию в другой части та же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные двигатели) сжигать топливо и производить мощность точно в одном месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах). Оба типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляющую газ расширяться, а затем остывать. Чем больше разница температур (между газом при самое горячее и самое холодное), тем лучше работает двигатель. Теория того, как работа двигателя основана на науке термодинамики (буквально «как движется тепло») и на теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются.
газ в серии шагов, называемых циклом.
Прежде чем мы узнаем, что же такого хорошего в Двигатели Стирлинга, это поможет, если мы узнаем, что так плохо Паровые двигатели. Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает воды, пока она не закипит и не сделает пар. Пар идет по трубе в цилиндр через открытый впускной клапан, где он толкает поршень и водит колесо. Затем впускной клапан закрывается, а выпускной клапан открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный ненужный пар через выйти и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).
Фото: Примеры паровых двигателей, таких как в этом локомотиве двигателей внешнего сгорания. Огонь, дающий энергию при сгорании (1), находится снаружи (вне) цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть котел (2), который превращает тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который приводит в движение колеса с кривошипом (5) и приводит в движение поезд (6). Паровая и тепловая энергия постоянно выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ приведения в действие движущейся машины особенно неэффективным и неудобным. Но это было нормально в те дни, когда угля было много и никто особо не заботился о том, чтобы навредить планете.
Много проблем с паром двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел из-за чего пар работает под высоким давлением и существует риск что он может взорваться (взрывы котлов были серьезной проблемой с очень ранними паровыми двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то расстоянии от цилиндра, поэтому энергия теряется, получая тепло от один к другому. В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, еще достаточно горячий, поэтому он содержит потраченную впустую энергию. В-четвертых, поскольку пар выбрасывается из цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные количества воды, а также топлива. (Вот почему паровозы имеют продолжать останавливаться у цистерн с водой на обочине пути. )
Рекламные ссылки
Можем ли мы разработать двигатель, преодолевающий эти проблемы? Предположим, мы избавились от котла (что решило бы опасность взрыва) и использовать тепло от огня для питания двигатель напрямую. Тогда вместо использования пара для перемещения тепловой энергии от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к огонь и использовать обычный воздух (или какой-либо другой простой газ) для перемещения тепла энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда позвонил двигатели горячего воздуха .) Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то один и тот же воздух движется вперед и назад снова и снова, собирая энергию от огня и выпуская его в цилиндр, решаем проблему двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды. Наконец, почему бы и нет добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми Двигатель Стирлинга совершенствует паровой двигатель. Вы будете иногда видеть Двигатели Стирлинга, описываемые как «замкнутый цикл с рекуперацией тепла». двигатели», что является очень кратким способом выразить то, что мы только что сказали: замкнутый цикл означает, что они используют герметичный объем газа для возврата тепла и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они использовать теплообменники для сохранения части тепла, которое в противном случае теряться при каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровой машине).
Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же верно, как и великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности, но богаче, сложнее и потенциально очень запутанно, пока вы действительно не разберетесь с ними. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube. показать, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом. На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за его работой снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, который он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычной паровой машине.
В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы правильно объяснить двигатель Стирлинга, сначала рассмотрев содержащиеся в нем детали, затем подумав, что они делают, и, наконец, взглянув на более сложную (термодинамическую) теорию.
Фото: Небольшой, компактный двигатель Стирлинга, подобный этому, может работать от крошечного разницы в тепле — даже когда человек отдыхает на чьих-то руках и убегает от содержащегося в них тепла. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.
Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как вытесняющий (или рабочий объем) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга). Вот основные части:
Источник тепла — это место, откуда двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь. огонь солнечному зеркалу, концентрирующему тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга называются двигателями внешнего сгорания, они не должны вообще использовать горение (фактическое сжигание топлива): они просто нужна разница температур между источником тепла (откуда поступает энергия) и радиатор (куда она попадает).
Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга теплом от чашки кофе, теплую чью-то ладонь или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, вырабатываемая двигателем, исходит от любой разницы температур между источником тепла и источником тепла. раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, работающим на что-то вроде чашки кофе, просто потому, что она содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.
Работа: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.
Объем газа постоянно запечатан внутри машины в закрытом цилиндре. Это может быть обычный воздух, водород, гелий или другое легкодоступное вещество, остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия операций, через которые он проходит). Его единственное назначение - перемещение тепловой энергии от источника тепла к радиатору, приводя в действие поршень, приводящий в движение машину, а затем снова вернуться к набери еще. Газ, перемещающий тепло, иногда называют рабочим телом.
Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который выбрасывает отработанное тепло в атмосферу.
Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один из более очевидных вещей, которые отличают их от других двигателей. В общей конструкции, называемой двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, там два одинаковых поршня и цилиндра и газовые челноки сзади и далее между ними, нагреваясь и расширяясь, затем охлаждаясь и сжимаясь, прежде чем цикл повторяется.
