- 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.

Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье - "История изобретения паровых машин" . А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

История создания...

Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим "экономом".

В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название - «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 % инвестировала фирма "Филипс". Поскольку двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, то в эпоху паровых машин он был широко распространён.

Недостатки.

Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела - водород, гелий.

Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

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.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью - увеличение по клику.

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.

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.

Регенератор и КПД двигателя Стирлинга. Очень часто, при попытке создать Стирлинг в "гаражных" условиях, их создатели решают обойтись без регенератора. А еще чаще регенератор делается "наугад" и неспособен в полной мере выполнять свое предназначение. Итак, регенератор - зачем он нужен? Для этого разберемся немного в теории и принципах работы двигателя. В основной статье я уже вкратце описывал принцип работы, теперь разберем по пунктам. Без регенератора. 1. Нагрев газа происходит когда рабочий поршень находится в верхней мертвой точке. При этом объем минимален, а вытеснитель перемещает весь газ в область нагрева. В процессе этого нагрева объем не меняется - растет давление пропорционально росту температуры в Кельвинах (изохорный нагрев). То есть, если у нас газ находился при температуре 300 К (27 градусов Цельсия) и нагрет до 900 К (627 градусов Цельсия), то давление выросло в 3 раза, также как и температура. Рабочий поршень не движется, работа не выполняется. 2. Рабочий поршень приходит в движение под давлением газа. Газ расширяется и продолжает получать тепло от нагревателя, но температура не увеличивается и остается постоянной, так как сам газ охлаждается за счет расширения (изотермический нагрев). В этом такте цикла (и только в нем) газ выполняет работу. 3. Газ охлаждается до температуры холодильника (окружающей среды) при неизменном объеме (рабочий поршень не движется) - изохорное охлаждение. При этом все тепло, затраченное ранее для нагрева газа от температуры холодильника, до температуры нагревателя, передается в окружающую среду. 4. Рабочий поршень возвращается в верхнюю мертвую точку, сжимая газ в цилиндре. При этом газ охлаждается и тепло, которое образуется в нем при сжатии, отдается окружающей среде (изотермическое сжатие). В этом такте затрачивается механическая работа, которую выполняет маховик. Так как для сжатия газа при низком давлении требуется меньшая работа, чем газ выполняет при большом давлении, когда он горячий, то разница между выполненной газом работой и работой, произведенной над газом, это полезная работа, которую может совершить двигатель. То есть получается, что нагрев, который совершает работу, у нас происходит только во время расширения, при температуре нагревателя, а нагрев до этой температуры работу не совершает, требуется для подъема давления и вся потраченная на этот нагрев энергия, "выбрасывается" потом в окружающую среду. Вот чтобы избежать этих потерь (а они, обычно, в несколько раз больше чем выполняемая работа) и используется регенератор. Он запасает тепло при охлаждении газа "забирая его в себя", вместо того, чтобы отдавать окружающей среде, и затем отдает его газу при нагреве. То есть на нагрев газа внешнее тепло не требуется и передаваемое двигателю от нагревателя тепло тратится только на выполнение работы. Поэтому КПД двигателя зависит от эффективности регенератора и без него он будет ниже в несколько раз. А в следующей статье я расскажу о том каким должен быть эффективный регенератор -

Двигатель Стирлинга - это агрегат, который преобразует тепло в механическую энергию. Его можно подключить к генератору и получать электричество. Или к насосу, циркулярке, короче, к любому потребителю механической энергии. Он, в перспективе, очень хорошо подходит для стационарного автономного энергоснабжения. Почему?

1. Может работать на любом топливе. В том числе, на дровах, опилках и т.п. Может сделать Стирлинг, работающий от солнечного тепла или от разности температур воздуха и воды (хотя последний вариант я не рассматриваю всерьез, об этом будет отдельный пункт).

2. Тихая работа и большой моторесурс. Малый расход масла.

