Jaké jsou tedy výzvy výroby vysoce účinného Stirlingova motoru? Stirlingův motor (1 GIF).

Před méně než sto lety motory s vnitřním spalováním se snažily vybojovat své právoplatné místo v konkurenci mezi ostatními dostupnými stroji a pohyblivými mechanismy. Zároveň v té době nebyla nadřazenost benzínového motoru tak zřejmá. Stávající stroje na parních strojích se vyznačovaly bezhlučností, vynikajícími výkonovými charakteristikami na tu dobu, snadnou údržbou, možností použití jiný druh palivo. V dalším boji o trh se prosadily spalovací motory svou účinností, spolehlivostí a jednoduchostí.

Další závod ve zdokonalování agregátů a hnacích mechanismů, do kterého vstoupila polovina 20. století plynové turbíny a rotačních motorů, vedly k tomu, že navzdory nadřazenosti benzínového motoru byly učiněny pokusy zavést na „hřiště“ zcela nový typ motoru - tepelný, poprvé vynalezený již v roce 1861 skotským knězem Robertem. Stirlingová. Motor byl pojmenován po svém tvůrci.

Stirlingův motor: fyzická stránka problému

Abychom pochopili, jak to funguje stolní elektrárna ve Stirlingu, je třeba chápat obecná informace o principech činnosti tepelných strojů. Fyzikálně je principem činnosti využití mechanické energie, která se získává expanzí plynu při ohřevu a jeho následným stlačením při ochlazování. Pro demonstraci principu fungování lze uvést příklad na základě obyčejné plastové láhve a dvou hrnců, z nichž jeden obsahuje studenou vodu, druhý horkou.

Při spouštění do studené vody, jejíž teplota se blíží teplotě tvorby ledu, při dostatečném ochlazení vzduchu uvnitř plastové nádoby by měla být uzavřena zátkou. Dále, když se láhev vloží do vroucí vody, po chvíli korek „vystřelí“ silou, protože v tento případ Práce, kterou vykoná ohřátý vzduch, je mnohonásobně větší než práce, kterou vykoná vzduch chladicí. Když se experiment mnohokrát opakuje, výsledek se nezmění.

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

Ale ani aplikace této inovace nemohla zachránit situaci, protože první Stirlingy byly velké velikosti s nízkým výkonem. V budoucnu byly provedeny více než jednou pokusy o modernizaci designu, aby bylo dosaženo výkonu 250 koní. vedlo k tomu, že v přítomnosti válce o průměru 4,2 metru byl skutečný výstupní výkon, který Stirlingova elektrárna o výkonu 183 kW byla 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. Jako přechodový stupeň je uvažován přechod na generátor chladu a přechod na topné těleso. Užitečná práce motoru je založena výhradně na teplotním rozdílu mezi topnou a chladicí částí.

Moderní Stirlingovy konfigurace

Moderní inženýrství rozlišuje tři hlavní typy takových motorů:

• alfa stirling, jehož rozdíl je ve dvou aktivních pístech umístěných v nezávislých válcích. Ze všech tří možností tento model se nejvíce liší vysoký výkon s nejvyšší teplotou topného pístu;
• beta stirling, založený na jednom válci, jehož jedna část je horká a druhá studená;
• gama-stirling, který má kromě pístu i vytlačovač.

Výroba Stirlingovy elektrárny bude záviset na volbě modelu motoru, který zohlední všechna pozitivní a negativní stránky podobný projekt.

Výhody a nevýhody

Díky jejich Designové vlastnosti Tyto motory mají řadu výhod, ale nejsou bez nevýhod.

Stirlingova stolní elektrárna, která je v obchodě nemožná, ale pouze od amatérů, kteří nezávisle sbírají taková zařízení, zahrnují:

• 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 vytvořené teplo není předáváno sobě pracovní orgán, ale prostřednictvím systému výměníků tepla, jejichž ohřev vede ke ztrátě účinnosti;
• prudký pokles výkon 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 druh paliva, protože jako každý motor využívající tepelnou energii, tento motor schopné fungovat při teplotním rozdílu jakéhokoli prostředí;
• ekonomika. Tato zařízení mohou být výbornou náhradou za parní jednotky v případech, kdy je potřeba zpracovávat solární energii, přičemž faktor účinnosti je o 30 % vyšší;
• environmentální bezpečnost. Protože stolní elektrárna kW nevytváří výfukový moment, neprodukuje hluk a nevypouští škodlivé látky do atmosféry. Obyčejné teplo funguje jako zdroj energie a palivo téměř úplně shoří;
• konstruktivní jednoduchost. Pro svou práci Stirling nebude vyžadovat další díly nebo přípravky. Je schopen samostatně startovat bez použití startéru;
• zvýšený zdroj pracovní kapacity. Díky své jednoduchosti dokáže motor zajistit více než sto hodin nepřetržitého provozu.

Aplikace pro Stirlingovy motory

Stirlingův motor se nejčastěji používá v situacích, kdy je potřeba aparatura na přeměnu tepelné energie, která je jednoduchá, zatímco účinnost jiných typů tepelných jednotek je za podobných podmínek výrazně nižší. Velmi často se takové jednotky používají při napájení čerpacích zařízení, ledniček, ponorek, baterií, které ukládají energii.

Video materiál: YouTube.com/watch?v=fRY6rkuw3LA

Jednou z perspektivních oblastí využití Stirlingových motorů jsou solární elektrárny, protože tuto jednotku lze úspěšně využít k přeměně energie slunečního světla 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 vám umožní soustředit sluneční energii na malou plochu. Palivem pro motor je v tomto případě helium nebo vodík.

Moderní automobilový průmysl dosáhl úrovně rozvoje, ve které bez zásadních vědecký výzkum je téměř nemožné dosáhnout dramatických zlepšení v konstrukci tradičních spalovacích motorů. Tato situace nutí designéry věnovat pozornost alternativní návrhy elektráren. Některá inženýrská centra zaměřila své úsilí na vytvoření a přizpůsobení sériové výrobě hybridních a elektrické modely, další automobilky investují do vývoje motorů poháněných obnovitelnými zdroji (například bionafta s řepkovým olejem). Existují další projekty pohonných jednotek, které se v budoucnu mohou stát novým standardním pohonem Vozidlo.

