Účinnost Stirlingova motoru s vnějším spalováním. Spalovací motor - princip činnosti a výhody

- tepelný motor, ve kterém se kapalná nebo plynná pracovní tekutina pohybuje v uzavřeném objemu, druh motoru s vnějším spalováním. Je založena na periodickém ohřevu a ochlazování pracovní tekutiny s odebíráním energie z výsledné změny objemu pracovní tekutiny. Může fungovat nejen ze spalování paliva, ale také z jakéhokoli zdroje tepla.

Na chronologii událostí souvisejících s vývojem motorů v 18. století se můžete podívat v zajímavém článku „Historie vynálezu parních strojů“. A tento článek je věnován velkému vynálezci Robertu Stirlingovi a jeho duchovnímu dítěti.

Historie stvoření...

Patent na vynález Stirlingova motoru, kupodivu, patří skotskému knězi Robertu Stirlingovi. Obdržel jej 27. září 1816. První „horkovzdušné motory“ se do povědomí světa dostaly na konci 17. století, dávno před Stirlingem. Jedním z důležitých Stirlingových úspěchů bylo přidání čističky, které sám přezdíval „ekonomika“.

V moderní vědecké literatuře má tento čistič zcela jiný název - „rekuperátor“. Díky tomu se zvyšuje výkon motoru, protože čistič zadržuje teplo v teplé části motoru a zároveň se ochlazuje pracovní kapalina. Díky tomuto procesu se výrazně zvyšuje účinnost systému. Rekuperátor je komora vyplněná drátem, granulemi a vlnitou fólií (vlny probíhají ve směru proudění plynu). Plyn prochází výplní rekuperátoru jedním směrem, odevzdává (nebo získává) teplo a při pohybu druhým směrem ho odebírá (odvádí). Rekuperátor může být také vně válců a může být umístěn na vytlačovacím pístu v konfiguraci beta a gama. Rozměry a hmotnost stroje jsou v tomto případě menší. Roli rekuperátoru do jisté míry plní mezera mezi vytlačovačem a stěnami válce (pokud je válec dlouhý, pak takové zařízení není vůbec potřeba, ale dochází k výrazným ztrátám v důsledku viskozity válce plyn). V alpha-stirlingu může být rekuperátor pouze externí. Je namontován v sérii s tepelným výměníkem, ve kterém je pracovní kapalina ohřívána ze strany studeného pístu.

V roce 1843 použil James Stirling tento motor v továrně, kde v té době pracoval jako inženýr. V roce 1938 Philips investoval do Stirlingova motoru o výkonu více než dvě stě koní a návratnosti více než 30 %. Protože Stirlingův motor má mnoho výhod, byl rozšířen v éře parních strojů.

Nedostatky.

Spotřeba materiálu je hlavní nevýhodou motoru. U motorů s vnějším spalováním obecně a Stirlingova motoru zvláště musí být pracovní kapalina chlazena a to vede k výraznému nárůstu hmotnosti a rozměrů elektrocentrály díky zvětšeným chladičům.

Pro získání charakteristik srovnatelných s vlastnostmi spalovacího motoru je nutné použít vysoké tlaky (nad 100 atm) a speciální druhy pracovní kapaliny - vodík, helium.

Teplo není přiváděno do pracovní tekutiny přímo, ale pouze přes stěny výměníků tepla. Stěny mají omezenou tepelnou vodivost, což má za následek nižší účinnost, než by se dalo očekávat. Horký výměník tepla pracuje za velmi intenzivních podmínek přenosu tepla a při velmi vysokých tlacích, což vyžaduje použití vysoce kvalitních a drahých materiálů. Vytvoření tepelného výměníku, který splňuje protichůdné požadavky, je velmi obtížné. Čím vyšší je teplosměnná plocha, tím menší tepelné ztráty. Současně se zvětšuje velikost výměníku tepla a objem pracovní tekutiny, která se neúčastní práce. Vzhledem k tomu, že zdroj tepla je umístěn externě, motor pomalu reaguje na změny toku tepla do válce a při startování nemusí okamžitě produkovat požadovaný výkon.

Pro rychlou změnu výkonu motoru se používají metody, které se liší od těch používaných u spalovacích motorů: vyrovnávací nádrž s proměnným objemem, změna průměrného tlaku pracovní tekutiny v komorách, změna fázového úhlu mezi pracovním pístem a vytlačovač. V druhém případě je reakce motoru na zásah řidiče téměř okamžitá.

Výhody.

Stirlingův motor má však výhody, kvůli kterým je nutné jej vyvinout.

„Všežravost“ motoru – stejně jako všechny motory s vnějším spalováním (nebo spíše externí zásobování teplem) může Stirlingův motor pracovat z téměř jakéhokoli teplotního rozdílu: například mezi různými vrstvami oceánu, ze slunce, z jaderné nebo izotopový ohřívač, kamna na uhlí nebo dřevo atd.

Jednoduchost konstrukce - konstrukce motoru je velmi jednoduchá, nevyžaduje další systémy jako je mechanismus distribuce plynu. Startuje se sám a nepotřebuje startér. Jeho vlastnosti umožňují zbavit se převodovky. Jak je však uvedeno výše, má větší spotřebu materiálu.

Zvýšená životnost - jednoduchost konstrukce, absence mnoha „jemných“ jednotek umožňuje Stirlingu poskytovat životnost desítek a stovek tisíc hodin nepřetržitého provozu, bezprecedentní u jiných motorů.

Ekonomické – při přeměně sluneční energie na elektřinu poskytují Stirlingovy motory někdy vyšší účinnost (až 31,25 %) než parní tepelné motory.

Tichý motor - Stirling nemá výfuk, což znamená, že nehlučí. Beta Stirling s kosočtvercovým mechanismem je perfektně vyvážené zařízení a při poměrně vysoké kvalitě zpracování nemá ani vibrace (amplituda vibrací je menší než 0,0038 mm).