3. Простота в обслуживании (особенно, по сравнению с ближайшим аналогом - паровой машиной).

4. Относительно высокий КПД. Гораздо выше, чем у паровой машины, но ниже, чем у ДВС. На получение 1 кВт*ч электроэнергии от хорошо сделанного, мощного любительского Стирлинга будет расходоваться примерно 3-4 кг дров. Можно сравнить это со стоимостью той же энергии, полученной от бензогенератора.

5. Хотя КПД и ниже, чем у ДВС, можно использовать отходящее тепло для нагрева воды. Это повышает суммарную выгоду, извлекаемую из данного двигателя - она оказывается гораздо больше, чем у ДВС. Справедливости ради нужно сказать, что в ДВС такое использование тоже возможно, но для этого нужен дополнительный теплообменник.

На сегодня в серийном производстве по доступной цене таких двигателей нет. Я поставил перед собой задачу разработать такой двигатель, доступный для изготовления силами любителей.

О чем эта страничка

Некоторые мифы о двигателях Стирлинга

КПД двигателя Стирлинга равен КПД цикла Карно? Это не так. КПД ЦИКЛА Стирлинга равен КПД цикла Карно. Но в поршневой машине цикл Стирлинга реализовать невозможно. Тот цикл, который реализуется в двигателях Стирлинга - довольно сильно отличается от цикла Стирлинга. Кроме того, имеются неизбежные потери.

Нужен водород или гелий под страшным давлением? Нет, не нужен. Водород или гелий под большим давлением нужны для двигателя, имеющего такие же массогабаритные показатели, как автомобильный ДВС. Если снизить требования к массогабаритным показателям, то можно снизить давление и использовать другие рабочие тела. Известны случаи применения воздуха, аргона, углекислого газа и я даже слышал про пропан, хотя это вызывает сомнение.

Движущиеся части и уплотнения подвержены высокой температуре? Высокой температуре подвержена только одна движущаяся часть - верхняя часть "горячего" поршня. Поршневые кольца размещаются в холодной и охлаждаемой полости. Поэтому, условия работы уплотнений в двигателе Стирлинга гораздо легче, чем в ДВС. Тут, правда, есть не совсем еще понятная мне проблема теплоотвода от "горячего" поршня, о которой я нигде ничего не читал. Но во всяком случае, известно, что уплотнения для Стирлингов делали из фторопласта и такие уплотнения показывали хороший ресурс. Также могут работать обычные уплотнения, с чугунными поршневыми кольцами и смазкой маслом.

Смазка создает непреодолимые трудности? Нет. Нужен только подбор масла. Фирмой Phillips были выпущенными мелкими сериями двигатели серии 102C, имевшие масляную смазку. Поскольку масло с воздухом могут образовывать взрывоопасные смеси, это все же налагает определенные ограничения на давление, достигаемое внутри машины - насколько я знаю, его боятся поднимать более 6 атмосфер. В истории фирмы Филлипс был случай, когда большой двигатель Стирлинга на воздухе взорвался и убил человека. Впрочем, если внутри будет не воздух, а газ, не поддерживающий горение, например, азот, то масло вроде бы не должно взорваться (это лучше уточнить у химиков). Предпринимаются попытки использовать разные другие материалы для уплотнений поршней - фторопласт, материалы под названием "Рулон", "Витон", графит, композиции графита и стекла. При этом, картер делается сухим. Вроде бы, все это может работать достаточно долго, во всяком случае, пару тысяч часов. Также обсуждалась смазка водой и даже делалась машина с такой смазкой, но нет данных о результатах ее испытаний.