Mezi možné zdroje mechanické energie pro automobily budoucnosti patří motor vnější spalování, který byl vynalezen v polovině 19. století Skotem Robertem Stirlingem jako tepelný expanzní stroj.

Schéma práce

Stirlingův motor přeměňuje tepelnou energii dodávanou zvenčí na užitečnou mechanická práce za cenu změny teploty pracovní tekutiny(plyn nebo kapalina) cirkulující v uzavřeném objemu.

V obecný pohled schéma činnosti zařízení je následující: ve spodní části motoru se pracovní látka (například vzduch) ohřívá a při zvětšování objemu tlačí píst nahoru. Horký vzduch vstupuje do horní části motoru, kde je ochlazen chladičem. Sníží se tlak pracovní tekutiny, píst se sníží pro další cyklus. V tomto případě je systém utěsněn a pracovní látka se nespotřebovává, ale pouze se pohybuje uvnitř válce.

Existuje několik možností konstrukce pohonných jednotek využívajících Stirlingův princip.

Stirlingova modifikace "Alpha"

Motor se skládá ze dvou samostatných výkonových pístů (horký a studený), z nichž každý je umístěn ve vlastním válci. Teplo je dodáváno do válce s horkým pístem a studený válec je umístěn v chladicím výměníku tepla.

Stirlingova modifikace "Beta"

Válec obsahující píst je na jedné straně ohříván a na druhé ochlazen. Ve válci se pohybuje silový píst a přetlačovač, určený ke změně objemu pracovního plynu. Zpětný pohyb ochlazené pracovní látky do horké dutiny motoru vykonává regenerátor.

Stirlingova modifikace "Gamma"

Konstrukce se skládá ze dvou válců. První je zcela studený, ve kterém se pohybuje hnací píst, a druhý, na jedné straně horký a na druhé studený, slouží k pohybu přetlačovače. Regenerátor pro cirkulaci studeného plynu může být společný pro oba válce nebo může být součástí konstrukce vytlačovače.

Výhody Stirlingova motoru

Stejně jako většina motorů s vnějším spalováním je Stirling neodmyslitelný vícepalivové: motor běží na rozdíl teplot, bez ohledu na důvody, které to způsobily.

Zajímavý fakt! Jednou bylo předvedeno zařízení, které fungovalo s dvaceti variantami paliva. Bez zastavení motoru byl do vnější spalovací komory přiváděn benzín, nafta, metan, ropa a rostlinný olej - pohonná jednotka nadále pracovala stabilně.

Motor má jednoduchost designu a nevyžaduje doplňkové systémy A přílohy(rozvod, startér, převodovka).

Vlastnosti zařízení zaručují dlouhou životnost: více než sto tisíc hodin nepřetržitá práce.

Stirlingův motor je tichý, protože ve válcích nedochází k detonaci a není potřeba odstraňovat výfukové plyny. Modifikace "Beta", vybavená kosočtvercovým klikovým mechanismem, je dokonale vyvážený systém, který během provozu nemá vibrace.

Ve válcích motoru neprobíhají žádné procesy, které by mohly mít negativní dopad na životní prostředí. Výběrem vhodného zdroje tepla (např. solární energie) může být Stirling absolutně přátelský k životnímu prostředí pohonná jednotka.

Nevýhody Stirlingova designu

Se vším všudy pozitivní vlastnosti okamžité hromadné použití Stirlingových motorů je nemožné kvůli následující důvody:

Hlavní problém spočívá ve spotřebě materiálu konstrukce. Chlazení pracovní tekutiny vyžaduje přítomnost velkoobjemových radiátorů, což výrazně zvyšuje velikost a spotřebu kovu instalace.

Současná technologická úroveň umožní Stirlingovu motoru srovnání ve výkonu s moderním benzinové motory pouze díky použití složitých typů pracovních kapalin (helium nebo vodík) pod tlakem více než sto atmosfér. Tato skutečnost vyvolává vážné otázky jak v oblasti materiálové vědy, tak v oblasti bezpečnosti uživatelů.

Důležitý provozní problém souvisí s problematikou tepelné vodivosti a teplotní odolnosti kovů. Teplo je dodáváno do pracovního objemu prostřednictvím výměníků tepla, což vede k nevyhnutelným ztrátám. Kromě toho musí být výměník tepla vyroben z tepelně odolných kovů, které jsou odolné vůči vysokému tlaku. Vhodné materiály velmi drahé a obtížně zpracovatelné.

Principy změny režimů Stirlingova motoru se také zásadně liší od tradičních, což vyžaduje vývoj speciálních řídicích zařízení. Pro změnu výkonu je tedy nutné změnit tlak ve válcích, fázový úhel mezi přetlačovačem a hnacím pístem nebo ovlivnit kapacitu dutiny pracovní kapalinou.

Jeden způsob ovládání otáček hřídele u modelu Stirlingova motoru je uveden v další video:

Účinnost

V teoretických výpočtech závisí účinnost Stirlingova motoru na teplotním rozdílu pracovní tekutiny a může dosáhnout 70 % i více v souladu s Carnotovým cyklem.

První vzorky realizované v kovu však měly extrémně slabé vysoká účinnost následující důvody:

• neefektivní varianty chladicí kapaliny (pracovní kapaliny), omezující maximální teplotu ohřevu;
• ztráty energie v důsledku tření součástí a tepelné vodivosti skříně motoru;
• nedostatek konstrukčních materiálů odolných vůči vysokému tlaku.

Inženýrská řešení neustále zdokonalovala zařízení pohonná jednotka. Takže ve druhé polovině 20. století čtyřválcový automobil Stirlingův motor s kosočtvercovým pohonem vykázal v testech účinnost rovnou 35 %. na vodní chladicí kapalině o teplotě 55 °C. Pečlivé prostudování konstrukce, použití nových materiálů a doladění pracovních jednotek zajistilo účinnost experimentálních vzorků na 39 %.

Poznámka! Moderní benzinové motory podobné síly mají koeficient užitečná akce na úrovni 28-30%, a přeplňované diesely v rozmezí 32-35%.

Moderní příklady Stirlingova motoru, jako je ten, který vyrobila americká společnost Mechanical Technology Inc., vykazují účinnost až 43,5 %. A s rozvojem výroby žáruvzdorné keramiky a podobných inovativních materiálů bude možné výrazně zvýšit teplotu pracovního prostředí a dosáhnout účinnosti 60 %.

