Двигун зовнішнього згорання Стірлінга: паливо горить зовні

1. Двигун зовнішнього згорання. Історія відкриття Стірлінга
2. Двигун зовнішнього згорання. Принцип роботи
3. види стирлингов
4. застосування
5. Переваги і недоліки

Наша сеть партнеров Banwar

Ця стаття присвячена одному винаходу, запатентованого ще в дев'ятнадцятому столітті шотландським одним священиком Стірлінгом. Як і всі попередники, це був двигун зовнішнього згоряння. Тільки відмінність його від інших у тому, що він може працювати і бензині, і на мазуті, і навіть на вугіллі та дровах.

Двигун зовнішнього згорання. Історія відкриття Стірлінга

У XIX столітті виникла необхідність заміни парових двигунів на щось більш безпечне, так як котли часто вибухали через високий тиск пара і деяких серйозних конструктивних недоліків.

Хорошим варіантом став двигун зовнішнього згоряння, який запатентував в 1816 році шотландський священик Роберт Стірлінг.

Правда, «двигуни гарячого повітря» робили і раніше, ще в XVII столітті. Але Стірлінг додав в установку очищувач. У сучасному розумінні - регенератор.

Він підвищив продуктивність установки, зберігаючи тепло в теплій зоні машини, в той момент, коли робоче тіло охолоджувалося. Це значно збільшило ефективність системи.

Винахід знайшло широке практичне застосування, була стадія підйому і розвитку, але потім Стірлінга були незаслужено забуті.

Вони поступилися місцем парових машин і двигунів внутрішнього згоряння, а в двадцятому столітті знову відродилися.

З огляду на те що цей принцип зовнішнього згоряння сам по собі дуже цікавий, сьогодні над створенням нових моделей працюють найкращі інженери і любителі в США, Японії, Швеції ...

Двигун зовнішнього згорання. Принцип роботи

«Стірлінг» - як ми вже згадували, різновид двигуна зовнішнього згоряння. Основний принцип його роботи полягає в постійному чергуванні нагрівання та охолодження робочого тіла в замкнутому просторі і отриманні енергії, завдяки виникає при цьому зміни обсягу робочого тіла.

Як правило робочим тілом виступає повітря, але може використовуватися водень або гелій. У дослідних зразках пробували двоокис азоту, фреони, скраплений пропан-бутан і навіть воду.

До речі, вода перебуває в рідкому стані протягом усього термодинамічної циклу. А сам «стірлінг» з рідким робочим тілом має компактні розміри, високу питому потужність і високий робочий тиск.

види стирлингов

Існують три класичні види двигуна Стірлінга:

• Альфа-Стірлінг - має два роздільних силових поршня розташованих в роздільних циліндрах. Один з них - гарячий, а інший - холодний. Гаряча пара «циліндр і поршень» розташовані в теплообміннику з високою температурою, холодна пара «циліндр і поршень» - зі зниженою температурою. У цього виду співвідношення потужності і обсягу досить велике, хоча, і дуже висока температура «гарячого» поршня, що створює технічні труднощі при виготовленні.
  Регенератор розташований між гарячою і холодною сполучними трубками;
• У моделі Бета-Стірлінг - всього один циліндр. Він гарячий на одному кінці і холодний на іншому. Усередині циліндра переміщуються поршень (з нього знімають потужність) і витіснювач (він змінює обсяг гарячої зони). Газ гойдається з холодної зони циліндра в гарячу крізь регенератор. Регенератори бувають зовнішніми, у вигляді частини теплообмінника, або суміщеними з поршнем-витіснювачем;
• У варіанті Гамма-Стірлінг теж присутні поршень і витіснювач, але тут вже два циліндра: перший холодний (де рухається поршень для відбору потужності), і другий - гарячий з одного боку і холодний з іншого (там переміщається витіснювач). Регенератор також може бути зовнішнім, тоді він з'єднує гарячу зону другого циліндра з холодною і з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор конструктивно входить до складу витіснювача;

застосування

Двигун Стірлінга можна застосовувати у випадках, якщо потрібно простий, компактний перетворювач теплової енергії або коли ефективність інших типів теплових машин нижче: наприклад, якщо різниця температур недостатня для використання газової або парової турбіни .

