طرح اولیه موتور احتراق خارجی استرلینگ. کدام موتور استرلینگ بهترین طراحی را برای حداکثر کارایی دارد

موتور استرلینگ، که اصل عملکرد آن از نظر کیفی با معمول برای همه موتورهای احتراق داخلی متفاوت است، زمانی آخرین رقابت شایسته. با این حال آنها برای مدتی آن را فراموش کردند. نحوه استفاده از این موتور امروزه، اصل عملکرد آن چیست (در مقاله همچنین می توانید نقشه های موتور استرلینگ را بیابید که به وضوح عملکرد آن را نشان می دهد)، و چشم انداز استفاده در آینده چیست، در زیر بخوانید.

داستان

در سال 1816، در اسکاتلند، رابرت استرلینگ اختراعی را به نام امروزی به افتخار مخترع آن ثبت کرد. اولین موتورهای هوای گرم قبل از او اختراع شد. اما استرلینگ یک تصفیه کننده به دستگاه اضافه کرد که در ادبیات فنی به آن احیا کننده یا مبدل حرارتی می گویند. با تشکر از او، عملکرد موتور در عین گرم نگه داشتن واحد افزایش یافت.

این موتور به عنوان بادوام ترین موتور بخار موجود در آن زمان شناخته شد، زیرا هرگز منفجر نشد. قبل از او، در موتورهای دیگر، این مشکل اغلب به وجود می آمد. علیرغم موفقیت سریع آن، توسعه آن در آغاز قرن بیستم رها شد، زیرا نسبت به سایر موتورهایی که در آن زمان ظاهر شدند اقتصادی تر شد. احتراق داخلیو موتورهای الکتریکی با این حال، استرلینگ همچنان در برخی از صنایع مورد استفاده قرار می گرفت.

موتور احتراق خارجی

اصل کار همه موتورهای حرارتی این است که برای بدست آوردن گاز در حالت منبسط شده، نیروهای مکانیکی بیشتری نسبت به فشرده سازی یک سرد مورد نیاز است. برای نشان دادن این، می توانید آزمایشی را با دو گلدان پر از آب سرد و گرم و همچنین یک بطری انجام دهید. دومی در آب سرد غوطه ور می شود، با چوب پنبه وصل می شود، سپس به گرم منتقل می شود. در این حالت، گاز موجود در بطری شروع به انجام کارهای مکانیکی می کند و چوب پنبه را بیرون می راند. موتور اول احتراق خارجیکاملا بر اساس این فرآیند است. درست است، بعداً مخترع متوجه شد که بخشی از گرما را می توان برای گرم کردن استفاده کرد. بنابراین بهره وری به میزان قابل توجهی افزایش یافته است. اما حتی این نیز کمکی به رایج شدن موتور نکرد.

بعدها، اریکسون، مهندس سوئدی، طراحی را با پیشنهاد اینکه گاز به جای حجم، با فشار ثابت خنک و گرم شود، بهبود بخشید. در نتیجه، بسیاری از نسخه ها برای کار در معادن، کشتی ها و چاپخانه ها شروع به استفاده کردند. اما برای خدمه، آنها خیلی سنگین بودند.

موتورهای احتراق خارجی فیلیپس

چنین موتورهایی از انواع زیر هستند:

• بخار؛
• توربین بخار؛
• استرلینگ.

نوع دوم به دلیل قابلیت اطمینان پایین و سایر نه بالاترین نرخ ها در مقایسه با سایر انواع واحدهای ظاهر شده توسعه نیافته است. با این حال، فیلیپس در سال 1938 بازگشایی شد. موتورها برای به حرکت درآوردن ژنراتورها در مناطق غیر برقی شروع به کار کردند. در سال 1945، مهندسان این شرکت کاربرد معکوس را برای آنها پیدا کردند: اگر شفت توسط یک موتور الکتریکی بچرخد، خنک کننده سر سیلندر به منفی صد و نود درجه سانتیگراد می رسد. سپس تصمیم گرفته شد از موتور بهبود یافته استرلینگ در واحدهای تبرید استفاده شود.

اصل عملیات

عمل موتور کار بر روی چرخه های ترمودینامیکی است که در آن فشرده سازی و انبساط در دماهای مختلف اتفاق می افتد. در این حالت، تنظیم جریان سیال کار به دلیل تغییر حجم (یا فشار - بسته به مدل) انجام می شود. این اصل کار اکثر این ماشین هاست که ممکن است عملکردهای متفاوتی داشته باشند و نمودارهای ساختاری. موتورها می توانند پیستونی یا چرخشی باشند. ماشین آلات با تاسیسات خود به عنوان پمپ حرارتی، یخچال، ژنراتور فشار و غیره کار می کنند.

علاوه بر این، موتورهای چرخه باز وجود دارند که کنترل جریان از طریق شیرها انجام می شود. آنها را موتورهای اریکسون می نامند، به جز نام متداولنام استرلینگ در یک موتور احتراق داخلی، کار مفید پس از پیش فشرده سازی هوا، تزریق سوخت، گرم کردن مخلوط حاصل مخلوط با احتراق و انبساط انجام می شود.