Příklady úspěšné implementace automobilových Stirlingů

Přes všechny obtíže existuje mnoho funkčních modelů Stirlingova motoru použitelných pro automobilový průmysl.

Zájem o Stirling, vhodný pro instalaci do auta, se objevil v 50. letech XX. Práce v tomto směru prováděly takové koncerny jako Ford motorová společnost, koncernu Volkswagen a další.

UNITED STIRLING (Švédsko) vyvinul Stirling, který maximálně využíval sériové komponenty a sestavy vyráběné automobilkami ( klikový hřídel, spojovací tyče). Výsledný čtyřválcový motor ve tvaru V měl specifickou hmotnost 2,4 kg/kW, což je srovnatelné s charakteristikou kompaktního vznětového motoru. Tato jednotka byla úspěšně testována jako elektrárna sedmitunový nákladní vůz.

Jedním z úspěšných příkladů je čtyřválcový Stirlingův motor holandského sériového modelu „Philips 4-125DA“, určený k instalaci na auto. Motor měl pracovní výkon 173 litrů. S. v rozměrech podobných klasickému benzínovému agregátu.

Inženýři dosáhli významných výsledků Všeobecné Motors, který v 70. letech postavil osmiválec (4 pracovní a 4 kompresní válce). V-motor Stirling se standardním klikovým mechanismem.

Podobná elektrárna v roce 1972 vybavený limitovaná edice vozy ford Turín, jehož spotřeba paliva se oproti klasickému benzínu snížila o 25 %. Osmička ve tvaru V.

V současné době pracuje více než padesát zahraničních firem na vylepšení konstrukce Stirlingova motoru s cílem přizpůsobit jej sériové výrobě pro potřeby automobilového průmyslu. A pokud se vám podaří nedostatky odstranit tohoto typu motory, a přitom si zachovají své přednosti, je to Stirling, a nikoli turbíny a elektromotory, kdo nahradí benzinový spalovací motor.

Stirlingův cyklus je považován za nepostradatelné příslušenství Stirlingova motoru. Detailní studium principů fungování mnoha dosud vytvořených návrhů přitom ukazuje, že značná část z nich má pracovní cyklus odlišný od Stirlingova cyklu. Například alfa stirling s písty různých průměrů má cyklus, který je více podobný Ericssonovu cyklu. Beta- a gama-konfigurace, které mají dostatečně velký průměr píst-přetlačovací tyč, také zaujímají určitou mezipolohu mezi Stirlingovým a Ericssonovým cyklem.

Když se posunovač pohybuje v konfiguraci beta, ke změně stavu pracovní tekutiny nedochází podél izochory, ale podél nakloněné linie mezi izochorou a izobarou. Při určitém poměru průměru tyče k celkovému průměru přestavníku lze získat izobaru (tento poměr závisí na provozních teplotách). V tomto případě píst, který byl dříve dělníkem, hraje pouze pomocnou roli a vytlačovací tyč se stává skutečným dělníkem. Měrný výkon takového motoru se ukazuje být přibližně 2krát větší než u obvyklých stirlingů, nižší ztráty třením, protože tlak na píst je rovnoměrnější. Podobný obrázek je u alfa stirlingů s různými průměry pístů. Motor s mezilehlým diagramem může mít zatížení rovnoměrně rozložené mezi písty, tedy mezi pracovní píst a výtlačnou tyč.

Důležitá výhoda provoz motoru podle Ericssonova cyklu nebo jemu blízký znamená, že izochora je nahrazena izobarou nebo procesem jí blízkým. Při expanzi pracovní kapaliny podél izobary nedochází ke změnám tlaku, k přenosu tepla, kromě předání tepla z rekuperátoru do pracovní kapaliny. A toto zahřívání okamžitě vykoná užitečnou práci.Při izobarické kompresi se teplo přenáší do výměníku tepla.
Ve Stirlingově cyklu, kdy se pracovní tekutina zahřívá nebo ochlazuje podél izochory, dochází vlivem izotermických procesů v ohřívači a chladiči ke ztrátám tepla.

Konfigurace

Inženýři rozdělili Stirlingovy motory na tři různé typy:

• Alfa Stirlingová- 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, zatímco válec se studeným pístem je v chladnějším výměníku. Tento typ motoru má poměrně vysoký poměr výkonu k objemu, ale bohužel vysoká teplota „horkého“ pístu vytváří určité technické problémy.

Regenerátor je umístěn mezi horkou částí spojovací trubky a studenou částí.

• Beta Stirling- je pouze 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 tepelného výměníku, nebo může být kombinován s výtlačným pístem.

• Gama Stirling- je zde také píst a „přetlačovač“, ale zároveň jsou zde dva válce - jeden studený (pohybuje se tam píst, ze kterého se odebírá energie) a druhý je horký z jednoho konce a studený z druhého (tam se přesune „vytlačovač“). Regenerátor může být externí, v tom případě se připojuje horká část druhý válec se studeným a současně s prvním (studeným) válcem. Vnitřní regenerátor je součástí vytlačovače.

Existují také varianty Stirlingova motoru, které nespadají pod výše uvedené tři klasické typy:

• Stirlingův rotační motor- vyřešeny problémy s těsností (Mukhinův patent na hermetický rotační vstup (GVV), stříbrná medaile za mezinárodní výstava v Bruselu "Eureka-96") a objemnost (není zde klikový mechanismus, protože motor je rotační).

Nedostatky

• Spotřeba materiálu- hlavní nevýhoda 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 charakteristikami spalovacího motoru je nutné aplikovat vysoké tlaky (nad 100 atm) a speciální druhy pracovních kapalin- vodík, helium.

• Teplo není přiváděno přímo do pracovní kapaliny ale pouze přes stěny výměníků tepla. Stěny mají omezenou tepelnou vodivost, díky čemuž je účinnost nižší, než se očekávalo. Horký výměník tepla pracuje ve velmi namáhaných podmínkách přenosu tepla a při velmi vysokých tlacích, což vyžaduje použití vysoce kvalitních a drahých materiálů. Vytvoření tepelného výměníku, který by vyhovoval protichůdným požadavkům, je velmi obtížné. Čím vyšší je teplosměnná plocha, tím nižší jsou tepelné ztráty. Současně se zvětšuje velikost výměníku tepla a objem pracovní tekutiny, která se neúčastní práce. Vzhledem k tomu, že zdroj tepla je umístěn venku, motor reaguje pomalu na změny tepelného toku dodávaného do válce a nemusí okamžitě produkovat požadovaný výkon při startu.

