Двигатель Стирлинга – Устройство, виды и принцип работы

Как работает двигатель Стирлинга

Стирлинг — это устройсво преобразующее тепловую энергию в механическую ну как двигатель, с тем лиш отличием, что эта тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно(как это происходит например в двигателе внутреннего сгорания).

Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство отличающее его от всех остальных машин. Да, ну и само собой такое название Стирлинг пошло от фамилии человека который всё это первый придумал, кто заинтересуется историей этого вопроса может нарыть в интернете кучу инфы, меня лично это мало волнует.

Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому). Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу.

И наоборот охлаждая корпус мембрана вогнется, опять совершив работу. Вот и весь цикл, проще не придумаеш, осталось только «автоматизировать» этот процес.

Для этого внутри корпуса двигателя размещается так называемый поршень вытеснитель(на рисунке он зелёненький с нерусским словом), смысл этого девайса в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от горячей области внизу к охлаждаемой вверху.

На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой почти половину объёма внутренней полости двигателя, в виде такого диска, не плотно прилегающего к стенкам. Через этот зазор воздух перетекает из горячей полости в холодную и обратно.

Надо сказать что сам этот поршень в идеале должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, поскольку он фактически разделяет собой гарячую и холодную области внутри двигателя.

Ну а дальше уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(или рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (внимательно изучайте картинки включайте воображение)

Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя(у нас на рисунке как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки). Это идеальный вариант соединения для такой схемы.

Попытайтесь проиграть каждую картинку по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха внутри двигателя и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.

Надо ещё признать, что на схеме, а именно на оси , отсутствует одна важная деталь — это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.

НЕ отчаивайтесь если сразу не всё понятно, я сам помню долго въезжал, в своё время, а некоторые моменты полностью понял только когда собрал свой первый стирлинг.

Главное начать, и если не потеряете интерес, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо здесь на самом деле масса хитрых моментов.

Более подробно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому — я изложил в форме серии видеоуроков , которые можно посмотреть ЗДЕСЬ

Вот например таже схемка но уже в движении, теперь я думаю будет несколько понятнее. Причем это фактически разрез реальной рабочей модели, жаль правда что только в одном боковом виде.

А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя, также присутствует маховик.

Или вот ещё пример.

Всё это были примеры низкотемпературных двигателей, так сказать моделек, игрушек, поясняющих принцип работы. Промышленные стирлинги которые используются в разных целях, от генерации электроэнергии, до говорят, движения подводных лодок выглядят совершенно по другому (будем рассматривать их в других разделах сайта).

Но принцип всегда остаётся темже — нагрев и охлаждение замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода или гелия (короче рабочего тела по другому).

Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, гамма.

Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая.

Пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.

И ещё бетта тип, кинематика.

Вот полная деталировка — всё по полочкам, гамма версия.

Это анимация стирлинга бетта типа

Вот как на практике выглядит бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрая штука и самому такую извоять весьма проблематично, но для общего развития нужно иметь представление.

Дальше в рубриках по конкретным типам двигателей я буду более подробно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов исполнения этого двигателя просто немеренно, этим он и интересен.

Это его кинематическая модель.

А такая занятная игрулина вызовет массу приятных эмоций у любого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашки с горячим чаем.

Ну вот и всё вступление, для начала. Дальше в рубриках, по каждому типу двигателей, будет более подробно о них расказано и показано, есть много интересного видео, без просмотра которого невозможно полноценно оценить всю прелесть этих устройств. Не переключайтесь. всё только начинается.

Двигатель Стирлинга – Устройство, виды и принцип работы

Для приведения в действие машин и механизмов используются силовые агрегаты различной конструкции. Двигатель Стирлинга является одним из силовых агрегатов внешнего сгорания. Для того чтобы понять как работает двигатель Стирлинга необходимо разобраться в его устройстве.