Šetrné k životnímu prostředí – Stirling sám o sobě nemá žádné části nebo procesy, které by mohly přispívat ke znečištění životního prostředí. Nespotřebovává pracovní kapalinu. Ekologická šetrnost motoru je dána především šetrností k životnímu prostředí zdroje tepla. Za zmínku také stojí, že zajištění úplného spálení paliva v motoru s vnějším spalováním je jednodušší než v motoru s vnitřním spalováním.

Alternativa k parním strojům.

V 19. století se inženýři snažili vytvořit bezpečnou alternativu k tehdejším parním strojům, protože kotle již vynalezených motorů často explodovaly, neodolaly vysokému tlaku páry a materiálům, které nebyly vůbec vhodné. na jejich výrobu a konstrukci. Stirlingův motor se stal dobrou alternativou, protože dokázal přeměnit jakýkoli teplotní rozdíl na práci. To je základní princip fungování Stirlingova motoru. Neustálé střídání zahřívání a ochlazování pracovní tekutiny v uzavřeném válci uvádí píst do pohybu. Obvykle je pracovní tekutinou vzduch, ale používá se také vodík a helium. Experimenty se ale prováděly i s vodou. Hlavním rysem Stirlingova motoru s kapalnou pracovní kapalinou jsou jeho malé rozměry, vysoký provozní tlak a vysoký měrný výkon. Existuje také Stirling s dvoufázovou pracovní kapalinou. Měrný výkon a provozní tlak v něm jsou také dost vysoké.

Možná si z kurzu fyziky pamatujete, že když se plyn zahřívá, jeho objem se zvětšuje, a když se ochlazuje, zmenšuje se. Právě tato vlastnost plynů je základem činnosti Stirlingova motoru. Stirlingův motor využívá Stirlingův cyklus, který z hlediska termodynamické účinnosti není horší než Carnotův cyklus a v některých ohledech má dokonce výhodu. Carnotův cyklus se skládá z izoterm a adiabatů, které se od sebe jen málo liší. Praktická realizace takového cyklu je složitá a neperspektivní. Stirlingův cyklus umožnil získat prakticky pracující motor v přijatelných rozměrech.

Ve Stirlingově cyklu jsou čtyři fáze, oddělené dvěma přechodovými fázemi: ohřev, expanze, přechod na zdroj chladu, chlazení, komprese a přechod na zdroj tepla. Při přechodu z teplého zdroje na studený se plyn obsažený v láhvi rozpíná a smršťuje. Během tohoto procesu se mění tlak a lze získat užitečnou práci. Užitečná práce vzniká pouze díky procesům probíhajícím při konstantní teplotě, to znamená, že závisí na teplotním rozdílu mezi ohřívačem a chladičem, jako v Carnotově cyklu.

Konfigurace

Inženýři rozdělují Stirlingovy motory do tří různých typů:

Náhled - kliknutím zvětšíte.

Obsahuje dva samostatné výkonové písty v samostatných válcích. Jeden píst je horký, druhý studený. Válec s horkým pístem je ve výměníku tepla s vyšší teplotou a válec se studeným pístem je v chladnějším výměníku tepla. Poměr výkonu k objemu je poměrně vysoký, ale vysoká teplota „horkého“ pístu způsobuje určité technické problémy.

Beta Stirling- je jeden válec, na jednom konci horký a na druhém studený. Uvnitř válce se pohybuje píst (ze kterého je odebírána síla) a „přetlačovač“ a mění objem horké dutiny. Plyn je čerpán ze studené části válce do horké části přes regenerátor. Regenerátor může být externí, jako součást výměníku tepla, nebo může být kombinován s vytlačovacím pístem.

Je zde píst a „přetlačovač“, ale zároveň jsou zde dva válce - jeden je studený (kde se pohybuje píst, ze kterého je odebírána síla) a druhý je na jednom konci horký a na druhém studený ( kde se pohybuje „vytlačovač“). Regenerátor může být externí, v tom případě propojuje horkou část druhého válce se studenou a zároveň s prvním (studeným) válcem. Vnitřní regenerátor je součástí vytlačovače.

Vytlačila jiné typy elektráren, nicméně práce zaměřené na eliminaci používání těchto bloků naznačují brzkou změnu na vedoucích pozicích.

Od počátku technologického pokroku, kdy se teprve začínalo používat motory, které spalovaly palivo uvnitř, nebyla jejich převaha zřejmá. Parní stroj má jako konkurence spoustu výhod: spolu s trakčními parametry je tichý, všežravý, snadno se ovládá a konfiguruje. Ale lehkost, spolehlivost a účinnost umožnily spalovacímu motoru převzít páru.

Dnes jsou v popředí otázky ekologie, účinnosti a bezpečnosti. To nutí inženýry soustředit se na výrobní jednotky poháněné obnovitelnými zdroji paliva. V 16. století zaregistroval Robert Stirling motor poháněný externími zdroji tepla. Inženýři věří, že tato jednotka je schopna nahradit moderního vůdce. Stirlingův motor kombinuje účinnost, spolehlivost, tichý chod, na jakékoli palivo, to z produktu dělá hráče na automobilovém trhu.

Robert Stirling (1790-1878):

Historie Stirlingova motoru

Původně byla instalace vyvinuta tak, aby nahradila stroj poháněný párou. Kotle parních mechanismů explodovaly, když tlak překročil povolené normy. Z tohoto hlediska je Stirling mnohem bezpečnější, pracuje s teplotními rozdíly.

Principem činnosti Stirlingova motoru je střídavě dodávat nebo odebírat teplo z látky, na které se pracuje. Samotná látka je uzavřena v uzavřeném objemu. Roli pracovní látky plní plyny nebo kapaliny. Existují látky, které působí jako dvě složky plyn se přeměňují na kapalinu a naopak. Stirlingův motor s kapalinovým pístem má malé rozměry, je výkonný a vytváří vysoký tlak.