Эффективные двигатели были созданы только в XX веке? Нет. Еще братья Стирлинги создали двигатель мощностью 42 л.с. и КПД порядка 18%, работавший в кузнице (можно предположить, что каждый день по многу часов) около 3 лет. В то время не было никаких хороших сталей, никакой термодинамической науки, только опыт и интуиция. В конце XIX века серийно выпускались двигатели малой мощности (до 1 л.с.), которые не отличались высоким КПД, зато очень тихо работали, были весьма надежны, долговечны, нетребовательны к топливу и просты в обслуживании, что позволяло им держать определенную нишу на рынке вплоть до второй мировой войны.

Чего нет в книге Уолкера

Книга Уолкера была написана достаточно давно, с тех пор тема развивалась. Вот - краткий обзор того, что было достигнуто.

Двигатели с приводом Рингбома

Как известно, в двигателе Стирлинга - не менее двух подвижных поршней (либо один поршень и один вытеснитель). Это дает достаточно сложный механизм привода. Двигатели с приводом Рингбома - это двигатели (гамма или бета-типов), в которых вытеснитель приводится в действие с помощью пневмопривода. При этом, сам пневмопривод работает от перепада давления в газовом тракте машины. См. патент США №856102 Была разработана теория таких машин, которая позволила создавать хотя бы работающие прототипы. Зачастую эти прототипы делались путем переделки одноцилиндровых ДВС. Родной поршень ДВС используется как ползун, к нему добавляется шток и второй поршень, который уже является рабочим поршнем двигателя Стирлинга. А привод вытеснителя пневматический, поэтому никаких изменений в конструкцию ДВС больше не нужно. Прототипы такого рода были построены. Однако до практического внедрения, насколько я знаю, дело не дошло. Вся эта история описана в книге James R.Senft "Ringbom Stirling Engines", которую можно купить где-то в Америке. Я покупал ее с помощью пластиковой карты, кажется, она называетcя Visa Electron, и книжку мне доставляли по почте. Все это работает, так что рекомендую.

С моей точки зрения, двигатели с приводом Рингбома не настолько просты, как кажется. Их преимуществом я вижу более подходящий, чем чистые синусоиды, закон движения поршней. Особенно это важно в случае низкого перепада температур. Другое преимущество - это простота кинематического механизма, впрочем, она отчасти компенсируется дополнительными деталями, необходимыми для привода вытеснителя. Недостатком мне кажется то, что пневматически управляемый вытеснитель движется с большим ускорением - его на каждом такте выстреливает, как пробку из бутылки. Впрочем, ударные нагрузки гасятся пневматическими амортизаторами и скорее тут стоит безпокоиться не о прочности, а об уравновешивании и вибрациях. Поскольку закон движения вытеснителя, управляемого пневматически, заранее неизвестен и зависит от конкретных условий в каждый момент (от температуры нагревателя, числа оборотов, нагрузки), то нельзя предусмотреть даже никаких дополнительных балансирующих приспособлений. То есть, можно быть уверенными, что двигатель с приводом Рингбома вовсе не поддается балансировке.

Ну и вообще, тема двигателей с приводом Рингбома - это тема для изследований. При ориентации на практический результат нужно следовать уже опробованным образцам. Поэтому меня эта тема интересует не слишком сильно.

Единственное, что еще хочу отметить, что двигатели Рингбома в чем-то родственны свободно-поршневым двигателям, но они гораздо проще в плане реализации. Оказывается, свободно-поршневые двигатели исключительно сложны из-за того, что закон их движения допускает слишком много степеней свободы. Заставить их при этом работать стабильно, с учетом изменчивости нагрева, нагрузки и деградации уплотнений - задача сверхсложная. Двигатели Рингбома лишены этого недостатка - поршень у них движется за счет механизма, а пневмопривод вытеснителя в определенном режиме работает устойчиво.