موتور استرلینگ همان اصل کار را دارد: در دماهای پایین تراکم و در دماهای بالا انبساط رخ می دهد. اما گرمایش به روش های مختلفی انجام می شود: گرما از طریق دیواره سیلندر از خارج تامین می شود. بنابراین، او نام موتور احتراق خارجی را دریافت کرد. استرلینگ از یک تغییر دوره ای دما با پیستون جابجایی استفاده کرد. دومی گاز را از یک حفره سیلندر به حفره دیگر منتقل می کند. از یک طرف دما دائماً پایین است و از طرف دیگر زیاد است. هنگامی که پیستون به سمت بالا حرکت می کند، گاز از یک حفره گرم به یک حفره سرد و هنگامی که به سمت پایین حرکت می کند، به یک حفره گرم باز می گردد. ابتدا گاز گرمای زیادی به یخچال می دهد و سپس به اندازه ای که گرما می دهد از بخاری گرما می گیرد. یک احیا کننده بین بخاری و کولر قرار می گیرد - یک حفره پر از ماده ای که گاز به آن گرما می دهد. در جریان معکوس، احیا کننده آن را برمی گرداند.

سیستم جابجایی به یک پیستون در حال کار متصل است، که گاز را در سرما فشرده می کند و به آن اجازه می دهد در گرما منبسط شود. به دلیل فشرده سازی در دمای پایین تر، کار مفیدی انجام می شود. کل سیستم چهار چرخه را با حرکات متناوب طی می کند. مکانیسم میل لنگ در عین حال تداوم را تضمین می کند. بنابراین مرزهای تیز بین مراحل چرخه رعایت نمی شود و استرلینگ کاهش نمی یابد.

با توجه به تمام موارد فوق، نتیجه گیری خود نشان می دهد که این موتور یک ماشین رفت و برگشتی با منبع حرارت خارجی است که در آن بدنه کارفضای بسته را ترک نمی کند و تعویض نمی شود. نقشه های موتور استرلینگ به خوبی دستگاه و اصل عملکرد آن را نشان می دهد.

جزئیات کار

خورشید، الکتریسیته، انرژی هسته ای یا هر منبع گرمایی دیگر می تواند نیروی موتور استرلینگ را تامین کند. اصل عملکرد بدن او استفاده از هلیوم، هیدروژن یا هوا است. یک سیکل ایده آل دارای حداکثر حرارتی است کارایی ممکنمعادل سی تا چهل درصد. اما با یک احیاگر کارآمد، قادر به کار با بیشتر خواهد بود بازدهی بالا. بازسازی، گرمایش و سرمایش توسط مبدل های حرارتی بدون روغن داخلی انجام می شود. لازم به ذکر است که موتور به روغن کاری بسیار کمی نیاز دارد. فشار متوسط ​​در سیلندر معمولاً 10 تا 20 مگاپاسکال است. بنابراین، یک سیستم آب بندی عالی و امکان ورود روغن به حفره های کاری در اینجا مورد نیاز است.

ویژگی های مقایسه ای

اکثر موتورهای از این نوع که امروزه در حال کار هستند از سوخت مایع استفاده می کنند. در عین حال، کنترل فشار مداوم آسان است که به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای کمک می کند. عدم وجود دریچه عملکرد بی صدا را تضمین می کند. توان به وزن با موتورهای توربوشارژ قابل مقایسه است و چگالی توان خروجی برابر با یک واحد دیزل است. سرعت و گشتاور مستقل از یکدیگر هستند.

هزینه تولید یک موتور بسیار بالاتر از یک موتور احتراق داخلی است. اما در حین کار برعکس به دست می آید.

مزایای

هر مدل از موتور استرلینگ دارای مزایای بسیاری است:

• کارایی با طراحی مدرن می تواند تا هفتاد درصد برسد.
• موتور سیستم نداره جرقه زنی با ولتاژ بالا, میل بادامکو دریچه ها در تمام مدت کارکرد نیازی به تنظیم نخواهد داشت.
• در استرلینگ، مانند یک موتور احتراق داخلی، که میل لنگ، یاتاقان ها و میله های اتصال را به شدت بارگذاری می کند، انفجار وجود ندارد.
• وقتی می گویند "موتور از کار افتاده است" این تأثیر را ندارند.
• به دلیل سادگی دستگاه، می توان آن را برای مدت طولانی کار کرد.
• این می تواند هم روی چوب کار کند و هم با سوخت هسته ای و هر نوع سوخت دیگری.
• احتراق در خارج از موتور انجام می شود.

ایرادات

کاربرد

در حال حاضر موتور استرلینگ با ژنراتور در بسیاری از زمینه ها استفاده می شود. این یک منبع جهانی انرژی الکتریکی در یخچال ها، پمپ ها، زیردریایی ها و خورشیدی است ایستگاه های برق. به لطف استفاده است نوع متفاوتسوخت امکان استفاده گسترده از آن را دارد.

تجدید حیات

این موتورها دوباره به لطف فیلیپس توسعه یافته اند. در اواسط قرن بیستم، او قراردادی را منعقد کرد جنرال موتورز. او پیشرفت هایی را برای استفاده از استرلینگ ها در فضا و دستگاه های زیر آب، در کشتی ها و اتومبیل ها رهبری کرد. به دنبال آنها، شرکت دیگری از سوئد، یونایتد استرلینگ، شروع به توسعه آنها کرد، از جمله استفاده احتمالی در

امروزه موتور خطی استرلینگ در تاسیسات وسایل نقلیه زیر آب، فضایی و خورشیدی استفاده می شود. علاقه زیاد به آن به دلیل مرتبط بودن مسائل تخریب محیط زیست و همچنین مبارزه با سر و صدا است. در کانادا و ایالات متحده آمریکا، آلمان و فرانسه، و همچنین ژاپن، جستجوهای فعالی برای توسعه و بهبود استفاده از آن وجود دارد.