Snížení a zvětšení objemu plynu při ochlazování, respektive ohřevu, potvrzuje zákon termodynamiky, podle kterého všechny složky: stupeň ohřevu, množství prostoru, který látka zabírá, síla působící na jednotku plochy jsou příbuzné a popsané vzorcem:

P*V=n*R*T

• P je síla plynu v motoru na jednotku plochy;
• V – kvantitativní hodnota obsazená plynem v prostoru motoru;
• n – molární množství plynu v motoru;
• R – plynová konstanta;
• T – stupeň ohřevu plynu v motoru K,

Model Stirlingova motoru:

Vzhledem k nenáročnosti instalací se motory dělí na: tuhá paliva, kapalná paliva, solární energie, chemická reakce a další druhy vytápění.

Cyklus

Stirlingův spalovací motor využívá stejný soubor jevů. Efekt probíhajícího působení v mechanismu je vysoký. Díky tomu je možné v běžných rozměrech navrhnout motor s dobrým výkonem.

Je třeba vzít v úvahu, že konstrukce mechanismu zahrnuje ohřívač, lednici a regenerátor, zařízení, které odebírá teplo z látky a vrací teplo ve správný čas.

Ideální Stirlingův cyklus (graf teplota-objem):

Ideální kruhové jevy:

• 1-2 Změna lineárních rozměrů látky s konstantní teplotou;
• 2-3 Odvod tepla z látky do výměníku tepla, prostor, který látka neustále zabírá;
• 3-4 Nucené zmenšení prostoru, který látka zabírá, teplota je konstantní, teplo se přenáší do chladiče;
• 4-1 Nucené zvýšení teploty látky, obsazený prostor je konstantní, teplo je dodáváno z výměníku tepla.

Ideální Stirlingův cyklus (diagram tlak-objem):

Z výpočtu (mol) látky:

Přívod tepla:

Teplo přijaté chladičem:

Tepelný výměník přijímá teplo (proces 2-3), tepelný výměník teplo odevzdává (proces 4-1):

R – Univerzální plynová konstanta;

CV je schopnost ideálního plynu udržet teplo při konstantním množství obsazeného prostoru.

Díky použití regenerátoru zůstává část tepla jako energie mechanismu a nemění se při procházejících kruhových jevech. Chladnička přijímá méně tepla, takže výměník tepla šetří teplo z topení. To zvyšuje efektivitu instalace.

Účinnost kruhového jevu:

ɳ =

Je pozoruhodné, že bez výměníku tepla je možná sada Stirlingových procesů, ale jeho účinnost bude výrazně nižší. Zpětný průchod sadou procesů vede k popisu chladicího mechanismu. V tomto případě je předpokladem přítomnost regenerátoru, protože během průchodu (3-2) není možné ohřát látku z chladiče, jehož teplota je mnohem nižší. Rovněž není možné předat teplo ohřívači (1-4), jehož teplota je vyšší.

Princip činnosti motoru

Abychom pochopili, jak Stirlingův motor funguje, pochopme strukturu a frekvenci jevů jednotky. Mechanismus přeměňuje teplo přijaté z ohřívače umístěného mimo výrobek na sílu působící na tělo. K celému procesu dochází vlivem teplotního rozdílu v pracovní látce umístěné v uzavřeném okruhu.

Princip činnosti mechanismu je založen na expanzi vlivem tepla. Bezprostředně před expanzí se látka v uzavřené smyčce zahřívá. V souladu s tím se látka před lisováním ochladí. Samotný válec (1) je obalený vodním pláštěm (3) a teplo je přiváděno do dna. Píst vykonávající práci (4) je umístěn v objímce a utěsněn kroužky. Mezi pístem a dnem je posuvný mechanismus (2), který má značné mezery a volně se pohybuje. Látka, umístěná v uzavřené smyčce, se díky vytlačovači pohybuje celým objemem komory. Pohyb hmoty je omezen ve dvou směrech: dno pístu, dno válce. Pohyb přestavníku zajišťuje táhlo (5), které prochází pístem a působí díky excentru se zpožděním 90° oproti pohonu pístu.

• Pozice "A":

Píst je umístěn v nejnižší poloze, látka je ochlazována stěnami.

• Pozice "B":

Vytlačovač zaujímá horní polohu, pohybuje se, propouští látku koncovými štěrbinami dolů a ochlazuje se. Píst zůstává nehybný.

• Pozice "C":

Látka přijímá teplo, vlivem tepla zvětšuje svůj objem a zvedá expandér s pístem nahoru. Práce je hotová, načež vytlačovač klesá ke dnu, vytlačuje látku a ochlazuje.

• Pozice "D":

Píst se pohybuje dolů, stlačuje ochlazenou látku a je vykonána užitečná práce. Setrvačník slouží v konstrukci jako akumulátor energie.

Uvažovaný model nemá regenerátor, takže účinnost mechanismu není vysoká. Teplo látky se po ukončení práce přenáší do chladicí kapaliny pomocí stěn. Teplota nestihne klesnout o požadovanou hodnotu, takže se prodlužuje doba chlazení a otáčky motoru jsou nízké.

Typy motorů

Strukturálně existuje několik možností využívajících Stirlingův princip, zvažují se hlavní typy:

Konstrukce využívá dva různé písty umístěné v různých okruzích. První okruh slouží k vytápění, druhý okruh slouží k chlazení. V souladu s tím má každý píst svůj vlastní regenerátor (horký a studený). Zařízení má dobrý poměr výkonu k objemu. Nevýhodou je, že teplota horkého regenerátoru způsobuje konstrukční potíže.

• Motor "β - Stirling":

Konstrukce využívá jeden uzavřený okruh, s různými teplotami na koncích (studená, horká). V dutině je umístěn píst s přetlačovačem. Vytlačovač rozděluje prostor na studenou a horkou zónu. K výměně chladu a tepla dochází čerpáním látky přes výměník tepla. Konstrukčně je tepelný výměník vyroben ve dvou verzích: externí, kombinovaný s vytlačovačem.

• Motor "γ - Stirling":

Pístový mechanismus zahrnuje použití dvou uzavřených okruhů: studeného a s přetlačovačem. Ze studeného pístu se odebírá výkon. Píst s přetlačovačem je na jedné straně horký a na druhé studený. Výměník tepla je umístěn uvnitř i vně konstrukce.