• Pro rychlou změnu výkonu motoru se používají metody, které se liší od metod používaných u spalovacích motorů: vyrovnávací kapacita proměnlivého objemu, změna průměrného tlaku pracovní tekutiny v komorách, změna fázového úhlu mezi pracovním pístem a přetlačovačem. V druhém případě je reakce motoru na ovládací akci řidiče téměř okamžitá.

Výhody

Stirlingův motor má však výhody, které ho nutí k vývoji.

• "Všežravý" motor- stejně jako všechny motory s vnějším spalováním (nebo spíše externí přívod tepla) může Stirlingův motor pracovat téměř při jakémkoli teplotním rozdílu: například mezi různými vrstvami vody v oceánu, ze slunce, z jaderného nebo izotopového ohřívače, a kamna na uhlí nebo dřevo atd.
• Jednoduchost designu- 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. Nicméně, jak bylo uvedeno výše, má větší spotřebu materiálu.
• Zvýšený zdroj- jednoduchost konstrukce, absence mnoha "jemných" jednotek umožňuje Stirlingovi poskytnout bezprecedentní zdroj pro jiné motory v řádu desítek a stovek tisíc hodin nepřetržitého provozu.
• ekonomika- v případě přeměny sluneční energie na elektřinu dávají stirlingy někdy vyšší účinnost (až 31,25 %) než parní tepelné stroje.
• Nehlučnost motoru- Stirling nemá výfuk, což znamená, že nevydává hluk. Beta stirling s kosočtvercovým mechanismem je perfektně vyvážené zařízení a s dostatkem vysoká kvalita výroba, nemá ani vibrace (amplituda vibrací je menší než 0,0038 mm).
• Šetrnost k životnímu prostředí- Stirling sám o sobě nemá žádné části nebo procesy, které by mohly přispívat ke kontaminaci životní prostředí. Nespotřebovává pracovní kapalinu. Ekologická šetrnost motoru je dána především šetrností k životnímu prostředí zdroje tepla. Je třeba také poznamenat, že je snazší zajistit úplnost spalování paliva v motoru s vnějším spalováním než v motoru s vnitřním spalováním.

aplikace

Stirlingův motor s lineárním alternátorem

Stirlingův motor je použitelný v případech, kdy je potřeba kompaktní měnič tepelné energie, který je konstrukčně jednoduchý, nebo když je účinnost jiných tepelných motorů nižší: například když teplotní rozdíl nestačí pro provoz parní nebo plynové turbíny. .

Termoakustika je obor fyziky o vzájemné přeměně tepelné a akustické energie. Vznikl na průsečíku termodynamiky a akustiky. Odtud název. Tato věda je velmi mladá. Jako samostatná disciplína vznikla koncem 70. let minulého století, kdy Švýcar Niklaus Rott dokončil práci na matematických základech lineární termoakustiky. A přesto to nepřišlo z ničeho nic. Jeho vzhledu předcházely objevy zajímavých efektů, které prostě musíme zvážit.

KDE TO ZAČALO
Termoakustika má dlouhou historii sahající více než dvě století zpět.

První oficiální záznam o vibracích vyvolaných teplem pořídil Higgins v roce 1777. Experimentoval s otevřenou skleněnou trubicí, ve které byly akustické vibrace buzeny vodíkovým hořákem umístěným určitým způsobem. Tato zkušenost vešla do historie jako „zpívající plamen Higginse“.

Obrázek 1. Higgins Singing Flame

Moderním fyzikům je však známější jiný experiment zvaný Rijkeova trubice. V průběhu svých experimentů vytvořil Rijke nový hudební nástroj z varhanní píšťaly. Higginsův vodíkový plamen nahradil vyhřívanou drátěnou clonou a experimentálně ukázal, že nejsilnější zvuk vzniká, když je clona umístěna ve vzdálenosti čtvrtiny trubice od jejího spodního konce. Vibrace ustaly, když přikryjete horní konec trubky. To dokázalo, že k vytvoření zvuku je nutný podélný konvektivní tah. Práce Higginse a Rijkeho později poskytly základ pro nauku o spalování, která se dnes používá všude tam, kde se tento jev používá.

Obrázek 2. Rijkeho trubice.

spalování práškových pelet do raketových motorů. Jevům probíhajícím v Rijkeově trubici se věnují tisíce dizertací po celém světě, ale zájem o toto zařízení zatím neochabuje.

V roce 1850 se Sondhauss obrátil k podivnému jevu, který skláři při své práci pozorují. Když horká skleněná koule tlačí vzduch do studeného konce trubice dmychadla, generuje se čistý zvuk. Sondhauss při analýze jevu zjistil, že zvuk vzniká zahříváním kulovitého vyboulení na konci trubice. V tomto případě se zvuk mění se změnou délky elektronky. Na rozdíl od Rijkeho trubice nebyla Sondhaussova trubka závislá na konvekčním tahu.

Obrázek 3. Sondhausova trubice.

Podobný experiment později provedl Taconis. Na rozdíl od Sondhausse konec trubice nezahříval, ale chladil kryogenní kapalinou. Tím se prokázalo, že pro tvorbu zvuku není důležité vytápění, ale teplotní rozdíl.
První kvalitativní analýzu vibrací způsobených teplem podal v roce 1887 lord Rayleigh. Rayleighovo vysvětlení výše uvedených jevů je dnes termoakustice známé jako Rayleighův princip. Zní to asi takto: „Pokud se teplo plynu přenese v okamžiku největší komprese nebo se teplo odebere v okamžiku největší redukce, pak to stimuluje oscilace. » Přes svou jednoduchost tato formulace plně popisuje přímý termoakustický efekt, tedy přeměnu tepelné energie na energii zvukovou.

vířivý efekt

vířivý efekt(Ranque-Hilschův efekt) Ranque-Hilschův efekt) - efekt oddělení plynu nebo kapaliny při víření ve válcové nebo kuželové komoře na dvě frakce. Na periferii vzniká vířivé proudění s vyšší teplotou a ve středu vířivé chlazené proudění a rotace ve středu probíhá v opačném směru než na periferii. Tento efekt poprvé objevil francouzský inženýr Joseph Rank na konci 20. let 20. století při měření teploty v průmyslovém cyklónu. Koncem roku 1931 požádal J. Rank o vynalezené zařízení, které nazval „Vortex tube“ (v literatuře se vyskytuje jako Rankeova trubice). Patent je možné získat až v roce 1934 v Americe (US Patent č. 1952281). V současné době byla implementována řada zařízení, která využívají vírový efekt, vírová zařízení. Jedná se o „vírové komory“ pro chemickou separaci látek působením odstředivých sil a „vírové trubice“ používané jako zdroj chladu.