آینده

مزایای آشکاری که پیستون و استرلینگ دارند، شامل عمر طولانی، استفاده از سوخت های مختلف، بی صدا بودن و سمیت کم، آن را در پس زمینه موتور احتراق داخلی بسیار امیدوارکننده می کند. با این حال، با توجه به این واقعیت که موتور احتراق داخلی در طول زمان بهبود یافته است، نمی توان آن را به راحتی جابجا کرد. به هر حال، دقیقاً چنین موتوری است که امروز جایگاه پیشرو را اشغال می کند و آنها را به به زودیقصد ندارد

صنعت خودروسازی مدرن به سطحی از پیشرفت رسیده است که در آن دستیابی به پیشرفت‌های اساسی در طراحی موتورهای احتراق داخلی سنتی بدون تحقیقات علمی اساسی تقریباً غیرممکن است. این وضعیت طراحان را مجبور به توجه می کند طرح های جایگزین نیروگاه. برخی از مراکز مهندسی تلاش خود را بر ایجاد و انطباق با تولید سریال هیبریدی و مدل های الکتریکی، خودروسازان دیگر در حال سرمایه گذاری در توسعه موتورهایی هستند که با منابع تجدیدپذیر (به عنوان مثال، بیودیزل با روغن کلزا) کار می کنند. پروژه های دیگری از واحدهای نیرو وجود دارد که در آینده ممکن است به پیشرانه استاندارد جدید تبدیل شوند وسیله نقلیه.

از جمله منابع احتمالی انرژی مکانیکی برای خودروهای آینده، موتور احتراق خارجی است که در اواسط قرن نوزدهم توسط رابرت استرلینگ اسکاتلندی به عنوان یک ماشین انبساط حرارتی اختراع شد.

طرح کار

موتور استرلینگ انرژی حرارتی تامین شده از بیرون را به کار مکانیکی مفید تبدیل می کند تغییرات دمای سیال کار(گاز یا مایع) در حال گردش در حجم بسته.

به طور کلی، طرح عملکرد دستگاه به شرح زیر است: در قسمت پایین موتور، ماده کار (به عنوان مثال، هوا) گرم می شود و با افزایش حجم، پیستون را به سمت بالا هل می دهد. هوای داغ وارد قسمت بالایی موتور می شود و در آنجا توسط رادیاتور خنک می شود. فشار سیال کار کاهش می یابد، پیستون برای چرخه بعدی پایین می آید. در این حالت سیستم آب بندی می شود و ماده کار مصرف نمی شود و فقط در داخل سیلندر حرکت می کند.

چندین گزینه طراحی برای واحدهای نیرو با استفاده از اصل استرلینگ وجود دارد.

اصلاح استرلینگ "آلفا"

موتور از دو پیستون قدرت مجزا (گرم و سرد) تشکیل شده است که هر کدام در سیلندر خود قرار دارند. گرما با پیستون داغ به سیلندر می رسد و سیلندر سرد در مبدل حرارتی خنک کننده قرار دارد.

اصلاح استرلینگ "بتا"

سیلندر حاوی پیستون از یک طرف گرم و از طرف مقابل خنک می شود. یک پیستون قدرت و یک جابجایی در سیلندر حرکت می کنند که برای تغییر حجم گاز کار طراحی شده است. حرکت برگشت ماده کار خنک شده به داخل حفره داغ موتور توسط احیا کننده انجام می شود.

اصلاح استرلینگ "گاما"

این طرح از دو سیلندر تشکیل شده است. اولی کاملاً سرد است که در آن پیستون قدرت حرکت می کند و دومی که از یک طرف گرم و از طرف دیگر سرد است برای حرکت جابجایی عمل می کند. احیا کننده برای گردش گاز سرد می تواند برای هر دو سیلندر مشترک باشد یا در طراحی جابجایی گنجانده شود.

مزایای موتور استرلینگ

مانند اکثر موتورهای احتراق خارجی، استرلینگ ذاتی است چند سوختی: موتور بدون توجه به دلایلی که باعث ایجاد آن شده است با اختلاف دما کار می کند.

حقیقت جالب!یک بار، نصبی نشان داده شد که بر روی بیست گزینه سوخت کار می کرد. بدون توقف موتور، بنزین به محفظه احتراق خارجی عرضه شد. سوخت دیزلی، متان، نفت خام و روغن نباتی - واحد نیرو به طور پیوسته به کار خود ادامه داد.

موتور دارد سادگی طراحیو نیاز ندارد سیستم های اضافیو پیوست ها(تایمینگ، استارت، گیربکس).

ویژگی های دستگاه طول عمر طولانی را تضمین می کند: بیش از صد هزار ساعت کار مداوم.

موتور استرلینگ بی صدا است، زیرا انفجار در سیلندرها رخ نمی دهد و نیازی به حذف گازهای خروجی نیست. اصلاح "بتا"، مجهز به لوزی مکانیزم میل لنگ، یک سیستم کاملا متعادل است که در حین کار لرزش ندارد.

هیچ فرآیندی در سیلندرهای موتور وجود ندارد که تأثیر منفی بر روی آن داشته باشد محیط. با انتخاب یک منبع گرمایی مناسب (به عنوان مثال انرژی خورشیدی)، استرلینگ می تواند کاملاً باشد سازگار با محیط زیستواحد قدرت.

معایب طرح استرلینگ

با تمام ویژگی های مثبت، استفاده انبوه فوری از موتورهای استرلینگ به دلیل غیرممکن است دلایل زیر:

مشکل اصلی در مصرف مصالح سازه نهفته است. خنک سازی سیال کار مستلزم وجود رادیاتورهای با حجم زیاد است که به میزان قابل توجهی اندازه و مصرف فلز نصب را افزایش می دهد.