Některé elektrárny nejsou podobné hlavním typům motorů:

• Rotační Stirlingův motor.

Konstrukčně má vynález dva rotory na hřídeli. Díl vykonává rotační pohyby v uzavřeném válcovém prostoru. Je stanoven synergický přístup k provádění cyklu. Tělo obsahuje radiální drážky. Do vybrání se vkládají čepele s určitým profilem. Desky jsou umístěny na rotoru a mohou se pohybovat podél osy, když se mechanismus otáčí. Všechny detaily vytvářejí proměnlivé objemy s jevy, které se v nich odehrávají. Objemy různých rotorů jsou spojeny pomocí kanálů. Umístění kanálů je vzájemně posunuto o 90°. Posun rotorů vůči sobě je 180°.

• Termoakustický Stirlingův motor.

Motor využívá k provádění procesů akustickou rezonanci. Princip je založen na pohybu hmoty mezi horkou a studenou dutinou. Obvod snižuje počet pohyblivých částí, obtížnost odebrání přijímaného výkonu a udržení rezonance. Konstrukce odkazuje na typ motoru s volnými písty.

DIY Stirlingův motor

Dnes poměrně často v internetovém obchodě najdete suvenýry vyrobené ve formě příslušného motoru. Strukturálně a technologicky jsou mechanismy poměrně jednoduché, v případě potřeby lze Stirlingův motor snadno zkonstruovat vlastními rukama z dostupných materiálů. Na internetu najdete velké množství materiálů: videa, výkresy, výpočty a další informace k tomuto tématu.

Nízkoteplotní Stirlingův motor:

• Podívejme se na nejjednodušší verzi vlnového motoru, pro kterou budete potřebovat plechovku, měkkou polyuretanovou pěnu, disk, šrouby a kancelářské sponky. Všechny tyto materiály lze snadno najít doma, zbývá pouze udělat následující:
• Vezměte měkkou polyuretanovou pěnu, z vnitřního průměru plechovky vyřízněte kruh o průměru o dva milimetry menší. Výška pěny je o dva milimetry více než polovina výšky plechovky. Pěnová pryž hraje roli vytlačovače v motoru;
• Vezměte víčko zavařovací sklenice, udělejte uprostřed otvor o průměru dva milimetry. K otvoru připájejte dutou tyč, která bude sloužit jako vodítko pro ojnici motoru;
• Vezměte kruh vyříznutý z pěny, vložte šroub do středu kruhu a zajistěte jej na obou stranách. Připájejte k podložce předem narovnanou kancelářskou sponku;
• Dva centimetry od středu vyvrtejte otvor o průměru tři milimetry, protáhněte vytlačovač středovým otvorem víka, víčko připájejte ke sklenici;
• Z cínu vyrobte váleček o průměru jeden a půl centimetru, připájejte jej k víčku plechovky tak, aby boční otvor víka byl zřetelně vycentrován uvnitř válce motoru;
• Vyrobte klikový hřídel motoru z kancelářské sponky. Výpočet se provádí tak, že rozteč kolen je 90°;
• Udělejte stojan pro klikový hřídel motoru. Vytvořte elastickou membránu z polyetylenové fólie, nasaďte fólii na válec, protlačte ji, zafixujte;

• Vyrobte si vlastní ojnici motoru, jeden konec narovnaného výrobku ohněte do tvaru kruhu, druhý konec vložte do kousku gumy. Délka se nastavuje tak, že v nejnižším bodě hřídele je membrána stažena a v nejvyšším bodě je membrána co nejvíce vysunuta. Nastavte druhou ojnici stejným principem;
• Ojnici motoru přilepte gumovou špičkou k membráně. Připevněte ojnici bez pryžového hrotu k přestavníku;
• Umístěte kotoučový setrvačník na klikový mechanismus motoru. Připevněte k dóze nohy, abyste produkt nedrželi v rukou. Výška nožiček umožňuje umístit svíčku pod zavařovací sklenici.

Poté, co bylo možné vyrobit Stirlingův motor doma, je motor nastartován. Chcete-li to provést, umístěte pod sklenici zapálenou svíčku a poté, co se sklenice zahřeje, zatlačte na setrvačník.

Uvažovanou možnost instalace lze rychle sestavit doma jako vizuální pomůcku. Pokud si stanovíte cíl a přejete si vyrobit Stirlingův motor co nejblíže továrním analogům, výkresy všech dílů jsou volně dostupné. Postupné provádění každého uzlu vám umožní vytvořit pracovní rozložení, které není horší než komerční verze.

Výhody

Stirlingův motor má následující výhody:

• Aby motor fungoval, není důležitý rozdíl teplot;
• Není třeba používat nástavce a pomocná zařízení, konstrukce motoru je jednoduchá a spolehlivá;
• Životnost motoru, vzhledem k jeho konstrukčním vlastnostem, je 100 000 hodin provozu;
• Provoz motoru nevytváří cizí hluk, protože nedochází k detonaci;
• Provoz motoru není doprovázen emisí odpadních látek;
• Provoz motoru je doprovázen minimálními vibracemi;
• Procesy v lahvích instalace jsou šetrné k životnímu prostředí. Použití správného zdroje tepla udrží váš motor čistý.

Nedostatky

Mezi nevýhody Stirlingova motoru patří:

• Je obtížné zavést hromadnou výrobu, protože konstrukce motoru vyžaduje použití velkého množství materiálů;
• Vysoká hmotnost a velké rozměry motoru, protože pro efektivní chlazení je nutné použít velký chladič;
• Pro zvýšení účinnosti je motor posílen pomocí komplexních látek (vodík, helium) jako pracovní kapaliny, což činí provoz jednotky nebezpečným;
• Vysokoteplotní odolnost ocelových slitin a jejich tepelná vodivost komplikuje proces výroby motoru. Významné tepelné ztráty ve výměníku snižují účinnost agregátu a použití specifických materiálů zdražuje výrobu motoru;
• K seřízení a přepnutí motoru z režimu do režimu je třeba použít speciální ovládací zařízení.