Низкотемпературные двигатели

Это - двигатели, работающие на разнице температур от нескольких градусов. Такие двигатели делаются исключительно гамма-типа, у них - плоский вытеснительный цилиндр, вытеснитель с очень коротким ходом, а объем рабочего цилиндра во много раз меньше объема вытеснительного. Они обладают очень маленькой мощностью. Например, машина с вытеснительным цилиндром диаметром в 25см, с приводом Рингбома, при разнице температур в 90 градусов выдавала всего 1 ватт. Много интересных моделей такого рода придумано и реализовано Хубертом Стерховым (Hubert Stierhof), например http://www.geocities.com/hustierhof/MC_SOLAR.html

В основном, они изучаются для использования солнечной энергии. Тут нужно сделать важное замечание, что любой двигатель Стирлинга можно до определенной степени улучшить, увеличивая давление газа. Если бы этот же двигатель можно было накачать газом на 100 атмосфер, то он выдал бы уже 100 ватт. Напрямую это сделать невозможно, так как прочность материалов ограничена, а также ограничена теплопроводность поверхностей подвода и отвода тепла. Однако, это указывает некоторую перспективу для создания низкотемпературных двигателей значительной мощности. Если чуть-чуть пофантазировать на эту тему, то можно представить себе низкотемпературный двигатель сделанный с вогнутым или выпуклым дном, например, на основе баллонов от сжиженного газа. Например, 5-литровый пропановый баллон имеет диаметр порядка 25 сантиметров и его можно накачать до 10-15 атмосфер. То есть, можно себе представить, что из него получится двигатель примерно на 10 ватт при перепаде температур в 90 градусов.

Двигатели с одной движущейся деталью

Такие машины тоже были придуманы. У них есть настоящий рабочий поршень, но вытеснитель в них - "виртуальный". Во-первых, это машина "замедленного нагрева" или Thermal lag engine. В чем ее смысл? Рабочий поршень и стенки рабочего цилиндра - холодные, но из цилиндра имеется переход в горячую камеру - нагреватель. Сначала происходит сжатие воздуха рабочим поршнем, и он вытесняется в горячую камеру. Пока поршень находится в верхней мертвой точке, газ успевает нагреться и его давление увеличивается. Тогда происходит рабочий ход - газ расширяется и толкает поршень. При этом он выходит в рабочий цилиндр и охлаждается. Это охлаждение происходит за то время, когда поршень находится в нижней мертвой точке. Картинку рисовать не буду и даже не просите, но есть патент США Тайлера за номером 5414997, где все написано и нарисовано, правда, по английски. Более того, в патент включено чуть ли не полное описание, как сделать машину, со всеми основными размерами, и показатели ее производительности.

Эта машина просто подкупает своей простотой. Самое приятное - то, что нет никаких особых требований к точному изготовлению горячих частей. А эти горячие части зачастую делаются из нержавейки, должны сочетать в себе точную форму, устойчивость к коррозии, высокую теплопроводность в одних местах и низкую в других, имеют сложную форму и должны держать давление. Уфф, сколько требований.

Но... на самом деле ее рабочий процесс происходит не совсем так, как хотелось бы. Нагрев и охлаждение газа происходят более интенсивно в тот момент, когда газ движется. То есть, следует ожидать, что газ начнет нагреваться уже во время фазы сжатия, а охлаждаться он начнет уже во время фазы расширения. Также, при отсутствии регенератора происходит постоянный контакт нагретого и охлажденного газа между собой, а это ведет к большим термодинамическим потерям.

Я не думаю, что от этой машины можно ожидать сколько-нибудь существенного КПД. Видимо, автор патента столкнулся с этой проблемой на практике, поэтому в патенте нарисована не только самая простая схема, но и более сложные. Работающую машину такого рода с регенератором люди тоже сделали. http://www.stirlingengines.org.uk/thermo/lamina.html Насколько я могу себе представить, там подобный процесс "замедленного нагрева" и "замедленного охлаждения" происходит не только в нагревателе и холодильнике, но и в каждой точке регенератора. Поскольку при этом температурные градиенты между газом и стенкой меньше, то и КПД такой машины должен быть больше (именно эти градиенты ведут к потерям КПД). Может быть, она может быть вообще серьезной машиной, но это нужно пробовать.