История создания двигателя Стирлинга

До появления силовых агрегатов Стерлинга использовались моторы, работающие на водяном пару. Такие агрегаты могут работать на твердом топливе. Паровые двигатели имеют сложную конструкцию и требуют особого обслуживания. Двигатели Стирлинга имеют простейшую конструкцию. Выполнять ремонт силовой установки можно, не имея технических знаний и особого оборудования.

Конструкция была запатентована в 1816 году. По сравнению с паровыми двигателями мотор был безопасен в использовании и имел простую конструкцию. Главным преимуществом силового агрегата является возможность использования любого вида топлива. Мотор работает от перепадов температуры.

СПРАВКА: При одинаковом объеме рабочей камеры двигатель внутреннего сгорания обладает более высокими показателями мощности.

Виды двигателей

Существует несколько видов моторов Стирлинга отличающихся по своей конструкции:

Ниже будет подробно рассмотрена конструкция каждого из видов силового агрегата.

Альфа

Конструктивно состоит из двух цилиндров. На один из цилиндров установлен охлаждающей радиатор. Второй край этого цилиндра подвергается нагреву. В каждой рабочей камере установлен отдельный поршень. Передача усилия от поршневой группы осуществляется на коленчатый вал. Коленчатый вал с поршнем и вытеснителем соединены шарнирно.

В конструкцию входит одна рабочая камера. Она одновременно подвергается нагреву и охлаждению. Нагреву подвергается один край рабочей камеры, охлаждению – второй. Под действием изменения давления воздуха или газа находящегося в рабочей камере перемещается поршень.

Гамма

Отличием конструкции являются два рабочих цилиндра отдельно стоящие друг от друга. Одна рабочая камера постоянно подвергается нагреву. На нее устанавливают радиатор охлаждения. Вторая камера постоянно охлаждённая.

Роторный двигатель Стирлинга

Отличается отсутствием кривошипно-шатунного механизма. Это уменьшает габаритно массовые параметры силового агрегата. Конструкция роторного двигателя позволяет улучшить герметичность рабочей камеры.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Мотор преобразует энергию, получаемую от источника тепла в механическую силу. В рабочей камере находится воздух или газ. Одна часть рабочей камеры оснащена радиатором охлаждения или водяной рубашкой. Это необходимо для охлаждения воздушной массы находящейся в полости цилиндра. Вторая часть подвергается нагреву.

СПРАВКА: Для нормальной работы силового агрегата подойдет любое жидкое, твёрдое или газообразное топливо.

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

• Под действием высокой температуры воздуха в полости рабочей камеры нагревается и увеличивается в объеме. Увеличение объема воздуха воздействует на поршень, перемещая его в верхнюю мертвую точку;
• Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень возвращается в обратном направлении. После этого цикл повторяется.

Нагревание и охлаждение воздуха в рабочей камере осуществляется при помощи вытеснителя. Он смещает воздушную массу от горячей части цилиндра к холодной и наоборот. Вытеснитель занимает большую часть объема рабочей камеры.

Область применения

Двигатели Стирлинга, работающие от внешнего источника тепла, могут применяться для изготовления:

• Генераторов. При помощи силового агрегата можно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Это очень удобно в местах, где подача электричества осуществляется с перебоями или отсутствует;
• Насосов для перекачки различных жидкостей.мощности силовой установки достаточно для перекачивания различных жидкостей;
• Климатического оборудования;
• Автомобилей и самоходной техники.

Простота конструкции позволяет использовать силовые агрегаты для создания автомобилей и различного оборудования. Работа на любом топливе позволяет использовать такие моторы в местах, где подача электроэнергии осуществляется с перебоями или отсутствует.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга внешнего сгорания имеет ряд достоинств и недостатков.