Používání

Stirlingův motor si našel své místo a aktivně se používá tam, kde jsou důležitým kritériem velikost a všežravost:

• Stirlingův motor – elektrický generátor.

Mechanismus přeměny tepla na elektrickou energii. Často existují produkty používané jako přenosné turistické generátory, zařízení pro využití solární energie.

• Motor je jako čerpadlo (elektrika).

Motor se používá pro instalaci do okruhu topných systémů, šetří elektrickou energii.

• Motor je jako čerpadlo (topení).

V zemích s teplým klimatem se motor používá jako prostorové topení.

Stirlingův motor na ponorce:

• Motor je jako čerpadlo (chladič).

Téměř všechny chladničky využívají ve svém návrhu tepelná čerpadla; instalací Stirlingova motoru se ušetří zdroje.

• Motor je jako čerpadlo a vytváří extrémně nízké stupně zahřívání.

Zařízení se používá jako lednička. K tomu je proces spuštěn v opačném směru. Jednotky zkapalňují plyn a chladí měřicí prvky v přesných mechanismech.

• Motor pro podvodní zařízení.

Ponorky Švédska a Japonska jsou poháněny motory.

Stirlingův motor jako solární zařízení:

• Motor je jako akumulátor energie.

Jako zdroj energie se v takových jednotkách používá palivo, roztavená sůl a motor. Zásoby energie motoru jsou před chemickými prvky.

• Solární motor.

Přeměňuje sluneční energii na elektřinu. Látkou je v tomto případě vodík nebo helium. Motor je umístěn v ohnisku maximální koncentrace sluneční energie vytvořené pomocí parabolické antény.

Moderní spalovací motor i přes svůj vysoký výkon začíná zastarávat. Jeho účinnost snad dosáhla svého limitu. Hluk, vibrace, plyny otravující vzduch a další inherentní nevýhody nutí vědce hledat nová řešení a přehodnocovat možnosti dávno zapomenutých cyklů. Jedním z „oživených“ motorů je Stirling.

Již v roce 1816 si skotský kněz a vědec Robert Stirling nechal patentovat motor, ve kterém palivo a vzduch vstupující do spalovací zóny nikdy nevstoupí do válce. Když hoří, ohřívají v něm pouze pracovní plyn. To vedlo k tomu, že Stirlingův vynález nazval motor s vnějším spalováním.

Robert Stirling postavil několik motorů; poslední z nich měl výkon 45 koní. S. a více než tři roky (do roku 1847) pracoval v dole v Anglii. Tyto motory byly velmi těžké, zabíraly hodně místa a vypadaly jako parní stroje.

Motory s vnějším spalováním poprvé použil pro navigaci v roce 1851 Švéd John Erikson. Loď Erickson, kterou postavil, bezpečně přeplula Atlantický oceán z Ameriky do Anglie s elektrárnou sestávající ze čtyř motorů s vnějším spalováním. V době parních strojů to byla senzace. Ericksonova elektrárna však vyvinula pouze 300 koní. s., a ne 1000, jak se očekávalo. Motory byly obrovské (průměr válce 4,2 m, zdvih pístu 1,8 m). Spotřeba uhlí nebyla menší než spotřeba parních strojů. Když loď dorazila do Anglie, ukázalo se, že motory nejsou vhodné pro další provoz, protože jejich dna válců byla spálená. Pro návrat do Ameriky musely být motory nahrazeny klasickým parním strojem. Na zpáteční cestě loď potkala nehoda a potopila se i s celou posádkou.

Na konci minulého století byly motory s vnějším spalováním s nízkým výkonem používány v domech pro čerpání vody, v tiskárnách, v průmyslových podnicích, včetně závodu na Nobelovu cenu v Petrohradě (nyní ruský Diesel). lodí. Stirlingy se vyráběly v mnoha zemích, včetně Ruska, kde se jim říkalo „teplo a síla“. Byly ceněny pro svou nehlučnost a bezpečnost provozu, což je příznivě odlišovalo od parních strojů.

S vývojem spalovacích motorů se na Stirlingy zapomnělo. V encyklopedickém slovníku Brokgauera a Efrona se o nich píše: „Bezpečnost před výbuchy je hlavním výhodným aspektem kalorických strojů, díky kterému se mohou znovu použít, pokud se pro jejich konstrukci a mazání najdou nové materiály, které mohou lépe odolávat vysokým teplotám."

Problémem však nebyl jen nedostatek relevantních materiálů. Moderní principy termodynamiky stále zůstávaly neznámé, zejména ekvivalence tepla a práce, bez níž nebylo možné určit nejpříznivější poměry hlavních prvků motoru. Výměníky tepla byly vyrobeny s malou plochou, proto motory pracovaly při příliš vysokých teplotách a rychle selhávaly.

Pokusy vylepšit Stirling byly učiněny po druhé světové válce. Nejvýznamnější z nich byly, že se pracovní plyn začal používat stlačený na 100 atm a nepoužívat vzduch, ale vodík, který má vyšší koeficient tepelné vodivosti, nízkou viskozitu a navíc neoxiduje maziva.

Konstrukce motoru s vnějším spalováním v jeho moderní podobě je schematicky znázorněna na Obr. 1. Ve válci jsou na jedné straně uzavřené dva písty. Horní píst-přetlačovač slouží k urychlení procesu periodického ohřevu a chlazení pracovního plynu. Jedná se o dutý uzavřený válec z nerezové oceli, který špatně vede teplo a pohybuje se působením tyče spojené s klikovým mechanismem.

Spodní píst je pracovní (na obrázku je znázorněn v řezu). Přenáší sílu na klikový mechanismus dutou tyčí, uvnitř které prochází tyč přesuvníku. Pracovní píst je opatřen těsnicími kroužky.

Pod pracovním pístem se nachází vyrovnávací nádrž, která tvoří polštář, který plní funkci setrvačníku - vyrovnává nerovnoměrnost točivého momentu tím, že část energie odebírá při pracovním zdvihu a při kompresním zdvihu ji dodává na hřídel motoru. K izolaci objemu válce od okolního prostoru se používají těsnění typu „roll-up stocking“. Jedná se o gumové trubky připevněné jedním koncem k tyči a druhým k tělu.