В другой конструкции, показанной здесь, называемой литражным (или бета-) двигателем Стирлинга, есть один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (окрашен зеленым), задачей которого является перемещение газа между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня в паровой машине, вытеснитель подходит очень свободно (с небольшим свободным пространством между поршнем). край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад. Также имеется рабочий поршень (окрашен в темно-синий цвет), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, приводящую в движение независимо от того, работает ли двигатель. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелое маховик прикреплен к сборке импульс и обеспечить бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень вытеснителя постоянно движутся, но они не в ногу (одна четверть цикла или 90° не в фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень вытеснителя всегда находится на одну четверть цикла (90°) 90 109 впереди 90 110 рабочего поршня.
Теплообменник, также известный как регенератор, находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла. на котором держится регенератор. Когда газ движется назад, он снова забирает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно. в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга иметь несколько теплообменников.
Подобно паровому двигателю или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя ряд основных операций, известный как его цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга вытеснительного типа. На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит вот что. газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно. Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для привода машины, которую приводит в действие двигатель, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повториться. Работа зеленого поршня вытеснителя заключается в перемещении газа с горячей стороны цилиндра (слева) на холодную сторону (справа) и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к приемнику и ее преобразование в полезную механическую работу.
Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому, с чего начал, это несимметричный процесс: энергия постоянно удаляется от источника и накапливается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ совершает определенное количество работы поршня при его расширении, но поршень совершает меньшую работу по сжатию охлажденного газа и возвращению его в исходное положение.
Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, когда простой паровой двигатель может обойтись только одним? Зачем все эти отдельные ступени? Почему бы не сделать все это проще?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам нужно понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с газовыми законами (основными законами классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к). Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (с сохранением тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.
Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:
Реальный двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки этой статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом гораздо больше написано в статье Википедии о цикле Стирлинга.
Фото: Хотя инженеры пытались оснастить автомобили двигателями Стирлинга, эксперименты были не такими успешными. Двигателю Стирлинга требуется время, чтобы набрать скорость. не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для питания автомобиля чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом фронте: будущие автомобили, скорее всего, будут оснащены электродвигателями или топливными элементами. Фото предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.
Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, которым требуется непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-либо горячее и что-то холодное. Они идеально подходят для солнечных электростанций, где солнечное тепло играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и высокоэффективные комбинированные теплоэлектростанции (ТЭЦ), которые должны производить стабильные поставки электроэнергии. Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга. используя их в качестве основы для компактного, домашнего электроснабжения генератор под названием Beacon 10, размером примерно с бытовую стиральную машину.
В обычном двигателе Стирлинга вы нагреваете до горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора). Как только электродвигатели можно использовать в качестве генераторов в обратном направлении, так что можно поставить энергию в двигатель Стирлинга и запустить его в обратном направлении, эффективно отвод тепла от радиатора и выброс его в источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криоохладитель». эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в сверхпроводимость и электронные исследования.
Фото: Чистый, экологичный, безопасный, эффективный и компактный — двигателей Стирлинга много преимущества. Фото Уоррена Гретца предоставлено Министерством энергетики США/NREL (Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).
Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в снабжении водой и не имеют сложную систему открывания и закрывания клапанов, двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише паровых двигателей, и потому что они не обязательно включают сжигание топлива, могут быть намного чище. В отличие от паровых двигателей, которые обычно сжигают уголь для кипячения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов разное топливо.
С другой стороны, двигатели Стирлинга не запускаются мгновенно (это требуется время, чтобы важнейший теплообменник прогрелся, а маховик разгоняются) и они не так хорошо работают в режиме стоп-старт (в отличие от двигателей внутреннего сгорания двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло. что делает их непригодными для некоторых приложений.
Иллюстрация: это иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года). напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложный. Два больших чугунные "воздушные сосуды" слева горячие внизу и холодные вверху (источник тепла и радиатор), и поршни вытеснителя перемещаются внутри них вперед и назад. Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик. Работа из книги «История и прогресс парового двигателя» Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.
Неудивительно, что Стирлинг двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и эффективнее паровых двигателей, разработанных около века назад Томасом Ньюкоменом (и позже улучшенным Джеймс Уотт и др.). Появление двигателей внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных двигателей) Двигатели Стирлинга отошли на второй план, хотя они были заново открыты Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они становятся популярными в солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии. энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология получил еще один импульс в 1980-е, когда Иво Колин из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новую, очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между источник тепла и поглотитель.
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.
Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.
Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.
Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.
Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:
Вудфорд, Крис. (2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]
@misc{woodford_stirling_engines, автор = "Вудфорд, Крис", title = "Двигатели Стирлинга", publisher = "Объясните это", год = "2012", url = "https://www.
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
 |