سطح فن آوری فعلی به موتور استرلینگ اجازه می دهد تا از نظر عملکرد با موتورهای بنزینی مدرن فقط از طریق استفاده از انواع پیچیده سیال کاری (هلیوم یا هیدروژن) تحت فشار بیش از صد اتمسفر مقایسه شود. این واقعیت سوالات جدی را هم در زمینه علم مواد و هم در زمینه ایمنی کاربر ایجاد می کند.

یک مشکل مهم عملیاتی مربوط به مسائل هدایت حرارتی و مقاومت دمایی فلزات است. گرما از طریق مبدل های حرارتی به حجم کار می رسد که منجر به تلفات اجتناب ناپذیر می شود. علاوه بر این، مبدل حرارتی باید از فلزات مقاوم در برابر حرارت ساخته شود که در برابر فشار بالا مقاوم هستند. مواد مناسببسیار گران و دشوار برای پردازش.

اصول تغییر حالت های موتور استرلینگ نیز اساساً با موارد سنتی متفاوت است که نیاز به توسعه دستگاه های کنترل ویژه دارد. بنابراین، برای تغییر قدرت، باید فشار در سیلندرها، زاویه فاز بین جابجایی و پیستون قدرت را تغییر داد یا بر ظرفیت حفره با سیال کار تأثیر گذاشت.

یکی از راه های کنترل سرعت شفت در مدل موتور استرلینگ را می توان در این قسمت مشاهده کرد ویدیوی بعدی:

بهره وری

در محاسبات نظری، راندمان موتور استرلینگ به اختلاف دمای سیال عامل بستگی دارد و می تواند مطابق با چرخه کارنو به 70 درصد یا بیشتر برسد.

با این حال، اولین نمونه های ساخته شده در فلز به دلایل زیر بازده بسیار پایینی داشتند:

• انواع ناکارآمد مایع خنک کننده (سیال کار) که حداکثر دمای گرمایش را محدود می کند.
• تلفات انرژی به دلیل اصطکاک قطعات و هدایت حرارتی محفظه موتور.
• عدم وجود مصالح ساختاری مقاوم در برابر فشار بالا.

راه حل های مهندسی به طور مداوم طراحی واحد قدرت را بهبود بخشیده است. بنابراین، در نیمه دوم قرن بیستم، یک خودروی چهار سیلندر موتور استرلینگ با درایو لوزی بازدهی برابر با 35 درصد را در آزمایشات نشان دادبر روی یک خنک کننده آب با دمای 55 درجه سانتیگراد. مطالعه دقیق طراحی، استفاده از مواد جدید و تنظیم دقیق واحدهای کار، کارایی نمونه های آزمایشی را در 39٪ تضمین کرد.

توجه داشته باشید! موتورهای بنزینی مدرن با قدرت مشابه دارای ضریب هستند اقدام مفیددر سطح 28-30٪ و موتورهای دیزل توربوشارژ در 32-35٪.

نمونه های مدرن موتور استرلینگ، مانند نمونه ای که توسط شرکت آمریکایی Mechanical Technology Inc ساخته شده است، کارایی تا 43.5٪ را نشان می دهد. و با توسعه تولید سرامیک های مقاوم در برابر حرارت و مواد ابتکاری مشابه، افزایش قابل توجه دمای محیط کار و دستیابی به راندمان 60 درصد امکان پذیر خواهد بود.

نمونه هایی از اجرای موفقیت آمیز استرلینگ های خودرویی

با وجود تمام مشکلات، مدل های قابل اجرا بسیاری از موتور استرلینگ وجود دارد که در صنعت خودروسازی قابل استفاده است.

علاقه به استرلینگ، مناسب برای نصب در ماشین، در دهه 50 قرن XX ظاهر شد. کار در این جهت توسط نگرانی هایی مانند فورد انجام شد شرکت موتور, گروه فولکس واگنو دیگران.

یونیتد استیرلینگ (سوئد) استرلینگ را توسعه داد که از قطعات سریال و مجموعه های تولید شده توسط خودروسازان حداکثر استفاده را کرد. میل لنگ، میله های اتصال). چهار سیلندر حاصل موتور V شکلوزن مخصوص 2.4 کیلوگرم بر کیلووات داشت که با ویژگی های یک موتور دیزل فشرده قابل مقایسه است. این واحد به عنوان نیروگاه وانت بار هفت تنی با موفقیت آزمایش شد.

یکی از نمونه های موفق این است موتور چهار سیلندراسترلینگ محصول هلندی فیلیپس مدل 4-125DA که برای نصب روی خودروی سواری در نظر گرفته شده است. قدرت کار موتور 173 لیتر بود. با. در اندازه های مشابه کلاسیک واحد بنزین.

مهندسان به نتایج قابل توجهی دست یافته اند عمومیموتورز با ساخت یک هشت سیلندر (4 سیلندر کار و 4 سیلندر تراکمی) در دهه 70 موتور Vاسترلینگ با مکانیزم میل لنگ استاندارد.

نیروگاه مشابه در سال 1972 مجهز بودن نسخه محدود ماشین های فوردتورینوکه مصرف سوخت آن نسبت به بنزین کلاسیک 25 درصد کاهش یافته است هشت V شکل.

در حال حاضر بیش از پنجاه شرکت خارجی برای بهبود طراحی موتور استرلینگ به منظور تطبیق آن با تولید انبوه برای نیازهای صنعت خودرو کار می کنند. و اگر بتوان کاستی های این نوع موتورها را برطرف کرد و در عین حال مزایای آن را نیز حفظ کرد، این استرلینگ است و نه توربین ها و موتورهای الکتریکی که جایگزین موتورهای احتراق داخلی بنزینی می شود.

این جایگزین انواع دیگر نیروگاه ها شد، با این حال، کار با هدف کنار گذاشتن استفاده از این واحدها حاکی از تغییر قریب الوقوع در موقعیت های پیشرو است.

