Двигатель стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Двигатель стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Двигатель стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы
СОДЕРЖАНИЕ
0
401 просмотров
04 января 2021

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.

Достоинства двигателя Стирлинга по схеме двойная гамма.

Основное достоинство двойной гаммы заключается в меньшей суммарной потери мощности на трении. Т.е. рабочий поршень тратит энергию на преодоление силы трения только в половине такта, работая на первый вытеснительный цилиндр, а во второй половине такта тратит энергию, работая на второй вытеснительный цилиндр. В обычной же гамме (см. Альфа и Гамма типы двигателя Стирлинга — само НЕсовершенство), рабочий цилиндр работает только половину такта, а вторую половину происходит холостой ход и поэтому затраты в два раза больше.

Второе небольшое достоинство — лучшая сбалансированность конструкции сдвоенной гаммы

Два вытеснителя всегда движутся в противофазе на 180° и это позволяет заострить внимание только на балансировке рабочего поршня

Уменьшение материалоёмкости и сложности. По сути на два вытеснителя в обычной компоновке нам бы пришлось использовать два рабочих поршня. Т.е. в 2 раза больше затраты на производство и занимаемый объём. Также вы можете воспользоваться стирлинг-калькулятором для оценки мощности двигателя.

Достоинства двойной гаммы можно использовать не только для двигателей внешнего подвода тепла, но и в холодильниках и тепловых насосах.

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

Преимущества ДВС 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

конструкция стирлинга

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

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.

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.

https://youtube.com/watch?v=64mTLfTRaB4

Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора

У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки —  то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.

Пожалуйста, смотрите на мои новые видео YouTube, как прогрессирует развитие. Я искренне благодарю всех вас за проявленный интерес!

Дэйв Кирк

Кирк Двигатели, Inc.

Далее некоторые данные из самого видео.

Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.

Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов

Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов

Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.

Корпус регенератора

Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного  процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений

Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом

Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой

Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.

Компрессионный насос двигателя стирлинга

«Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.

Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга

Cпасибо

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.

Классификация двигателей Стирлинга[править]

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью – увеличение по клику.

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.
Бета-Стирлинг — цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.
Гамма-Стирлинг — есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Преимущества.

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.
• «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
• Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
• Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
• Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.
• Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
• Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Конфигурация и конструкция двигателя Стирлинга:

Существует несколько конфигураций двигателя Стирлинга:

– альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, с холодным — в более холодном.

Рис. 3. α-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

У данного вида двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические трудности. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной,

– бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости.

Рис. 4. β-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем,

– гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и вытеснитель, но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется вытеснитель).

Рис. 5. γ-Стирлинг

@ https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга

Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Наглядный пример практической реализации – двигатель Стирлинга на шестнадцать цилиндров. Оригинальная современная конструкция технологичного устройства

Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

  • давление,
  • объём,
  • температура газа.

Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

  1. Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
  2. Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
  3. Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
  4. Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

Принцип работы двойной гаммы.

При рассмотрении вопроса о том как работает двойная гамма нужно понимать, что оба вытеснителя (дисплейсера) всегда жёстко работают в противофазе. Рабочий поршень работает с разницей от вытеснителей на 90°. Т.е. относительно одного на +90°, а относительно другого на -90°.