Horní část válce je v kontaktu s ohřívačem a spodní část je v kontaktu s chladničkou. V souladu s tím obsahuje „horké“ a „studené“ objemy, které spolu volně komunikují potrubím, ve kterém je umístěn regenerátor (výměník tepla). Regenerátor je vyplněn spleťí drátu malého průměru (0,2 mm) a má vysokou tepelnou kapacitu (např. účinnost regenerátorů Filipe přesahuje 95 %).

Pracovní proces Stirlingova motoru lze provádět bez přeháněče na základě použití cívkového rozdělovače pracovní náplně.

Ve spodní části motoru je klikový mechanismus, který slouží k převodu vratného pohybu pístu na rotační pohyb hřídele. Zvláštností tohoto mechanismu je přítomnost dvou klikových hřídelí spojených dvěma ozubenými koly se spirálovými zuby rotujícími k sobě. Výtlačná tyč je spojena s klikovými hřídeli pomocí spodního vahadla a vlečených ojnic. Pracovní pístnice je spojena s klikovými hřídeli přes horní vahadlo a vlečené ojnice. Systém identických ojnic tvoří pohyblivý deformovatelný kosočtverec, odtud název tohoto převodu - kosočtverec. Kosočtverečné ozubení zajišťuje potřebný fázový posun při pohybu pístů. Je zcela vyvážený a na pístnice nepůsobí žádné boční síly.

V prostoru vymezeném pracovním pístem se nachází pracovní plyn – vodík nebo helium. Celkový objem plynu ve válci nezávisí na poloze vytlačovače. Pohybem pracovního pístu dochází k objemovým změnám spojeným se stlačováním a expanzí pracovního plynu.

Při běžícím motoru se vršek válce neustále zahřívá, například od spalovacího prostoru, do kterého se vstřikuje kapalné palivo. Spodní část válce je neustále chlazena, například studenou vodou čerpanou přes vodní plášť obklopující válec. Uzavřený Stirlingův cyklus se skládá ze čtyř cyklů, znázorněných na Obr. 2.

Zdvih I - chlazení. Pracovní píst je v nejnižší poloze, přestavník se pohybuje nahoru. V tomto případě proudí pracovní plyn z „horkého“ objemu nad vytlačovačem do „studeného“ objemu pod ním. Pracovní plyn, který prochází regenerátorem, mu předává část svého tepla a poté se ochladí ve „studeném“ objemu.

Bar II - komprese. Přetlačovač zůstává v horní poloze, pracovní píst se pohybuje nahoru a stlačuje pracovní plyn při nízké teplotě.

Krok III - ohřev. Pracovní píst je v horní poloze, přestavník se pohybuje dolů. V tomto případě stlačený studený pracovní plyn proudí zpod vytlačovače do uvolněného prostoru nad ním. Pracovní plyn na cestě prochází regenerátorem, kde se předehřívá, vstupuje do „horké“ dutiny válce a ještě více se zahřívá.

Zdvih IV - expanze (silový zdvih). Při zahřátí se pracovní plyn rozpíná, posunuje přetlačovač a spolu s ním i pracovní píst dolů. Dělá se užitečná práce.

Stirling má uzavřený válec. Na Obr. 3 je znázorněno schéma teoretického cyklu (diagram V - P). Na vodorovné ose jsou objemy válce a na svislé ose tlak ve válci. První zdvih je izotermický I-II, druhý nastává při konstantním objemu II-III, třetí je izotermický III-IV, čtvrtý při konstantním objemu IV-I. Protože tlak během expanze horkého plynu (III-IV) je větší než tlak během stlačení studeného plynu (I-II), je expanzní práce větší než kompresní práce. Užitečná práce cyklu může být graficky znázorněna jako křivočarý čtyřúhelník I-II-III-IV.

Ve skutečném procesu se píst a přetlačovač pohybují nepřetržitě, protože jsou spojeny s klikovým mechanismem, proto je schéma skutečného cyklu zaokrouhleno (obr. 3, b).

Teoretická účinnost Stirlingova motoru je 70 %. Výzkum ukázal, že v praxi je možné dosáhnout účinnosti 50 %. To je výrazně více než u nejlepších plynových turbín (28 %), benzínových motorů (30 %) a naftových motorů (40 %).

Stirling může jezdit na benzín, petrolej, naftu, plynná a dokonce i pevná paliva. Oproti jiným motorům má měkčí a téměř tichý chod. To je vysvětleno nízkým kompresním poměrem (1,3÷1,5), navíc tlak ve válci roste plynule a ne explozivně. Produkty spalování se také uvolňují bez hluku, protože spalování probíhá nepřetržitě. Obsahují relativně málo toxických složek, protože spalování paliva probíhá nepřetržitě a se stálým přebytkem kyslíku (α = 1,3).

Stirling s kosočtvercovým převodem je zcela vyvážený, nedochází v něm k vibracím. Zejména tuto kvalitu vzali v potaz američtí inženýři, kteří na umělou družici Země nainstalovali jednoválcový stirling, kde i nepatrné vibrace a nevyváženost mohou vést ke ztrátě orientace.

Jedním z problematických problémů zůstává chlazení. Ve Stirlingu je pouze 9 % tepla přijatého z paliva odváděno výfukovými plyny, proto by například při instalaci na automobil bylo nutné vyrobit chladič přibližně 2,5krát větší než při použití benzínového motoru o stejnou moc. Problém se snáze řeší v lodních instalacích, kde efektivní chlazení zajišťuje neomezené množství mořské vody.

Na Obr. Obrázek 4 ukazuje řez dvouválcovým lodním motorem Philips o výkonu 115 koní. S. při 3000 ot./min s horizontálními válci. Celkový pracovní objem každého válce je 263 cm3. Protilehlé písty jsou spojeny se dvěma traverzami, což umožnilo zcela vyrovnat síly plynu a obejít se bez vyrovnávacích objemů. Topidlo je vyrobeno z trubek obklopujících spalovací komoru, kterou prochází pracovní plyn. Chladič je trubková chladnička, přes kterou se čerpá mořská voda. Motor má dva klikové hřídele spojené s kardanovým hřídelem přes šneková kola. Výška motoru je pouze 500 mm, což umožňuje jeho instalaci pod palubu a tím zmenšení motorového prostoru.