Od 60. let 20. století je vírový pohyb předmětem mnoha vědeckých studií. Specializované konference o vortexovém efektu se pravidelně konají např. na Samara Aerospace University.

Vírové generátory tepla a mikrokondicionéry existují a používají se.

V tomto světě jsou věci geniální, nepochopitelné a naprosto neskutečné. Tak nereálné, že se zdají být artefakty z nějakého paralelního vesmíru. Mezi takové artefakty, spolu se Stirlingovým motorem, vakuovou radioelektronkou a Malevichovým černým čtvercem, tzv. Tesla Turbína.
Obecně řečeno rozlišovací znak ze všech takových věcí - absolutní jednoduchost. Ne přílišné zjednodušení, ale jednoduchost. Tedy jako v dílech Michelangelových – není tam všechno nadbytečné, nějaké technické či sémantické „rekvizity“, čisté vědomí, vtělené „v železe“ nebo nastříkané na plátno. A s tím vším absolutní necirkulace. Černé náměstí je jakýmsi „ortem“ umění. Druhý takový napsaný jiným umělcem nemůže být.

To vše plně platí pro turbínu Tesla. Konstrukčně se skládá z několika (10-15) tenkých disků namontovaných na ose turbíny v malé vzdálenosti od sebe a umístěných v plášti připomínajícím policejní píšťalu.

Nemá cenu vysvětlovat, že kotoučový rotor je technologicky mnohem vyspělejší a spolehlivější než i "Lavalovo kolo", o rotorech mlčím konvenční turbíny. To je první výhoda systému. Druhým je, že na rozdíl od jiných typů turbín, kde je třeba provést speciální opatření k laminarizaci proudění pracovní tekutiny. V Teslově turbíně proudí pracovní tekutina (kterou může být vzduch, pára nebo dokonce kapalina) přísně laminární. Proto jsou ztráty plynodynamickým třením v něm sníženy na nulu: účinnost turbíny je 95%.

Je pravda, že je třeba mít na paměti, že účinnost turbíny a účinnost termodynamického cyklu jsou poněkud odlišné věci. Účinnost turbíny lze charakterizovat jako poměr energie přeměněné na mechanickou energii na hřídeli rotoru turbíny k energii pracovního cyklu (tj. rozdílu mezi počáteční a koncovou energií pracovní tekutiny). Tedy účinnost moderní parní turbíny je také velmi vysoká - 95-98%, nicméně účinnost termodynamického cyklu v důsledku řady omezení nepřesahuje 40-50%.

Princip činnosti turbíny je založen na skutečnosti, že pracovní tekutina (řekněme - plyn), rotující v plášti, vlivem tření "strhává" rotor. Současně, předáním části energie rotoru, se plyn zpomalí a díky Coriolisově síle, která vzniká při interakci s rotorem, se jako čajové lístky "svalí" k ose rotoru, kde jsou speciální otvory, kterými je odváděna „odpadní“ pracovní kapalina.
Teslova turbína, stejně jako Lavalova turbína, přeměňuje kinetickou energii pracovní tekutiny. Tedy transformace potenciální energie (např stlačený vzduch nebo přehřátá pára) do kinetické musí být převedena před tím, než je přiváděna do rotoru turbíny pomocí trysky. Nicméně Lavalova turbína, mající celkem vysokou účinnost, se ukázala při nízkých otáčkách jako extrémně neefektivní, což si vynutilo konstrukci převodovek, jejichž rozměry a hmotnost byly mnohonásobně větší než rozměry a hmotnosti samotné turbíny. Zásadním rozdílem mezi Teslovou turbínou je fakt, že pracuje poměrně efektivně v širokém rozsahu otáček, což umožňuje její hřídel přímo napojit na generátor. Teslova turbína je navíc snadno reverzibilní.

Zajímavé je, že sám Nikola Tesla umístil svůj vynález jako způsob vysoce efektivního využití geotermální energie, kterou považoval za energii budoucnosti. Turbína se navíc bez jakýchkoliv úprav může proměnit ve vysoce účinnou Vakuová pumpa- stačí odvinout jeho hřídel z jiné turbíny nebo elektromotoru.

Vyrobitelnost Teslovy turbíny umožňuje vyrobit její varianty doslova z čehokoli: diskový rotor lze vyrobit ze starých CD nebo „placky“ z nepovedeného počítačového „pevného disku“. Přitom síla takového motoru je i přes „hračkářské“ materiály a rozměry velmi působivá. Když už jsme u rozměrů: motor o výkonu 110 koní. nebyla větší než systémová jednotka aktuálního osobního počítače.

Zařízení s efektem hodnocení

Od samého začátku přitahoval efekt Rank vynálezce zdánlivou jednoduchostí jeho technické implementace - ve skutečnosti nejjednodušší implementací vírová trubice je kus nejběžnější trubky, kde na jedné straně je tangenciálně přiváděn původní proud a na opačném konci je instalována prstencová membrána a z jejího vnitřního otvoru vychází ochlazená část proudu a jeho horká část vychází z mezery mezi vnějším okrajem membrány a vnitřním povrchem trubky . Ve skutečnosti však není vše tak jednoduché - zdaleka ne vždy je možné dosáhnout účinného oddělení a účinnost takových instalací je obvykle výrazně nižší než u široce rozšířených kompresorových tepelných čerpadel. Parametry zařízení s Ranqueovým efektem se navíc obvykle počítají pro konkrétní výkon, určený rychlostí a průtokem počátečního průtoku, a když se parametry vstupního průtoku odchylují od optimálních hodnot, účinnost vírové trubice se výrazně zhoršuje. Přesto je třeba poznamenat, že schopnosti některých instalací založených na Ranque efektu budí respekt – například rekordní ochlazení, kterého bylo dosaženo v jedné fázi, je více než 200 °C!