در ابتدا پیشرفت فنیزمانی که استفاده از موتورهایی که در داخل سوخت می سوزانند تازه شروع شده بود، برتری آنها آشکار نبود. موتور بخاربه عنوان یک رقیب دارای مزایای زیادی است: در کنار پارامترهای کشش، بی صدا، همه چیزخوار، آسان برای کنترل و پیکربندی است. اما سبکی، قابلیت اطمینان و کارایی به موتور احتراق داخلی اجازه می دهد تا بخار را تصاحب کند.

امروزه مسائل زیست محیطی، اقتصاد و ایمنی در خط مقدم قرار دارند. این امر مهندسان را مجبور می کند تا نیروهای خود را بر روی واحدهای سریالی که بر روی منابع سوخت تجدیدپذیر کار می کنند پرتاب کنند. در سال 16 قرن نوزدهم، رابرت استرلینگ موتوری را ثبت کرد که از آن نیرو می گرفت منابع خارجیحرارت. مهندسان معتقدند که این واحد قادر به تغییر رهبر مدرن است. موتور استرلینگ راندمان، قابلیت اطمینان را با هم ترکیب می‌کند، بی‌صدا و با هر سوختی کار می‌کند و این باعث می‌شود محصول در بازار خودرو به یک بازیکن تبدیل شود.

رابرت استرلینگ (1790-1878):

تاریخچه موتور استرلینگ

در ابتدا، نصب با هدف جایگزینی دستگاه بخار ساخته شد. دیگ‌های مکانیزم بخار وقتی بیش از حد منفجر شدند هنجارهای مجازفشار. از این منظر، استرلینگ بسیار ایمن تر است و با استفاده از تفاوت دما کار می کند.

اصل کار موتور استرلینگ تامین یا حذف متناوب گرما از ماده ای است که کار روی آن انجام می شود. خود ماده در یک حجم محصور شده است نوع بسته. نقش ماده کار توسط گازها یا مایعات انجام می شود. موادی هستند که نقش دو جزء را ایفا می کنند، گاز به مایع تبدیل می شود و بالعکس. موتور استرلینگ پیستون مایع دارای ابعاد کوچک، قدرتمند، فشار بالا است.

کاهش و افزایش حجم گاز در حین سرمایش یا گرمایش به ترتیب توسط قانون ترمودینامیک تأیید می شود که طبق آن همه اجزاء عبارتند از: درجه حرارت، مقدار فضای اشغال شده توسط ماده، نیروی وارد بر واحد سطح. ، با فرمول مرتبط و توصیف می شوند:

P*V=n*R*T

• P نیروی گاز در موتور در واحد سطح است.
• V مقدار کمی است که توسط گاز در فضای موتور اشغال شده است.
• n مقدار مولی گاز در موتور است.
• R ثابت گاز است.
• T درجه گرمایش گاز در موتور K است،

مدل موتور استرلینگ:

به دلیل بی تکلف بودن تاسیسات، موتورها به سوخت جامد، سوخت مایع، انرژی خورشیدی، واکنش شیمیایی و سایر انواع گرمایش تقسیم می شوند.

چرخه

موتور احتراق خارجی استرلینگ از مجموعه ای از پدیده ها به همین نام استفاده می کند. تأثیر عمل مداوم در مکانیسم زیاد است. به همین دلیل می توان موتوری با مشخصات خوب در ابعاد معمولی طراحی کرد.

باید در نظر داشت که در طراحی مکانیسم یک بخاری، یک یخچال و یک احیاگر، دستگاهی برای حذف گرما از ماده و بازگشت گرما در زمان مناسب ارائه شده است.

چرخه ایده آل استرلینگ، (نمودار "دما-حجم"):

پدیده های دایره ای ایده آل:

• 1-2 تغییر در ابعاد خطی یک ماده با دمای ثابت.
• 2-3 حذف گرما از ماده به مبدل حرارتی، فضای اشغال شده توسط ماده ثابت است.
• 3-4 کاهش اجباری فضای اشغال شده توسط ماده، دما ثابت است، گرما به کولر منتقل می شود.
• 4-1 افزایش اجباری دمای ماده، فضای اشغال شده ثابت است، گرما از مبدل حرارتی تامین می شود.

چرخه ایده آل استرلینگ، (نمودار فشار-حجم):

از محاسبه (مول) یک ماده:

ورودی گرما:

گرمای دریافتی کولر:

مبدل حرارتی گرما را دریافت می کند (فرآیند 2-3)، مبدل حرارتی گرما می دهد (فرآیند 4-1):

R - ثابت گاز جهانی؛

CV - توانایی گاز ایده آلگرما را با مقدار ثابتی از فضای اشغال شده حفظ می کند.

به دلیل استفاده از یک احیا کننده، بخشی از گرما به عنوان انرژی مکانیسم باقی می ماند که در طی پدیده های دایره ای عبوری تغییر نمی کند. یخچال گرمای کمتری دریافت می کند، بنابراین مبدل حرارتی باعث صرفه جویی در گرمای بخاری می شود. این باعث افزایش کارایی نصب می شود.

کارایی پدیده دایره ای:

ɳ =

قابل ذکر است که بدون مبدل حرارتی، مجموعه فرآیندهای استرلینگ امکان پذیر است، اما بازده آن بسیار کمتر خواهد بود. اجرای مجموعه ای از فرآیندها به عقب منجر به توضیح مکانیزم خنک کننده می شود. در این مورد، وجود یک احیا کننده، شرط لازم، زیرا هنگام عبور (3-2) نمی توان ماده را از کولر گرم کرد که دمای آن بسیار کمتر است. همچنین نمی توان به بخاری (1-4) حرارت داد که دمای آن بالاتر است.