Ось конкретні приклади використання:

• Вже сьогодні випускаються автономні генератори для туристів. Є моделі, які працюють від газової конфорки;

NASA замовило варіант генератора на основі «стірлінга», який працює від ядерного та радіоізотопного джерел тепла. Він буде використовуватися в космічних експедиціях.

• «Стірлінг» для перекачування рідини набагато простіше установки «двигун-насос». В якості робочого поршня він може використовувати рідину, що перекачується, яка буде заодно охолоджувати робоче тело.Такім насосом можна накачувати воду в іригаційні канали, використовуючи сонячне тепло, подавати гарячу воду від сонячного колектора в будинок, перекачувати хімічні реагенти, оскільки система повністю герметична;
• Виробників побутових холодильників впроваджують моделі на «Стірлінг». Вони будуть економніше, а в якості холодоагенту передбачається використовуватися звичайне повітря;
• Поєднаний Стірлінг з тепловим насосом оптимізує систему опалення в будинку. Він буде віддавати дармове тепло «холодного» циліндра, а отриману механічну енергію може використовувати для підкачки тепла, яке йде з навколишнього середовища;
• Сьогодні на всіх підводних човнах ВМС Швеції встановлені двигуни Стірлінга. Вони працюють на рідкому кисні, який в подальшому використовується для дихання. Дуже важливий фактор для човна, низький рівень шуму, а недоліки типу: «великий розмір», «необхідність охолодження» - в умовах підводного човна не істотні. Аналогічними установками оснащені і новітні японські підводні човни типу «Сорю»;
• Двигун Стірлінга використовується для перетворення сонячної енергії в електричну. Для цього він монтується в фокусі параболічного дзеркала. Компанія Stirling Solar Energy будує сонячні колектори потужністю до 150 кВт на дзеркало. Вони використовуються на найбільшій в світі сонячної електростанції в південній Каліфорнії.

Переваги і недоліки

Сучасний рівень проектування і технології виготовлення дозволяють підвищити коефіцієнт корисної дії «Стірлінга» до 70 відсотків.

плюси:

• Що дивно, крутний момент двигуна практично не залежить від швидкості обертання колінчастого вала;
• Силова установка не містить системи запалювання, клапанної системи і распредвала.
• Протягом всього терміну експлуатації не потрібні регулювання і настройки.
• Двигун не «глухне», а простота конструкції дозволяє експлуатувати його в автономному режимі тривалий час;
• Можна використовувати будь-які джерела теплової енергії, від дров до уранового палива.
• Спалювання палива відбувається поза двигуном, що сприяє його повного допалювання і мінімізації викидів токсичних речовин.

мінуси:

• Так як паливо згорає поза двигуном, то відвід тепла йде через стінки радіатора, а це додаткові габарити;
• Матеріаломісткість. Щоб зробити Стірлінг-машину компактної і потужної потрібні дорогі жароміцні стали, здатні витримувати високий робочий тиск і мають низьку теплопровідність;
• Потрібна спеціальна змазка, звичайна для «Стірлінг» не підходить, так як коксується при високих температурах;
• Щоб отримати високу питому потужність, робоче тіло в «Стірлінг» застосовують водень і гелій.

Водень відрізняється вибухонебезпечність, а при високих температурах може розчинятися в металах, утворюючи при цьому металлогідріти. Іншими словами, відбувається руйнування циліндрів двигуна.

А ще водень і гелій мають високу проникаючу здатність і легко просочуються через ущільнення, знижуючи робочий тиск.

Якщо ви, познайомившись з нашою статтею, захочете придбати пристрій - двигун зовнішнього згоряння, не біжіть в найближчий магазин, така штука не продається, на жаль ...

Самі розумієте, ті, хто займається удосконаленням і впровадженням цієї машини, тримають свої розробки в секреті і продають їх тільки солідним покупцям.

Але якщо ви поділитеся посиланням на статтю в соціальних мережах, то можливо ваш коментар прочитають зацікавлені люди і ви зможете поспілкуватися з однодумцями на цю тему.

І не забудьте підписатися на наш блог - впевнений, вас чекає багато цікавого.

Дивіться це відео і робіть своїми руками.