S přihlédnutím k našemu klimatu je však využití Ranque efektu pro vytápění mnohem zajímavější a zároveň bych také rád nepřekračoval „improvizované prostředky“.

Podstata efektu Rank

Když se proud plynu nebo kapaliny pohybuje podél hladce se otáčejícího povrchu trubky, vytvoří se oblast poblíž její vnější stěny vysoký krevní tlak a teplota, a blízko vnitřku (nebo ve středu dutiny, pokud je plyn vířen nad povrchem válcové nádoby) - oblast nízké teploty a tlaku. Tento známý jev se nazývá Efekt hodnocení jménem francouzského inženýra Josepha Ranqueho (G.J. Ranque, někdy psáno „Ranke“), který jej objevil v roce 1931, popř. Ranque-Hilschův efekt(Němec Robert Hilsh pokračoval ve studiu tohoto efektu v druhé polovině 40. let a zlepšil účinnost Rankovy vírové trubice). Konstrukce využívající Rank efekt jsou druhem tepelného čerpadla, jehož energie je odebírána z kompresoru, který vytváří proudění pracovní tekutiny na vstupu do potrubí.

Paradoxem efektu Rank je to odstředivé síly v rotujícím toku směřují ven. Jak je známo, teplejší vrstvy plynu nebo kapaliny mají nižší hustotu a musí stoupat nahoru a v případě odstředivých sil směřují ke středu, chladnější mají vyšší hustotu a musí tedy směřovat k periferii. Mezitím v vysoká rychlost rotující tok vše se děje přesně naopak!

Ranqueův efekt se projevuje jak pro proudění plynu, tak pro proudění kapaliny, která, jak známo, je prakticky nestlačitelná, a proto se na ni adiabatický kompresní / expanzní faktor nevztahuje. V případě kapaliny je však Ranqueův efekt obvykle mnohem méně výrazný – možná právě z tohoto důvodu a velmi malá střední volná dráha částic ztěžuje jeho projevení. Ale to je pravda, pokud zůstaneme v rámci tradiční molekulární kinetické teorie, a účinek může mít úplně jiné důvody.

Podle mého názoru na tento moment nejúplnější a nejspolehlivější vědecký popis efektu Rank je uveden v článku A.F. Gutsola (ve formátu pdf). Jeho závěry o podstatě jevu se v jádru překvapivě shodují s těmi, které jsme získali „na prstech“. Bohužel ignoruje první faktor (adiabatické stlačování plynu na vnějším poloměru a expanze na vnitřním), který je podle mého názoru velmi významný při použití stlačitelných plynů, ačkoliv působí pouze uvnitř zařízení. A A.F. Gutsol nazývá druhý faktor „oddělení rychlých a pomalých mikroobjemů“.

Stirlingův motor– motor s externím přívodem tepla. Externí zásobování teplem je velmi výhodné, když je potřeba jako zdroj tepla použít nefosilní paliva. Můžete například využít solární energii, geotermální energii, odpadní teplo z různých podniků.

Příjemnou vlastností Stirlingova cyklu je, že jeho účinnost se rovná účinnosti Carnotova cyklu. Skutečné Stirlingovy motory mají přirozeně nižší účinnost a často mnohem vyšší. Stirlingův motor začal svou existenci zařízením, které má mnoho pohyblivých částí, jako jsou písty, ojnice, klikový hřídel, ložiska. Kromě toho se také točil rotor generátoru (obrázek 1).

Obrázek 1 - Stirlingův motor typu Alpha

Podívejte se na motor typu Stirling Alpha. Když se hřídel otáčí, písty začnou destilovat plyn buď ze studeného do horkého válce, nebo naopak, z horkého do studeného. Ale nejen destilují, ale také komprimují a expandují. Probíhá termodynamický cyklus. V duchu si dokážete představit na obrázku, že když se hřídel otočí tak, že osa, na které jsou uchyceny ojnice, je nahoře, tak to bude okamžik největšího stlačení plynu, a když bude dole, tak expanze. Pravda, není to úplně pravda kvůli teplotním roztažnostem a smršťování plynu, ale přibližně toto všechno je pravda.

Srdcem motoru je tzv. jádro, které se skládá ze dvou výměníků tepla – teplého a studeného a mezi nimi je umístěn regenerátor. Výměníky tepla jsou obvykle deskové a regenerátorem je nejčastěji sestava z kovové sítě. Je jasné, proč jsou potřeba výměníky tepla – k ohřevu a chlazení plynu, ale proč potřebujeme regenerátor? A regenerátor je skutečným akumulátorem tepla. Když se horký plyn přesune na studenou stranu, ohřívá regenerátor a regenerátor uchovává tepelnou energii. Při přechodu plynu ze studené na horkou stranu se studený plyn v regenerátoru ohřeje a tím se šetří toto teplo, které by bez regenerátoru bylo nenávratně vynaloženo na ohřev prostředí. Regenerátor je tedy extrémně potřebná věc. Dobrý regenerátor zvyšuje účinnost motoru asi 3,6krát.

Pro fanoušky, kteří sní o tom, že si takový motor postaví sami, vám chci říci více o výměnících tepla. Většina domácí motory Stirling, z těch, které jsem viděl, nemají výměníky tepla vůbec (mluvím o motorech typu alfa). Výměníky tepla jsou samotné písty a válce. Jeden válec se zahřívá, druhý ochlazuje. Současně je plocha teplosměnné plochy v kontaktu s plynem velmi malá. Je tedy možné výrazně zvýšit výkon motoru instalací výměníků tepla na vstupu do válců. A i na obrázku 1 je plamen nasměrován přímo na válec, což u továrních motorů není úplně pravda.

Vraťme se do historie vývoje Stirlingových motorů. Takže ať je motor dobrý v mnoha ohledech, ale přítomnost kroužky na stírání oleje a ložiska snižovala životnost motoru a inženýři usilovně přemýšleli, jak to vylepšit, a přišli na to.