اصل موتور

برای اینکه بفهمیم موتور استرلینگ چگونه کار می کند، بیایید به دستگاه و فرکانس پدیده های واحد نگاه کنیم. این مکانیزم گرمای دریافتی از بخاری واقع در خارج از محصول را به نیروی وارد بر بدنه تبدیل می کند. کل فرآیند به دلیل اختلاف دما در ماده کاری که در یک مدار بسته است رخ می دهد.

اصل عملکرد مکانیسم مبتنی بر انبساط در اثر گرما است. بلافاصله قبل از انبساط، ماده در مدار بسته گرم می شود. بر این اساس، قبل از فشرده شدن، ماده سرد می شود. خود سیلندر (1) در یک ژاکت آب (3) پیچیده شده است، گرما به پایین عرضه می شود. پیستونی که کار را انجام می دهد (4) در آستین قرار می گیرد و با حلقه ها مهر و موم می شود. بین پیستون و پایین یک مکانیسم جابجایی (2) وجود دارد که دارای شکاف های قابل توجهی است و آزادانه حرکت می کند. ماده در یک مدار بسته به دلیل جابجایی در حجم محفظه حرکت می کند. حرکت ماده به دو جهت محدود می شود: پایین پیستون، پایین سیلندر. حرکت جابجایی توسط میله ای (5) که از پیستون می گذرد و در مقایسه با محرک پیستون با 90 درجه دیرتر کار می کند، تامین می شود.

• موقعیت "الف":

پیستون در پایین ترین موقعیت قرار دارد، ماده توسط دیواره ها خنک می شود.

• موقعیت "ب":

جابجایی اشغال می کند موقعیت برتر، حرکت می کند، ماده را از طریق شکاف های انتهایی به پایین می گذراند، خود را خنک می کند. پیستون ثابت است.

• موقعیت "C":

این ماده گرما را دریافت می کند ، تحت تأثیر گرما حجم آن افزایش می یابد و منبسط کننده را با پیستون به سمت بالا بالا می برد. کار انجام می شود، پس از آن جابجایی به پایین فرو می رود، ماده را بیرون می راند و خنک می شود.

• موقعیت "د":

پیستون پایین می آید، ماده خنک شده را فشرده می کند، کار مفیدی انجام می شود. فلایویل به عنوان یک انباشته کننده انرژی در طراحی عمل می کند.

مدل در نظر گرفته شده بدون احیا کننده است، بنابراین بازده مکانیزم بالا نیست. گرمای ماده پس از کار با استفاده از دیواره ها به مایع خنک کننده منتقل می شود. دما زمان لازم برای کاهش به میزان لازم را ندارد، بنابراین زمان خنک شدن طولانی می شود، سرعت موتور کم است.

انواع موتور

از نظر ساختاری، چندین گزینه با استفاده از اصل استرلینگ وجود دارد، انواع اصلی عبارتند از:

در طراحی از دو پیستون مختلف استفاده شده است که در خطوط مختلف قرار گرفته اند. مدار اول برای گرمایش و مدار دوم برای سرمایش استفاده می شود. بر این اساس، هر پیستون دارای احیاگر (گرم و سرد) مخصوص به خود است. این دستگاه از نسبت قدرت به حجم مناسبی برخوردار است. نقطه ضعف آن این است که دمای احیاگر داغ مشکلات طراحی را ایجاد می کند.

• موتور "β - استرلینگ":

این طرح از یک مدار بسته، با دماهای مختلف در انتها (سرد، گرم) استفاده می کند. یک پیستون با جابجایی در حفره قرار دارد. جابجایی فضا را به مناطق سرد و گرم تقسیم می کند. تبادل سرما و گرما با پمپاژ یک ماده از طریق مبدل حرارتی انجام می شود. از نظر ساختاری، مبدل حرارتی در دو نسخه ساخته شده است: خارجی، همراه با جابجایی.

• موتور "γ - استرلینگ":

مکانیسم پیستون استفاده از دو را فراهم می کند حلقه های بسته: سرد و با جابجایی. برق از پیستون سرد خارج می شود. پیستون جابجایی از یک طرف گرم و از طرف دیگر سرد است. مبدل حرارتی هم در داخل و هم در خارج از سازه قرار دارد.

مقداری نیروگاه هامشابه انواع اصلی موتورها نیستند:

• موتور روتاری استرلینگ.

از نظر ساختاری، اختراع با دو روتور روی شفت. قسمت به داخل می چرخد فضای بستهشکل استوانه ای یک رویکرد هم افزایی برای اجرای چرخه گذاشته شده است. بدنه شامل شکاف های شعاعی است. تیغه هایی با مشخصات مشخص به داخل فرورفتگی ها وارد می شوند. صفحات روی روتور قرار می گیرند و در هنگام چرخش مکانیزم می توانند در امتداد محور حرکت کنند. تمام جزئیات با پدیده هایی که در آنها اتفاق می افتد، حجم های متغیری را ایجاد می کنند. حجم های روتورهای مختلف توسط کانال ها به هم متصل می شوند. ترتیبات کانال با 90 درجه نسبت به یکدیگر جابجا می شوند. جابجایی روتورها نسبت به یکدیگر 180 درجه است.

• موتور ترموآکوستیک استرلینگ.

موتور از رزونانس صوتی برای انجام فرآیندها استفاده می کند. این اصل بر اساس حرکت ماده بین یک حفره سرد و گرم است. مدار باعث کاهش تعداد قطعات متحرک، مشکل در حذف توان دریافتی و حفظ رزونانس می شود. طراحی به نوع موتور پیستون آزاد اشاره دارد.