  1. Вытеснитель 1 находится в своей верхней мёртвой точке (ВМТ). Всё рабочее тело (рабочий газ) расположено в нижней части цилиндра 1 (т.е. в холодильнике), поэтому газ сжат и имеет минимальный объём. Давления на рабочий поршень сверху отсутствует и «втягивает» рабочий поршень вверх. В этот же момент в цилиндре 2 вытеснитель 2 находится в НМТ. Рабочий газ при этом находится в горячей области цилиндра (вверху) и имеет максимальную температуру и соответственно максимальное давление. При этом давление в рабочем цилиндре максимальное и газ давит на рабочий поршень снизу.
  2. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вниз, газ из холодильника перетекает в нагреватель и тем самым начинает расширяться, повышая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вверх. Рабочий газ из нагревателя переходит в холодильник и тем самым давление на рабочий поршень снизу ослабевает. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в правом вытеснительном цилиндре выше давления в левом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вверх.
  3. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в горячем цилиндре 1 становится больше давления в горячем цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в левом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из правого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вниз.
  4. Когда вытеснитель 1 находится в НМТ, а вытеснитель 2 в своей ВМТ, то давление на рабочий поршень сверху становится максимальным, а давление снизу минимальным. Рабочий поршень при этом будет находиться посередине своего цилиндра и продолжать движение вниз.
  5. В момент, когда вытеснитель 1 начинает двигаться вверх, газ из нагревателя перетекает в холодильник и тем самым начинает сжиматься, понижая давление на рабочий поршень сверху. В этот момент вытеснитель 2 начинает двигаться вниз. Рабочий газ из холодильника переходит в нагреватель и тем самым давление на рабочий поршень снизу усиливается. Изменения давлений в вытеснительных цилиндрах только начинает изменяться, но до сих пор давление в левом вытеснительном цилиндре выше давления в правом,  а рабочий поршень продолжает ещё двигаться вниз.
  6. На середине пути вытеснитель 1 и вытеснитель 2 уравнивают свои давления на рабочий цилиндр и при пересечении «экватора» давление в холодном цилиндре 1 становится меньше давления в холодном цилиндре 2. Это приводит и к тому, что газ в правом цилиндре начинает давить на рабочий поршень с бóльшим усилием, чем газ из левого цилиндра. Рабочий поршень начинает перемещаться вверх.

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

P*V=n*R*T

здесь

  • P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
  • V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
  • n – молярное количество газа в двигателе;
  • R – постоянная газа;
  • T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Пожаробезопасность

Очень много пожаров в отопительный сезон происходит по причине неисправности тепловентиляторов. Поэтому вы должны купить такую модель, в которую производители изначально заложили три вида защиты:

термостат

предохранитель

термореле двигателя вентилятора

Как выяснить, что такие защиты присутствуют в конструкции, и на что в первую очередь нужно обращать внимание? Не будете же вы в магазине разбирать устройство. У качественного товара должен быть сертификат пожаробезопасности

У качественного товара должен быть сертификат пожаробезопасности.

Это прямое доказательство наличия защиты и негорючего пластика у изделия. В дешевых ноунейм моделях такого сертификата вам никто не предоставит.

К сожалению, обязательной сертификации тепловой техники у нас пока нет, поэтому добросовестные производители (о них скажем чуть позже) проходят ее добровольно и самостоятельно.

О каких видах защиты идет речь?

Первое – в прибор должен быть встроен защитный термостат в виде биметалической пластины.

В случае поломки обдува вентилятора и перегрева спирали или керамики, он автоматически отключит устройство.

При этом не путайте термостат безопасности с рабочим термостатом, который обеспечивает, так называемый климат-контроль.

То есть, постоянное поддержание температуры в комнате, с периодическим отключением прибора.

Второе – для защиты от короткого замыкания внутри хорошего обогревателя кроме термостата присутствует термопредохранитель.

Помимо этих двух элементов для предотвращения перегрева обмоток двигателя вентилятора, глубоко внутри запрятано термопредохранительное реле.

Где найти все эти защиты, как их проверить и починить в случае выхода из строя, читайте в отдельной статье.

Применение двигателя Стирлинга:

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже, например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины:

– универсальные источники электроэнергии,

– насосы,

– тепловые насосы,

– холодильная техника.

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com, https://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_Стирлинга, https://dvigyn.com/?p=1032

карта сайта

как работает как сделать двигатель стирлинга в домашних условияхвакуумный большой термоакустический солнечный самодельный роторный простой низкотемпературный мощный рабочий двигатель внешнего сгорания альфа стирлингадвигатель стирлинга из банок с генератором купить большой мощности своими руками чертежи видео дома домашних условиях квт кпд купить майнкрафт модель для сборкидвигатель стирлинга принцип работы сгорания скачать схема цена чертежи лучшая конструкция и максимальный кпдмодель сборка расчет мощность применение работа двигателя стирлинга купитьтипы двигателей стирлинга

Коэффициент востребованности
3 188

Комментировать
0
401 просмотров
Это интересно

Русские никогда не жили в избах Занимательные факты
197 комментариев