V roce 1969 William Bale zkoumal rezonanční efekty v provozu motoru a později byl schopen vyrobit motor, který nepotřeboval ani ojnice, ani klikový hřídel. Synchronizace pístů vznikla v důsledku rezonančních efektů. Tento typ motoru se začal nazývat motor s volnými písty (obrázek 2).

Obrázek 2 - Stirlingův motor s volnými písty

Obrázek 2 ukazuje volný pístový motor typu beta. Zde plyn přechází z horké oblasti do studené oblasti a naopak díky vytlačovači (který se volně pohybuje) a pracovní píst koná užitečnou práci. Posuvník a píst kmitají na spirálových pružinách, což je vidět na obrázku vpravo. Potíž je v tom, že jejich kmitání musí mít stejnou frekvenci a fázový rozdíl 90 stupňů a to vše je způsobeno rezonančními efekty. Je poměrně obtížné to udělat.

Snížil se tak počet dílů, ale zároveň se zpřísnily požadavky na přesnost výpočtů a výroby. Spolehlivost motoru se ale nepochybně zvýšila, zejména u konstrukcí, kde se jako přetlačovač a píst používají pružné membrány. V tomto případě nejsou v motoru vůbec žádné třecí části. Elektřina, pokud je to žádoucí, může být z takového motoru odstraněna pomocí lineárního generátoru.

Ani to ale inženýrům nestačilo a začali hledat způsoby, jak se zbavit nejen odírajících, ale obecně pohyblivých částí. A našli cestu.

V 70. letech si Peter Zeperli uvědomil, že sinusové kolísání tlaku a rychlosti plynu ve Stirlingově motoru a skutečnost, že tyto fluktuace jsou ve fázi, jsou pozoruhodně podobné kolísání tlaku a rychlosti plynu v postupující zvukové vlně (obr. 3 ) .

Obrázek 3 - Graf tlaku a rychlosti postupující akustické vlny jako funkce času. Je ukázáno, že oscilace tlaku a rychlosti jsou ve fázi.

Tato myšlenka přišla na Zeperli ne náhodou, protože před ním existovalo mnoho studií v oblasti termoakustiky, například sám Lord Rayleigh v roce 1884 tento jev kvalitativně popsal.

Navrhl tedy zcela opustit písty a přetlačovače a používat pouze akustickou vlnu k řízení tlaku a pohybu plynu. Výsledkem je motor bez pohyblivých částí a teoreticky schopný dosáhnout účinnosti Stirlingova cyklu, a tedy i Carnota. Ve skutečnosti je nejlepší výkon 40-50 % účinnosti Carnotova cyklu (obrázek 4).

Obrázek 4 - Schéma termoakustického motoru s postupnou vlnou

Je vidět, že termoakustický motor s postupnou vlnou je přesně to samé jádro, které se skládá z výměníků tepla a regenerátoru, ale místo pístů a ojnic je tam jednoduše smyčková trubka, které se říká rezonátor. Jak ale tento motor funguje, když v něm nejsou žádné pohyblivé části? Jak je tohle možné?

Nejprve si odpovězme na otázku, odkud zvuk pochází? A odpověď je, že k tomu dochází samo o sobě, když je k tomu dostatečný teplotní rozdíl mezi oběma výměníky. Teplotní gradient v regenerátoru umožňuje zesílit zvukové vibrace, ale pouze určité vlnové délky, rovná délce rezonátor. Od samého začátku proces vypadá takto: při zahřívání horkého výměníku se objevují mikrošusty, možná i praskání od tepelných deformací, to je nevyhnutelné. Tyto šelesty jsou hlukem, který má široké frekvenční spektrum. Z celého tohoto bohatého spektra zvukových frekvencí začne motor zesilovat ono zvukové chvění, jehož vlnová délka se rovná délce elektronky – rezonátoru. A bez ohledu na to, jak malý je počáteční výkyv, bude zesílen na maximální možnou hodnotu. Maximální hlasitost zvuku uvnitř motoru nastane, když se výkon zesílení zvuku pomocí výměníků tepla rovná výkonu ztrát, to znamená síle zeslabení zvukových vibrací. A tato maximální hodnota někdy dosahuje obrovských hodnot 160 dB. Co je tedy uvnitř podobný motor opravdu hlasitý. Naštěstí zvuk nemůže vycházet, protože rezonátor je utěsněný, a proto stojící vedle běžícího motoru je sotva slyšitelný.

Zesílení určité frekvence zvuku nastává v důsledku stejného termodynamického cyklu - Stirlingova cyklu, který se provádí v regenerátoru.

Obrázek 5 - Fáze cyklu zhruba a zjednodušeně.

Jak jsem již psal, v termoakustickém motoru nejsou vůbec žádné pohyblivé části, generuje v sobě pouze akustickou vlnu, ale bez pohyblivých částí bohužel nejde z motoru odebrat elektřina.

Energie se obvykle získává z termoakustických motorů pomocí lineárních generátorů. Elastická membrána kmitá pod tlakem zvukové vlny vysoké intenzity. Uvnitř měděná cívka s jádrem vibrují magnety upevněné na membráně. Vyrábí se elektřina.

V roce 2014 Kees de Blok, Pawel Owczarek a Maurice Francois z Aster Thermoacoustics ukázali, že obousměrná impulsní turbína připojená ke generátoru je vhodná pro přeměnu energie zvukových vln na elektřinu.

Obrázek 6 - Schéma impulsní turbíny

Impulzní turbína se otáčí stejným směrem bez ohledu na směr proudění. Obrázek 6 schematicky znázorňuje lopatky statoru po stranách a lopatky rotoru uprostřed.
A takto vypadá turbína ve skutečnosti:

Obrázek 7 - Vzhled obousměrná impulsní turbína

Očekává se, že použití turbíny místo lineárního generátoru značně sníží náklady na konstrukci a zvýší výkon zařízení až na kapacity typických kogeneračních jednotek, což je u lineárních generátorů nemožné.

Vývoj termoakustických motorů budeme i nadále bedlivě sledovat.

Seznam použitých zdrojů

M.G. Kruglov. Stirlingovy motory. Moskva "Inženýrství", 1977.
G. Reeder, C. Hooper. Stirlingovy motory. Moskva "Mir", 1986.
Kees de Blok, Pawel Owczarek. Přeměna akustické energie na elektrickou, 2014.