Stirlingův výkon je regulován především změnou tlaku pracovního plynu. Současně, aby byla udržována konstantní teplota ohřívače, je regulována i dodávka paliva. Pro spalovací motor je vhodný téměř každý zdroj tepla. Důležité je, že dokáže přeměnit nízkoteplotní energii na užitečnou práci, které spalovací motory nejsou schopny. Z křivky na Obr. 5 je vidět, že při teplotě ohřívače pouhých 350 °C je Stirlingova účinnost stále ≈ 20 %.

Stirling je ekonomický – jeho měrná spotřeba paliva je pouze 150 g/l. S. hodina. V elektrárně se „stirlingovým motorem-akumulátorem tepla“ používané na amerických družicích je tepelným akumulátorem lithiumhydrit, který během „osvětlení“ pohlcuje teplo a uvolňuje ho stirlingovi, když je satelit na stinné straně Země. Na satelitu motor pohání generátor o výkonu 3 kW při 2400 ot./min.

Byl vytvořen experimentální skútr se Stirlingem a tepelným akumulátorem. Použití tepelného a stirlingového akumulátoru na ponorce umožňuje několikanásobně delší cestování v ponořené poloze.

Literatura

• 1. Motory s vnějším spalováním Smirnov G.V. "Znalosti", M., 1967.
• 2.Dr. Ir. R. I. Meijer. Der Philips - Stirlingmotor, MTZ, N 7, 1968.
• 3. Curtis Anthony. Horký vzduch a vítr změn. Stirlingův motor a jeho oživení. Motor (Angl.), 1969, (135), N 3488.

Zhruba před sto lety si spalovací motory musely vybojovat místo, které zaujímají v moderním automobilovém průmyslu, v tvrdé konkurenci. Tehdy jejich převaha nebyla zdaleka tak zřejmá jako dnes. Parní stroj - hlavní rival benzinového motoru - měl ve srovnání s ním obrovské výhody: bezhlučnost, snadné ovládání výkonu, vynikající trakční vlastnosti a úžasnou „všežravost“, což mu umožnilo pracovat na jakémkoli druhu paliva od dřeva po benzín. Účinnost, lehkost a spolehlivost spalovacích motorů ale nakonec zvítězila a donutila nás smířit se s jejich nedostatky jako nevyhnutelné.
V 50. letech, s nástupem plynových turbín a rotačních motorů, začal útok na monopolní postavení, které zaujímaly spalovací motory v automobilovém průmyslu, útok, který dosud nebyl úspěšný. Přibližně ve stejných letech byly učiněny pokusy uvést na scénu nový motor, který úžasně spojoval účinnost a spolehlivost benzinového motoru s nehlučností a „všežravostí“ parního zařízení. Jedná se o slavný motor s vnějším spalováním, který si skotský kněz Robert Stirling nechal patentovat 27. září 1816 (anglický patent č. 4081).

Fyzika procesu

Princip činnosti všech tepelných motorů bez výjimky je založen na tom, že při expanzi zahřátého plynu je vykonáno více mechanické práce, než je potřeba ke stlačení studeného. K demonstraci toho, co potřebujete, je láhev a dvě pánve s horkou a studenou vodou. Nejprve se láhev ponoří do ledové vody, a když se vzduch v ní ochladí, hrdlo se ucpe zátkou a rychle se přenese do horké vody. Po několika sekundách se ozve prasknutí a plyn zahřátý v láhvi vytlačí uzávěr ven a provede mechanickou práci. Láhev lze vrátit do ledové vody a cyklus se bude opakovat.
válce, písty a složité páky prvního Stirlingova stroje reprodukovaly tento proces téměř přesně, dokud vynálezce nezjistil, že část tepla odebraného z plynu během chlazení lze využít k částečnému ohřevu. Potřebujeme jen nějakou nádobu, ve které se teplo odebrané plynu při ochlazování uloží a při zahřátí se mu vrátí.
Ale bohužel ani toto velmi důležité vylepšení Stirlingův motor nezachránilo. V roce 1885 byly zde dosažené výsledky velmi průměrné: účinnost 5-7 procent, 2 litry. S. výkon, 4 tuny hmotnosti a 21 kubíků obsazeného prostoru.
Motory s vnějším spalováním nezachránil ani úspěch další konstrukce vyvinuté švédským inženýrem Ericssonem. Na rozdíl od Stirlinga navrhoval ohřívání a chlazení plynu nikoli při konstantním objemu, ale při konstantním tlaku. 8 V roce 1887 několik tisíc malých motorů Erickson perfektně fungovalo v tiskárnách, v domech, v dolech a na lodích. Naplnili vodní nádrže a zprovoznili výtahy. Erickson se je dokonce pokusil upravit pro pohon kočárů, ale ukázalo se, že jsou příliš těžké. V Rusku se před revolucí vyrábělo velké množství takových motorů pod názvem „Heat and Power“.

Ekologie spotřeby Věda a technika: Stirlingův motor se nejčastěji používá v situacích, kdy je požadován přístroj na přeměnu tepelné energie, vyznačující se jednoduchostí a účinností.

Před necelými sto lety se spalovací motory snažily získat své právoplatné místo v konkurenci mezi ostatními dostupnými stroji a pohyblivými mechanismy. Navíc v té době nebyla převaha benzínového motoru tak zřejmá. Stávající stroje poháněné parními stroji se vyznačovaly svou tichostí, vynikajícími výkonovými charakteristikami na tehdejší dobu, snadnou údržbou a schopností používat různé druhy paliva. V dalším boji o trh získaly spalovací motory svou účinností, spolehlivostí a jednoduchostí navrch.