موتور استرلینگ DIY

امروزه اغلب در فروشگاه آنلاین می توانید سوغاتی هایی را که به شکل موتور مورد نظر ساخته شده اند پیدا کنید. از نظر ساختاری و تکنولوژیکی، مکانیسم ها بسیار ساده هستند؛ در صورت تمایل، ساخت موتور استرلینگ با دستان خود از وسایل بداهه آسان است. در اینترنت می توانید تعداد زیادی مواد را پیدا کنید: فیلم ها، نقشه ها، محاسبات و سایر اطلاعات در مورد این موضوع.

موتور استرلینگ دمای پایین:

• ساده ترین نسخه موتور موج را در نظر بگیرید که برای آن به یک قوطی حلبی، فوم پلی اورتان نرم، یک دیسک، پیچ و مهره و گیره کاغذ نیاز دارید. یافتن همه این مواد در خانه آسان است، باید مراحل زیر را انجام دهید:
• یک فوم پلی اورتان نرم بردارید، دو میلی متر قطر کمتر از قطر داخلی ببرید قوطی کنسرودایره. ارتفاع فوم دو میلی متر بیشتر از نصف ارتفاع قوطی است. لاستیک فوم نقش جابجایی را در موتور بازی می کند.
• درب شیشه را بردارید و وسط آن را سوراخ کنید به قطر دو میلی متر. یک میله توخالی را به سوراخ لحیم کنید، که به عنوان راهنمای میله اتصال موتور عمل می کند.
• یک دایره برش خورده از فوم بردارید، یک پیچ را در وسط دایره قرار دهید و آن را از دو طرف قفل کنید. یک گیره کاغذ از قبل صاف شده را به واشر لحیم کنید.
• یک سوراخ دو سانتی متری از مرکز به قطر سه میلی متر دریل کنید، جابجایی را از آن رد کنید. سوراخ مرکزیدرب، درب را به شیشه لحیم کنید.
• یک سیلندر کوچک به قطر یک و نیم سانتی متر از قلع درست کنید، آن را طوری به درب قوطی لحیم کنید که سوراخ کناری درب به وضوح در مرکز سیلندر موتور قرار گیرد.
• از یک گیره میل لنگ موتور بسازید. محاسبه به گونه ای انجام می شود که فاصله زانوها 90 درجه باشد.
• پایه ای برای میل لنگ موتور درست کنید. از یک فیلم پلاستیکی، یک غشای الاستیک بسازید، فیلم را روی سیلندر قرار دهید، آن را فشار دهید، آن را ثابت کنید.

• خودتان یک میله اتصال موتور درست کنید، یک سر محصول صاف شده را به شکل دایره خم کنید، سر دیگر را داخل یک تکه پاک کن قرار دهید. طول به گونه ای تنظیم می شود که در پایین ترین نقطه شفت، غشاء در نهایت جمع شود. نقطه بالا، غشاء حداکثر کشیده است. میله اتصال دیگر را به همین ترتیب تنظیم کنید.
• شاتون موتور را با نوک لاستیکی به غشا بچسبانید. میله اتصال را بدون نوک لاستیکی روی جابجایی نصب کنید.
• پوشیدن مکانیزم میل لنگچرخ فلایویل موتور از دیسک. پاها را به شیشه بچسبانید تا محصول را در دستان خود نگه ندارید. ارتفاع پاها به شما امکان می دهد شمع را زیر شیشه قرار دهید.

بعد از اینکه توانستیم یک موتور استرلینگ در خانه بسازیم، موتور روشن می شود. برای این کار یک شمع روشن زیر شیشه قرار می دهند و پس از گرم شدن شیشه به چرخ فلایویل انگیزه می دهند.

گزینه نصب در نظر گرفته شده را می توان به سرعت در خانه به عنوان یک کمک بصری مونتاژ کرد. اگر هدف و تمایل دارید که موتور استرلینگ را تا حد امکان به همتایان کارخانه نزدیک کنید، نقشه هایی از تمام جزئیات در حوزه عمومی وجود دارد. قدم گذاشتنهر گره به شما این امکان را می دهد که یک طرح بندی کاری ایجاد کنید که بدتر از نسخه های تجاری نیست.

مزایای

موتور استرلینگ دارای مزایای زیر است:

• تفاوت دما برای عملکرد موتور ضروری است، که سوخت باعث گرم شدن آن نمی شود.
• بدون نیاز به استفاده از لولایی و تجهیزات کمکی، طراحی موتور ساده و قابل اعتماد است.
• منبع موتور، با توجه به ویژگی های طراحی، 100000 ساعت کار است.
• عملکرد موتور سر و صدای اضافی ایجاد نمی کند، زیرا هیچ انفجاری وجود ندارد.
• فرآیند کار موتور با انتشار مواد زائد همراه نیست.
• عملکرد موتور با حداقل لرزش همراه است.
• فرآیندهای موجود در سیلندرهای کارخانه سازگار با محیط زیست هستند. استفاده از منبع حرارتی مناسب موتور را تمیز نگه می دارد.