• Возможность работы на разном топливе. Для нормальной работы может быть использован абсолютно любой источник тепла. В некоторых случаях применяется солнечная энергия. Для этого солнечный свет концентрируется на поверхности цилиндра;
• Простота конструкции. В силовом агрегате нет большого количества комплектующих. Это делает мотор простым в эксплуатации и ремонте. Обслуживание двигателя может проводить человек, имеющий минимальные технические знания;
• Минимальный уровень шума. Двигатель Стирлинга при работе издает минимальный уровень шума. Это возможно благодаря отсутствию большого количества вращающихся деталей и воспламенения топлива в рабочей камере;
• Моторесурс. Минимальное количество комплектующих позволяет использовать мотор длительное время без ремонта и дополнительного обслуживания;
• Экологичность. При использовании источника тепла не загрязняющего окружающую среду мотор будет экологически чист.

• Большие габаритно массовые параметры. Для увеличения мощности необходимо использовать рабочую камеру и поршень большого диаметра. Это требует применения охлаждающего радиатора увеличенных размеров;

• Сложность в регулировке оборотов. Для регулировки частоты вращения коленчатого вала необходимо изменять показатели температуры;
• Необходимость в использовании жаропрочных материалов. Увеличение моторесурса возможно при применении материалов устойчивых к высоким температурам.

Двигатель Стирлинга своими руками

Некоторые люди задаются вопросом, как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях? Существует большое количество разновидностей самодельных двигателей Стирлинга. Для того чтобы создать двигатель Стирлинга не обязательно иметь чертежи и специализированные материалы. Создать силовой агрегат дома, можно из подручных материалов, не применяя специализированное сложное оборудование.

Перед сборкой необходимо определиться какой мощности будет силовая установка. Как правило, умельцы создают изделия небольшой мощности, которой хватает для вращения маленького вентилятора. Мотор изготавливается в следующей последовательности:

Рабочая камера

Создавая двигатель Стирлинга своими руками в первую очередь, изготавливают большой цилиндр. В полости этой камеры будет перемещаться вытеснитель воздуха. Он необходим для смещения воздушной массы в рабочей камере.

Камеру изготавливают из термоустойчивых материалов. Это может быть как цельная металлическая ёмкость, так и сосуд, составленный из двух частей. Соединение частей должно быть герметичным. В верхней части камеры необходимо просверлить отверстие.

ВАЖНО: Отсутствие герметичности в рабочей камере приведет к нарушению работоспособности силового агрегата. Во избежание этого необходимо герметизировать места соединения термоустойчивым герметизирующим составом.

Если камера изготавливается из двух частей, то для соединения выбирают клей или пайку. Внутренняя поверхность камеры в месте соединения не должна иметь заусенец или выпирающих частей. Это необходимо для того, чтобы не было препятствий для движения вытеснителя воздушной массы.

Вытеснитель

Перед окончательным соединением частей рабочей камеры необходимо самостоятельно изготовить вытеснитель. Это устройство, которое будет смещать воздушную массу в камере. Размеры вытеснителя должны быть меньше диаметра рабочей камеры. Между стенками камеры и вытеснителем должен быть зазор позволяющий изделию свободно перемещаться.

Для изготовления применяется поролон или другой лёгкий материал. Толщина материала выбирается исходя из внутреннего объема камеры.

После изготовления вытеснителя необходимо закрепить на нём шток. Он изготавливается из металлической проволоки диаметром 0.5 мм. Хорошо подойдет разогнутая канцелярская скрепка. Проволоку крепят к втулке из резины или другого эластичного материала. Втулку крепят к поролоновому диску. Такая конструкция позволяет создать прочное соединение.

Перед сборкой рабочей камеры необходимо продвинуть шток вытеснителя в заранее просверленное, в верхней части камеры, отверстие. Шток должен свободно перемещаться в отверстии. После установки поролонового диска герметизируется рабочая камера.

Подставка

Изготовление подставки является необязательным. Она необходима для установки силового агрегата. В подставке предусматривается место для закладки топлива. Это может быть свеча, сухое горючее, или любой другой источник тепловой энергии.