Если кто-то когда-то захочет такую машину построить, то пишите - обсудим, что можно сделать. У меня есть еще кое-какие (довольно сырые) идеи на тему того, как сделать машину подобного рода, но обезпечить сдвиг фаз другим образом. Например, используя двухцилиндровый мотоциклетный двигатель с малым фазовым углом между цилиндрами. Основная идея - что в районе верхней мертвой точки газ (уже сжатый) резко прокачивается через нагреватель, имеющий большое гидравлическое сопротивление. Этот процесс чем-то подобен процессу сгорания в ДВС, но сгорание тут внешнее. А вот как охлаждать газ в такой машине - я так до сих пор и не придумал.

Следующая машина с одной движущейся деталью - это термоакустическая машина. Она, по своей сути устроена почти так же, как и машина замедленного нагрева с регенератором, но там колебания поршня происходят со звуковой частотой, и в игру вступает фазовый сдвиг между давлением и перемещением в звуковой волне. В качестве поршня в такой машине можно использовать просто микрофон соответствующей мощности, резонансная частота которого совпадает с частотой звуковых колебаний в цилиндре.

Примеры двигателей, которые могут послужить прототипами

Источники информации здесь:

1. The Phillips Stirling Engine, C.M.Hargreaves, Elseiver, 1991

Пара слов о масштабировании

Вопросы конструирования

Гильза горячего цилиндра - нужна ли она

Альфа, бэта или гамма?

Так ли вредно вредное пространство?

Некоторые закономерности, взаимосвязи и компромиссы

Материалы нагревателя

Нагреватель - где же узкое место?

Усилитель нагревателя

Регенераторы

Уплотнение поршня, смазка, взрывоопасность

Варианты привода

Картер под давлением, без давления, или вообще без картера

Нужна ли горячая шапка на поршень и цилиндр?

Моя программа расчёта

ссылка

Ущербность метода Шмидта, адиабатной модели и расчёта по числу Била

Метод Шмидта полностью игнорирует все вопросы теплообмена. То же делает и адиабатная модель. Хотя от адиабатной модели есть минимальная польза - она хотя бы позволяет оценить один вид потерь. Расчёт по числу Била говорит о том, что можно ожидать от хорошо сделанной машины, но не даёт никаких указаний на то, как же сделать такую машину.

Сильные стороны программы Simple

Программа simple др.Уриели содержит существенные элементы расчёта теплообменников. Особенно хорошо обстоит дело с расчётом сетчатого регенератора - в неё заведены аппроксимации экспериментальных данных по продувке сеток. Так же очень важно, что посчитаны потери на трение газа в теплообменниках.

Слабые стороны программы Simple

Расчёт нагревателя и холодильника вряд ли удовлетворителен - используется метод аналогии Рейнольдса, который пригоден для развитого турбулентного течения. Числа Рейнольдса в нагревателях могут быть довольно низкими, особенно для машин низкого давления, и соответствовать переходному или ламинарному режиму

Не учитывается такой важный вид потерь, как челночные потери. Величина челночных потерь велика и они могут существенно снизить КПД

Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

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

• 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.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

• 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
• 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
• 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
• 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

• Позиция «A»:

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

• Позиция «B»:

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

• Позиция «C»:

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

• Позиция «D»:

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

• Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

• Роторный двигатель Стирлинга.

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

• Термоакустический двигатель Стирлинга.

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Двигатель Стирлинга своими руками

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

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

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

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

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

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

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

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

• Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

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

• Двигатель, как насос (электрика).

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

• Двигатель, как насос (обогреватель).

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

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

• Двигатель, как насос (охладитель).

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

• Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

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

• Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

• Двигатель, как аккумулятор энергии.

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

• Солнечный двигатель.

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

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый - полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло - силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

• неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
• потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
• отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.