- 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 chlazení pracovní tekutiny s odebíráním energie z výsledné změny objemu pracovní tekutiny. Může pracovat nejen ze spalování paliva, ale také z jakéhokoli zdroje tepla.

Chronologii událostí spojených s vývojem motorů 18. století můžete sledovat 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 úspěchů Stirlinga je přidání čističky, jím přezdívané „hospodářka“.

V moderní vědecké literatuře má tento čistič zcela jiný název - "rekuperátor". Díky němu se zvyšuje výkon motoru, protože čistič zadržuje teplo v teplé části motoru a zároveň se ochlazuje pracovní kapalina. Tímto procesem se výrazně zvýší účinnost systému. Výměník tepla je komora vyplněná drátem, granulemi, vlnitou fólií (vlny probíhají ve směru proudění plynu). Plyn prochází výplní rekuperátoru jedním směrem, dává (nebo získává) teplo a při pohybu druhým směrem jej odebírá (oddává). Rekuperátor může být ve vztahu k válcům vnější a může být umístěn na pístu vytlačovače v konfiguraci beta a gama. Rozměry a hmotnost stroje jsou v tomto případě menší. Roli rekuperátoru do jisté míry hraje mezera mezi vytlačovačem a stěnami válce (pokud je válec dlouhý, pak takové zařízení není vůbec potřeba, ale objevují se značné ztráty kvůli viskozitě válce. plyn). V alpha stirlingu může být výměník tepla pouze externí. Je namontován v sérii s tepelným výměníkem, ve kterém je pracovní tekutina 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, pak v éře parní stroje bylo to rozšířené.

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, díky čemuž je účinnost nižší, než se očekávalo. Horký výměník tepla pracuje ve velmi namáhaných podmínkách přenosu tepla a při velmi vysokých tlacích, což vyžaduje použití vysoce kvalitních a drahých materiálů. Vytvoření tepelného výměníku, který by vyhovoval protichůdným požadavkům, je velmi obtížné. Čím vyšší je teplosměnná plocha, tím nižší jsou tepelné ztráty. Současně se zvětšuje velikost výměníku tepla a objem pracovní tekutiny, která se neúčastní práce. Vzhledem k tomu, že zdroj tepla je umístěn venku, motor reaguje pomalu na změny tepelného toku dodávaného do válce a nemusí okamžitě produkovat požadovaný výkon při startu.

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

Výhody.

Stirlingův motor má však výhody, které ho nutí k vývoji.

„Všežravost“ motoru – stejně jako všechny motory s vnějším spalováním (nebo spíše externí zásobování teplem) může Stirlingův motor fungovat téměř při jakémkoli teplotním rozdílu: například mezi různými vrstvami v oceánu, ze slunce, z jaderné energie. 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. Nicméně, jak bylo uvedeno výše, má větší spotřebu materiálu.

Větší zdroje – jednoduchost designu, absence mnoha „jemných“ jednotek umožňuje Stirlingovi poskytnout bezprecedentní zdroj pro jiné motory s desítkami a stovkami tisíc hodin nepřetržitého provozu.

Ziskovost - v případě přeměny sluneční energie na elektřinu dávají stirlingy někdy vyšší účinnost (až 31,25 %) než parní tepelné stroje.

Nehlučnost motoru - Stirling nemá výfuk, což znamená, že nehlučí. Beta Stirling s kosočtvercovým mechanismem je perfektně vyvážené zařízení a při celkem vysoké kvalitě zpracování netrpí ani vibracemi (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. Je třeba také poznamenat, že je snazší zajistit úplnost spalování paliva v motoru s vnějším spalováním než v motoru s vnitřním spalováním.

Alternativa k parním strojům.

V 19. století se inženýři snažili vytvořit bezpečnější alternativu parní stroje té doby kvůli tomu, že kotle již vynalezených motorů často explodovaly, neodolaly vysokému tlaku páry a materiálům, které se k jejich výrobě a konstrukci vůbec nehodily. Stirlingův motor se stal dobrou alternativou, protože dokázal přeměnit jakýkoli teplotní rozdíl na práci. To je základní princip Stirlingova motoru. Neustálé střídání zahřívání a ochlazování pracovní tekutiny v uzavřeném válci uvádí píst do pohybu. Obvykle působí jako pracovní tekutina vzduch, ale používá se také vodík a helium. Experimenty se ale prováděly i s vodou. hlavní rys Stirlingův motor s kapalnou pracovní kapalinou má malé rozměry, vysoký provozní tlak a vysokou hustotu výkonu. Existuje také Stirling s dvoufázovou pracovní kapalinou. Měrný výkon a pracovní tlak v něm jsou také poměrně vysoké.

Možná si z kurzu fyziky pamatujete, že když se plyn zahřívá, jeho objem se zvětšuje a když se ochladí, 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 určitém směru má dokonce výhodu. Carnotův cyklus se skládá z mírně odlišných izoterm a adiabatů. Praktická realizace takového cyklu je složitá a neperspektivní. Stirlingův cyklus umožnil získat prakticky pracující motor v přijatelných rozměrech.

Celkem existují ve Stirlingově cyklu čtyři fáze, oddělené dvěma přechodnými fázemi: ohřev, expanze, přechod na zdroj chladu, chlazení, komprese a přechod na zdroj tepla. Při přechodu z teplého zdroje na studený se plyn ve válci rozpíná a smršťuje. Během tohoto procesu se mění tlak a lze získat užitečnou práci. Užitečná práce je produkována pouze procesy, které probíhají stálá teplota, to znamená, že závisí na rozdílu teplot mezi ohřívačem a chladičem, jako v Carnotově cyklu.

Konfigurace.

Inženýři klasifikují 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. Poměr výkonu k objemu je poměrně velký, ale vysoká teplota „horkého“ pístu vytváří určité technické problémy.

Beta Stirling- jeden válec, horký na jednom konci a studený na druhém. 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 tepelného výměníku, nebo může být kombinován s výtlačným pístem.

Je zde píst a „přetlačovač“, ale zároveň jsou zde dva válce – jeden studený (pohybuje se tam píst, ze kterého se odebírá síla) a druhý je z jednoho konce horký a z druhého studený ( se tam pohybuje „vytlačovač“). Regenerátor může být externí, v tomto případě propojuje horkou část druhého válce se studenou a současně s prvním (studeným) válcem. Vnitřní regenerátor je součástí vytlačovače.