Подставка изготавливается из термостойких материалов. Хорошо подходит металлическая банка от напитков. Верхнюю часть банки срезают. В боковой части вырезают окно для загрузки топлива. Во избежание травмирования на острые срезы банки устанавливают резиновые уплотнения.

СПРАВКА: При использовании в качестве топлива сухого горючего на дно банки устанавливают металлическую площадку. Хорошо подойдет металлическая шайба толщиной 0.5 – 1 мм. Шайба крепится ко дну банки при помощи самореза или болта.

Цилиндр

Цилиндр используется для установки у него силового поршня. Полость рабочего цилиндра сообщается с полостью камеры через просверленное отверстие в верхней крышке. Соединение цилиндра с рабочей камерой должно быть герметичным. Это необходимо для предотвращения утечки воздуха из полости рабочей камеры в атмосферу.

ВНИМАНИЕ: Герметизация осуществляется путём пайки или нанесения на место соединения герметизирующих составов.

Для изготовления цилиндра используют тонкий лист металла. Из листа вырезают полосу шириной 30-35 мм. Сворачивая полосу, изготавливают цилиндр. Место соединения стенок цилиндра герметизируют при помощи пайки.

Поршень

Поршень изготавливается из пластмассы, дерева или пробки. Для исключения утечки воздуха через зазор между поршнем и цилиндром изделие оснащают мембраной. Мембрану изготавливают из полиэтиленового пакета, воздушного шара, или медицинской перчатки.

Поршень приклеивают к мембране при помощи клея. К цилиндру мембрана крепится при помощи резинки или прочной нити. В верхней части поршня устанавливают крепление для шатуна. Его изготавливают из тонкой проволоки. Крепление выполнено в виде петли с винтом, который вкручивается в поверхность поршня. К петле при помощи болта крепится шатун.

Маховик

Работа свободнопоршневого двигателя собранного своими руками будет нестабильной. Для стабилизации оборотов силового агрегата изготавливают маховик. Он стабилизирует частоту вращения за счёт силы инерции.

Маховик изготавливают из прочного материала. Хорошо подходит металлическая крышка для консервации или CD диск. В центре маховика необходимо закрепить коленчатый вал.

ВАЖНО: Коленчатый вал необходимо крепить точно в центре маховика. Смещение точки крепления приведет к разбалансировке в работе силового агрегата.

Коленчатый вал и шатун

Коленвал изготавливают из толстой металлической или медной проволоки. На коленчатом валу выполняют два изгиба. Угол между коленами должен составлять 90 градусов. На одно колено шарнирно устанавливается шатун, второй конец которого крепится к поршню. На второе колено шарнирно устанавливается шток вытеснителя.

В качестве шарниров можно использовать клеммы для соединения проводов. Для этого необходимо предварительно удалить с них зажимающие винты. Для того чтобы провести расчёт глубины колена необходимо разделить на 2 ход поршня от верхней до нижней мертвой точки.

Держатель коленчатого вала

Держатель изготавливают из металла или пластика. Можно использовать стальную, медную проволоку, стержни, трубки и т.д. Нижняя часть держателя жёстко устанавливается на корпус рабочей камеры. Для этого его приклеивают или припаивают к поверхности. В верхней части держатель шарнирно соединяется с коленчатым валом.

Вентилятор

Вместо вентилятора может быть изготовлено любое другое устройство, которому будет передаваться крутящий момент от коленчатого вала. Вентилятор изготавливают из листа металла или пластика. Перед изготовлением вентилятора на материал наносят чертеж.

После этого вырезают деталь. Во избежание получения травм острые края, полученной детали обрабатывают наждачной бумагой.

В центре вентилятора сверлят отверстие. В него устанавливают резиновую, пробковую, или любую эластичную втулку. Изготовленную деталь крепят на коленчатый вал.

ВНИМАНИЕ: Во избежание разбалансировки необходимо крепить коленчатый вал точно по центру вентилятора. Найти центр можно при помощи циркуля.