Další závody ve zdokonalování agregátů a hnacích mechanismů, do kterých plynové turbíny a rotační typy motorů vstoupily v polovině 20. století, vedly k tomu, že i přes převahu benzínového motoru byly činěny pokusy o zavedení zcela nového typu motor na „hrací pole“ - termální, poprvé vynalezený již v roce 1861 skotským knězem jménem Robert Stirling. Motor dostal jméno svého tvůrce.

STIRLING MOTOR: FYZICKÁ STRÁNKA PROBLÉMU

Chcete-li porozumět tomu, jak funguje stolní Stirlingova elektrárna, musíte porozumět obecným principům fungování tepelných motorů. Fyzikálně je principem činnosti využití mechanické energie, která se získává při expanzi plynu při zahřátí a jeho následném stlačení při ochlazení. Pro demonstraci principu fungování můžeme uvést příklad založený na obyčejné plastové láhvi a dvou pánvích, z nichž jedna obsahuje studenou vodu, druhá horkou.

Při spouštění do studené vody, jejíž teplota se blíží teplotě tvorby ledu a vzduch uvnitř plastové nádoby je dostatečně ochlazený, by měla být uzavřena zátkou. Dále, když se láhev vloží do vroucí vody, po nějaké době korek „vystřelí“ silou, protože v tomto případě ohřátý vzduch vykonal mnohonásobně větší práci než při chlazení. Pokud se experiment opakuje mnohokrát, výsledek se nezmění.

První stroje, které byly postaveny pomocí Stirlingova motoru, přesně reprodukovaly proces demonstrovaný v experimentu. Mechanismus přirozeně vyžadoval vylepšení, které spočívalo ve využití části tepla, které plyn ztratil během procesu chlazení, k dalšímu ohřevu, což umožnilo vrátit teplo do plynu pro urychlení ohřevu.

Ale ani použití této inovace nemohlo situaci zachránit, protože první Stirlingy byly velké velikosti a měly nízký výkon. Následně byly provedeny více než jednou pokusy o modernizaci konstrukce pro dosažení výkonu 250 koní. vedlo k tomu, že v přítomnosti válce o průměru 4,2 metru byl skutečný výkon vyrobený Stirlingovou elektrárnou 183 kW ve skutečnosti pouze 73 kW.

Všechny Stirlingovy motory pracují na principu Stirlingova cyklu, který zahrnuje čtyři hlavní fáze a dvě mezilehlé fáze. Mezi hlavní patří ohřev, expanze, chlazení a komprese. Za přechodový stupeň se považuje přechod na generátor chladu a přechod na topné těleso. Užitečná práce motoru je založena výhradně na teplotním rozdílu mezi topnou a chladicí částí.

MODERNÍ STIRLINGOVÉ KONFIGURACE

Moderní inženýrství rozlišuje tři hlavní typy takových motorů:

• alfa stirling, jehož rozdílem jsou dva aktivní písty umístěné v nezávislých válcích. Ze všech tří možností má tento model nejvyšší výkon s nejvyšší teplotou vyhřívacího pístu;
• beta stirling, založený na jednom válci, jehož jedna část je horká a druhá studená;
• Gamma Stirling, která má kromě pístu i vytlačovač.

Výroba Stirlingovy elektrárny bude záviset na volbě modelu motoru, který zohlední všechny pozitivní i negativní stránky takového projektu.

VÝHODY A NEVÝHODY

Vzhledem ke svým konstrukčním vlastnostem mají tyto motory řadu výhod, ale nejsou bez nevýhod.

Stolní elektrárna Stirling, kterou nelze zakoupit v obchodě, ale pouze od nadšenců, kteří tato zařízení samostatně sestavují, zahrnuje:

• velké velikosti, které jsou způsobeny potřebou neustálého chlazení pracovního pístu;
• použití vysokého tlaku, který je nutný ke zlepšení výkonu a výkonu motoru;
• tepelné ztráty, ke kterým dochází v důsledku skutečnosti, že generované teplo není přenášeno do samotné pracovní tekutiny, ale prostřednictvím systému výměníků tepla, jejichž ohřev vede ke ztrátě účinnosti;
• prudké snížení výkonu vyžaduje použití speciálních principů, které se liší od těch tradičních pro benzínové motory.

Spolu s nevýhodami mají elektrárny pracující na Stirlingových jednotkách nepopiratelné výhody:

• jakýkoli typ paliva, protože jako každý motor využívající tepelnou energii je tento motor schopen pracovat při teplotním rozdílu jakéhokoli prostředí;
• účinnost. Tato zařízení mohou být výbornou náhradou za parní jednotky v případech, kdy je potřeba zpracovávat solární energii, poskytující účinnost o 30 % vyšší;
• environmentální bezpečnost. Protože stolní elektrárna kW nevytváří výfukový moment, neprodukuje hluk a nevypouští škodlivé látky do atmosféry. Zdrojem energie je obyčejné teplo a palivo téměř úplně vyhoří;
• konstrukční jednoduchost. Pro svou práci Stirling nebude vyžadovat další díly nebo zařízení. Je schopen samostatně startovat bez použití startéru;
• zvýšený výkonový zdroj. Díky své jednoduchosti dokáže motor zajistit stovky hodin nepřetržitého provozu.

OBLASTI POUŽITÍ STIRLINGOVÝCH MOTORŮ

Stirlingův motor se nejčastěji používá v situacích, kdy je požadováno zařízení na přeměnu tepelné energie, které je jednoduché, přičemž účinnost jiných typů tepelných jednotek je za podobných podmínek výrazně nižší. Velmi často se takové jednotky používají k napájení čerpacích zařízení, ledniček, ponorek a akumulátorů energie.

Jednou z perspektivních oblastí pro využití Stirlingových motorů jsou solární elektrárny, protože tuto jednotku lze s úspěchem využít k přeměně energie slunečních paprsků na elektrickou energii. K provedení tohoto procesu je motor umístěn v ohnisku zrcadla, které akumuluje sluneční paprsky, což zajišťuje trvalé osvětlení prostoru vyžadujícího vytápění. To umožňuje soustředit solární energii na malou plochu. Palivem pro motor je v tomto případě helium nebo vodík. zveřejněno