Принцип работы двигателя Стирлинга

Многим интересен принцип работы двигателя Стирлинга, и не только из праздного любопытства, но и потому, что если не понять основу его действия, то очень трудно изготовить работающую модель. В данной публикации подробно и насколько возможно, лаконично, дан ответ на этот вопрос. А наглядно все представлено в видеоуроке со всеми схемами.

В этом китайском магазине можно найти отличный генератор.

Рассмотрим сначала

Принцип работы низкотемпературного двигателя.

Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя – горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета на видео).

При движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.

Далее цикл повторяется, так как вытеснитель и рабочий поршень связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов.

Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга

Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.

Далее вся механика наглядно на видео. Во второй части видео один из вариантов сборки Стирлинга.

Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях.
Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так:
– сделать цилиндр с вытеснителем;
– вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик;
– маховик пока не ставить;
– нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя;
– если попробовать поднять вытеснитель вверх – шарик резко надуется;
– если опустить вытеснитель вниз – шарик сдуется.
Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя.
– Далее заменим воздушный шарик на поршень;
– поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух;
– смазать поршень силиконовой смазкой;
– проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем;
– понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала;
– изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов!
– окончательно протестировать готовый аппарат.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло.
2. Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы.
3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую.
4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать.
5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку – она дает очень хороший результат.
Удачи в техническом творчестве!

В другом материале о том, как приспособить для этого движка генератор тока. А тут еще одна модель, которую можно собрать дома.

Как работают двигатели Стирлинга?

В течение почти 200 лет термические двигатели, известные по имени их изобретателя, были известны в как двигатели Стирлинга. Их изобретатель работал над построением наиболее эффективного или оптимального рабочего теплового двигателя. Стирлинг подошел к проблеме довольно научным образом. То есть, двигатель (его теоретическая циркуляция) был проанализирован и проверен вычислительно до того, как был построен прототип. Все в теории выглядело очень многообещающим. В принципе, до сих пор предполагалось, что они должны быть одним из наиболее эффективных тепловых двигателей. Так почему бы нам не путешествовать с автомобилями, использующими Стирлинг, несмотря на их многочисленные преимущества?

Рисунок двигателя Стирлинга из оригинального патента от 1816 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: Индийский технологический институт, копия изображения в патенте Роберта Стирлинга 1816 года .

Чтобы получить полезную мощность от поршневого двигателя, он должен развивать достаточно высокий крутящий момент или достигать высокой скорости вращения. Двигатели Стирлинга не достигают высоких скоростей вращения, поэтому давайте рассмотрим момент. В основном, это будет зависеть от силы, действующей на поршень, а это, в свою очередь, от давления рабочего тела в рабочем ходу и поверхности поршня, которое работает. Эти упрощенные рассуждения помогут нам понять структурные проблемы двигателей Стирлинга. Для того, чтобы двигатель был больше, чем модель на столе, он должен быть огромным – иметь большой диаметр рабочего поршня, или поршень должен находиться под высоким давлением во время рабочего хода.

Типичная «настольная» модель двигателя Стирлинга с рубежа 20 и 21 веков. Диаметр маховика: около 30 мм. Он должен быть включен в группу так называемых «Гаджеты».

История двигателя Стирлинга в 19 веке

В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга. Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.

Промышленный двигатель Стирлинга примерно с 1860 года. Представленный двигатель, произведенный Эрикссоном, реализовал модифицированный цикл Стирлинга, названный в честь его создателя Эрикссоном . Источник: Wikimedia Commons , Vasárnapi Ujság, 1861/8 [1] .

Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах. Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .

Семейство двигателей Стирлинга от компании Louis Heinrici. Иллюстрация из каталога компании с 1914 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: First-Neutron .

Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом. Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга от Philips с середины 20-го века (1953). Электрическая мощность: около 180 Вт. Высота корпуса: около 0,5 м. Источник: Викисклада , Норберт Шнитцлер .

Использование гелия

В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.

Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века

В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.

Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P.389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.

Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…

Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга. Источник: Wikimedia Commons , автор: Загружено Skyemoor .

Одной из последних идей использования двигателей Стирлинга было «спуск с параметров». То есть нашли применение для двигателей с низкими характеристиками и существенно более низкой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Примерно в начале XXI века с помощью двигателей Стирлинга была обнаружена идея восстановления энергии, утраченной в процессах нагрева, таких как «дымоход» с дымовым газом из СО-печей. Однако экономический расчет по-прежнему был против использования таких решений в больших масштабах.

Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах. Яднак таких двигателей по-прежнему остается большой «экзотикой» в мире технологий, и, вероятно, большинство читателей этого текста никогда не встретит такой движок…

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга STM с начала 21 века. Электрическая мощность: около 38 кВт или 65 кВт. Высота корпуса: около 1 м. Источник: Викисклада , автор: В.Т.Чыманский.

Заключение

Мы процитировали выше упрощенную историческую схему тенденций проектирования двигателей Стирлинга. Конечно, мы опустили множество проектов как энтузиастов, так и тех, которые были разработаны в «серьезных» исследовательских проектах (например, машины с жидкими поршнями – «жидкость», термоакустические двигатели и т.д.). Это не меняет того факта, что инженеры и ученые пытались построить эффективный и надежный двигатель Стирлинга почти 200 лет. Практически каждое последующее поколение инженеров пытается решить проблемы этих двигателей, надеясь, что это обеспечит технический прогресс, который произошел в предыдущие 20-25 лет. К сожалению, усилия по-прежнему неэффективны. Я должен признать, что, по-видимому, мое поколение также пыталось это сделать, а также потерпело неудачу. Однако мы глубоко убеждены в том, что

Совсем другое дело, что каждое поколение инженеров начинает свою деятельность почти с самого начала, на практике имея очень сложный доступ к документации ранее выполненных работ… но это снова тема для совершенно другого случая.

Модель двигателя Стирлинга в бета-системе, разработанной и сделанной г-ном Рафалом Ходорковским в рамках инженерных работ на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: Мачей Тулодзекский, PhD). Длина двигателя: около 35 см.