Запуск двигателя

После проверки рабочей камеры на герметичность и сборки двигателя необходимо проверить его работоспособность. Для этого:

• Подобрать источник тепловой энергии. Это может быть свеча или любое другое топливо. Можно использовать сосуд с горячей водой. Для этого нижнюю поверхность рабочей камеры необходимо установить на емкость с жидкостью;
• Установить изделия на подставку. На дно подставки поместить источник тепловой энергии;
• На верхнюю поверхность рабочей камеры поместить кубики льда;
• Раскрутить маховик вручную.

После раскручивания маховика двигатель должен начать работу. Поршень и шток вытеснителя будут попеременно воздействовать на коленчатый вал установки. Стабильную работу будет обеспечивать сила инерции маховика.

Из вышеперечисленного следует, что двигатель Стирлинга это силовой агрегат, работающий от разницы температур рабочего тела. Мотор может работать на любом виде топлива. Модель силовой установки можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Для этого не потребуется специализированных материалов и оборудования. В качестве источника питания для модели силовой установки может использоваться свеча, сухое горючее и т.п.

Что такое двигатель Стирлинга и как его сделать своими руками

Дата публикации: 12 ноября 2019

В 1816 году преподобный Роберт Стирлинг, стремившийся создать более безопасную альтернативу паровым двигателям, котлы которых часто взрывались из-за высокого давления пара и доступных в то время примитивных материалов, изобрёл новое устройство. Как и другие похожие агрегаты, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую. Его существенная особенность заключаются в том, что это разновидность двигателя внешнего сгорания. Это значит, что в нём используется фиксированное количество рабочего тела, обычно воздуха, а тепло, потребляемое им, подводится извне. Это позволяет устройству работать практически на любом источнике тепла, включая ископаемое топливо, горячий воздух, солнечную, химическую и ядерную энергию. Он также может работать с очень низкими температурными перепадами.

Конструкция двигателя Стирлинга

Агрегаты бывают разных форм, большинство из которых — варианты четырёх базовых конфигураций, главные их части следующие:

1. Источник тепла. Он может быть любой: от огня, производимого горящим углем или дровами, до солнечной света, концентрируемого гелиостатами, поскольку фактическое сгорание топлива не нужно, используется только разница температур между радиатором и источником тепла.
2. Газ, или рабочее тело, постоянно находится в закрытом баллоне внутри машины. Это может быть гелий, обычных воздух, водород, а также любое другое доступное вещество, которое не меняет своей формы при нагреве и охлаждении. Его основная задача — передать тепловую энергию.
3. Радиатор. Нужен для охлаждения горячего газа.
4. Поршни и цилиндры, между которыми движутся газовые заслонки, которые при нагреве расширяются, а при охлаждении сжимаются перед тем, как весь цикл повторится.
5. Теплообменник, или регенератор. Расположен между радиатором и тепловым источником. Нагретый газ, проходя мимо, отдаёт часть своего тепла, а возвращаясь забирает его. Без этого узла тепло будет уходить, то есть тратиться впустую.

Как работает двигатель Стирлинга

Если рассматривать рабочую схему двигателя Стирлинга на примере альфа-конфигурации, где фиксированное количество воздуха или другого рабочего тела заключено в два цилиндра, один из которых горячий, а другой — холодный, перемещается между ними вперёд и назад. Газ нагревается и расширяется в горячем цилиндре, охлаждается в холодном, там же он сжимается, по ходу отдавая энергию для выполнения механической работы.

Надо отметить, что два поршня соединены с коленчатым валом, но их движения не совпадают по фазе на 90 ° между верхней и нижней частями. Поэтапно это выглядит следующим образом:

1. Рабочее тело, расширяясь от нагрева, толкает горячий поршень к нижней части цилиндра, поворачивая коленчатый вал. Расширение продолжается, заставляя газ двигаться к холодному цилиндру. Поршень внутри холодного цилиндра, который находится на четверть оборота позади горячего поршня, также толкается вниз.
2. Газ в максимальном объёме. Импульс маховика на коленчатом валу толкает поршень в горячем цилиндре к вершине его хода, заставляя большую часть газа попадать в холодный цилиндр, толкая холодный поршень вниз. В холодном цилиндре газ охлаждается, давление падает.
3. Когда горячий поршень достигает вершины своего хода, почти весь газ теперь переместился в холодный цилиндр, где охлаждение продолжается, и рабочее тело сжимается, снижая давление ещё больше, что позволяет холодному поршню подняться. Сила импульса маховика сжимает газ и направляет его обратно к горячему цилиндру.
4. На этом этапе рабочая жидкость, достигая своего минимального объема, подаётся в горячий цилиндр, где начинает толкать горячий поршень вниз. Газ снова нагревается, его давление увеличивается, он расширяется, толкая горячий поршень вниз во время рабочего хода, и цикл начинается снова.

Регенератор, расположенный в воздушном канале между двумя поршнями, не строго необходим в конструкции двигателя Стирлинга, но служит для повышения эффективности двигателя. Обычно это металлическая или керамическая матрица с большой площадью поверхности, способная поглощать или отдавать тепло. С ее помощью можно снизить расход топлива и повысить общую эффективность рабочего цикла. Канал для переноса газа между двумя цилиндрами по существу мертвое пространство, часто он остается максимально коротким.

Двигатели Стирлинга использовались в различных формах с 1930-х годов в качестве движущей силы для целого ряда транспортных средств с двигателями мощностью 75 кВт и более. Несмотря на то, что ранние разработки были предназначены для автомобильной промышленности, из-за своей низкой удельной мощности двигатель Stirling больше подходит для стационарного применения, а в последние годы его стали больше использовать для производства электрической энергии:

1. Идеально подходит для использования небольшими комбинированными теплоэнергетическими установками для сбора отработанного тепла. Генераторы двигателя Стирлинга с выходной электрической мощностью от 1 кВт до 10 кВт доступны для бытового применения, а отработанное тепло используется котлом центрального отопления. Общая тепловая эффективность этих установок может достигать 80%.
2. В некоторых странах такие устройства используются для выработки электроэнергии из тепловой энергии.

Как сделать самостоятельно

Несмотря на кажущуюся простоту, сделать двигатель Стирлинга своими руками в домашних условиях непросто. На это нужно потратить немного времени, уделяя внимание деталям. Никакие станки не потребуются. Вот несколько советов для тех, кто решился на эксперимент.

1. Создание цилиндра. Можно использовать ёмкость из нержавеющей стали, диаметр которой около 95 мм, а высота 235 мм. Этот материал выдерживает сильный нагрев. Не стоит заменять его на алюминиевую банку. Для изготовления диафрагмы подойдёт пластиковая крышка.
2. Охладители. Подойдут нескольких жестяных банок диаметром 150 мм. Чтобы сделать водовыпускное отверстие, можно использовать сантехнические детали.
3. Поршень. Его легко изготовить из проволоки. Понадобится вата, выполненная из нержавеющей стали, которую нужно намотать на сетку из того же материала.
4. Коленчатый вал — самое сложное. Он должен быть прямым с жесткими изгибами. Нужны подшипники, латунные соединители и 4-миллиметровая стальная катанка.
5. Маховик. Стальной круг 4 мм толщиной и 170 мм в диаметре, который нужно навинтить на коленчатый вал.
6. Диафрагма. Понадобится отрезок тонкой резины, её нужно растянуть и нагреть, чтобы придать форму. Как шаблон подойдёт выпуклая пластиковая крышка.
7. Статор. Содержит примерно одинаковые катушки из медной проволоки. Затем их нужно приклеить к фанерному диску, который будет привинчен к боковой части двигателя.

Когда катушки будут готовы, стоит проверить, что у всех одинаковое сопротивление, а провод без разрывов.

Вам нужно войти, чтобы оставить комментарий.

Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Главная страница » Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Двигатели логично рассматривать продуктом промышленной революции. Первой «ласточкой» отметились паровые конструкции, работающие на угле. Следом появились более чистые и более эффективные бензиновые моторы. Самыми современные конструкции представляют уже реактивные двигатели. Основная концепция такой конструкции очевидна — разница между высокой и низкой температурой. Эта концепция фактически не изменилась за пару сотен лет, несмотря на достигнутые улучшения. Между тем, среди всего разнообразия существующих концепций привлекает внимание двигатель Стирлинга (автор Роберт Стирлинг 1816 год), напоминающий паровую систему, но не предполагающий использование пара. Рассмотрим подробнее эту конструкцию.

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

• расширения,
• сжатия,
• нагрева,
• охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
4. Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

Схема двигателя Стирлинга (лабораторная): 1 – источник нагрева; 2 – «горячий» цилиндр; 3 – «вытеснитель»; 4 – эксцентрик; 5 – «холодный» цилиндр; 6 – рабочий поршень; 7 — эксцентрик

Существует множество различных конструкций двигателей Стирлинга. Однако здесь будет рассмотрен один конкретный тип исполнения, известный как «вытеснитель» (бета-двигатель Стирлинга). Исполнение характерно наличием следующих ключевых частей:

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

• тепла чашки кофе,
• тепла ладони руки,
• температуры кубика льда.

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Конструкция, называемая «вытесняющей» (бета-двигатель Стирлинга), имеет поршень, которым перемещается газ между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня парового двигателя, «вытеснитель» устанавливается свободно внутри цилиндра, благодаря чему газ обтекает поршень в моменты движения вперёд и назад.

Концепция «вытеснителя»: 1 – зона расширения; 2 – поршень «вытеснитель»; 3 – нагреватель; 4, 5 – рабочий газ (обычно воздух); 6 – область сжатия; 7 – рабочий поршень; 8 – охладитель; 9 – балансирующая масса; 10 — регенератор

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Рабочий поршень и поршень «вытеснителя» постоянно движутся, но не совпадают по фазе (отклонение фазы на 90°) один с другим. Поршни, между тем, приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень «вытеснителя» всегда на четверть цикла (90°) опережает в движении рабочий поршень.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга по типу «вытеснитель»?

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла. Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Функция поршня «вытеснителя» направлена на перемещение газа от горячей стороны к холодной стороне баллона и обратно. Работая тандемом, оба поршня обеспечивают многократное перемещение тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводящей системе) с последующим получением полезной механической работы.

Детальное описание функционала

1. Операция охлаждение – сжатие: большая часть газа содержится в области цилиндра более холодной. Когда оба поршня движутся внутрь (к центру), охлаждённая газовая составляющая сжимается, отдавая часть тепла конструкции радиатора.
2. Операция перекачка – регенерация: поршень «вытеснителя» перемещается. При этом охлажденный газ перетекает обходным путём в область цилиндра более горячую. Объём газа остаётся постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник).
3. Операция нагрев – расширение: большая часть газа располагается в области цилиндра «горячая». Газ нагревается огнём (или другим источником тепла), отчего давление газовой составляющей повышается. Налицо эффект расширения и поглощения энергии. Эффект расширения толкает рабочий поршень, который, в свою очередь, приводит в движение маховик – механическую часть. В этой части цикла двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию.
4. Операция передача – охлаждение: поршень «вытеснителя» перемещается, горячий газ перемещается по обходному пути в более холодную часть цилиндра. Объём газа остается постоянным в момент прохождения через регенератор (теплообменник) с отдачей части энергии. Цикл завершён и готов к повторению.

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике. Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключаются скептические представления относительно слишком сложной конструкции. Спрашивается, для чего возиться с двумя поршнями, если можно создать простой паровой двигатель на одном? Какой смысл во всех этих отдельно взятых этапах? И нельзя ли сделать всё проще?

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:

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.

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.

Кстати, 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.