ایرادات

معایب موتور استرلینگ عبارتند از:

• راه اندازی مشکل است تولید انبوه، زیرا از نظر ساختاری موتور نیاز به استفاده دارد تعداد زیادیمواد؛
• وزن بالا و ابعاد بزرگموتور، زیرا خنک کننده موثرشما باید از یک رادیاتور بزرگ استفاده کنید.
• برای افزایش راندمان، موتور با استفاده از مواد پیچیده (هیدروژن، هلیوم) به عنوان سیال کار تقویت می شود که عملکرد دستگاه را خطرناک می کند.
• مقاومت حرارتی بالا آلیاژهای فولادی و هدایت حرارتی آنها فرآیند ساخت موتور را پیچیده می کند. تلفات حرارتی قابل توجه در مبدل حرارتی باعث کاهش راندمان دستگاه می شود و استفاده از مواد خاص باعث گرانی ساخت موتور می شود.
• برای تنظیم و تغییر موتور از حالت به حالت، باید اعمال کنید دستگاه های خاصمدیریت.

استفاده

موتور استرلینگ جایگاه خود را پیدا کرده است و به طور فعال در مواردی استفاده می شود که ابعاد و همه چیزخوار بودن یک معیار مهم است:

• موتور-ژنراتور استرلینگ.

مکانیزمی برای تبدیل گرما به انرژی الکتریکی. اغلب محصولاتی وجود دارد که به عنوان ژنراتور توریستی قابل حمل، تاسیساتی برای استفاده از انرژی خورشیدی استفاده می شود.

• موتور مانند یک پمپ (برقی) است.

موتور برای نصب در مدار استفاده می شود سیستم های گرمایشیصرفه جویی در انرژی الکتریکی

• موتور مانند پمپ (هیتر) است.

در کشورهایی که آب و هوای گرم دارند، از موتور به عنوان گرم کننده فضا استفاده می شود.

موتور استرلینگ در زیردریایی:

• موتور مانند پمپ (کولر) است.

تقریباً همه یخچال ها در طراحی خود از پمپ های حرارتی استفاده می کنند، نصب موتور استرلینگ باعث صرفه جویی در منابع می شود.

• موتور مانند پمپی است که سطح حرارت بسیار کم ایجاد می کند.

دستگاه به عنوان یخچال استفاده می شود. برای انجام این کار، فرآیند در شروع می شود سمت معکوس. واحدها گاز را مایع می کنند، عناصر اندازه گیری را در مکانیسم های دقیق خنک می کنند.

• موتور زیر آب.

زیردریایی های سوئد و ژاپن به لطف موتور کار می کنند.

موتور استرلینگ به عنوان یک تاسیسات خورشیدی:

• موتور مانند باتری انرژی است.

سوخت در چنین واحدهایی، نمک ذوب می شود، موتور به عنوان منبع انرژی استفاده می شود. از نظر ذخایر انرژی، موتور از عناصر شیمیایی جلوتر است.

• موتور خورشیدی

انرژی خورشید را به برق تبدیل کنید. ماده در این مورد، هیدروژن یا هلیوم. موتور در کانون حداکثر غلظت انرژی خورشید قرار می گیرد که با استفاده از یک آنتن سهموی ایجاد می شود.

بسیاری از مردم به اصل عملکرد موتور استرلینگ علاقه مند هستند و نه تنها از روی کنجکاوی بیکار، بلکه به این دلیل که اگر اساس عملکرد آن را درک نکنید، ساخت یک مدل کار بسیار دشوار است. در این نشریه به تفصیل و به اختصار به این سوال پاسخ داده شده است. و همه چیز به وضوح در آموزش ویدیویی با تمام طرح ها ارائه شده است.

شما می توانید یک ژنراتور عالی را در این فروشگاه چینی پیدا کنید.

ابتدا در نظر بگیرید

خود موتور شامل یک سیلندر است که جابجایی در آن حرکت می کند و یک سیلندر دوم که پیستون کار در آن حرکت می کند. دیواره های جانبی سیلندر بزرگ گرما را هدایت نمی کنند. بالا سرد است، پایین گرم است. هنگامی که جابجایی به سمت پایین حرکت می کند و صفحه داغ را مسدود می کند، هوا به شدت خنک می شود و فشرده می شود و پیستون کار را به داخل می کشد (سبز در فیلم).

هنگامی که جابجایی به سمت بالا حرکت می کند، صفحه سرد را می پوشاند، هوا از صفحه پایین به شدت گرم می شود، (در اثر گرم شدن) منبسط می شود و پیستون سبز رنگ کار را به سمت بالا جابجا می کند.

اصل عملکرد یک موتور استرلینگ با دمای بالا

سمت چپ و راست سیلندر با هم تماس ندارند. بین آنها یک عایق حرارت قرار دارد. هنگامی که جابجایی در سمت چپ است، کل را جابجا می کند هوای گرمدر سمت راست، هوا خنک می شود و پیستون کار را می مکد. هنگامی که جابجایی به سمت راست می رود، تمام هوا را به داخل محفظه داغ می زند، هوا گرم می شود، منبسط می شود و پیستون کار را به سمت راست جابجا می کند. پیستون کار و جابجایی توسط یک میل لنگ با افست 90 درجه به هم متصل می شوند. سپس چرخه تکرار می شود.

برای اینکه در نهایت اصل کار موتور استرلینگ را درک کنید، باید طراحی کاری آن را جمع آوری کنید و در فرآیند تنظیم دقیق، آن را بهبود بخشید و در پیکربندی های مختلف آزمایش کنید.
برای درک ساده قوانینی که موتور بر اساس آن کار می کند، کافی است این کار را انجام دهید:
- یک سیلندر با جابجایی بسازید.
- به جای پیستون کار، یک لاستیک نصب کنید بالون;
- هنوز چرخ فلایویل را نصب نکنید.
- قسمت پایینی دستگاه را گرم کنید، قسمت بالایی را خنک کنید و شروع به تغییر موقعیت جابجایی کنید.
- اگر سعی کنید جابجایی را بلند کنید - توپ به شدت باد می شود.
- اگر جابجایی را پایین بیاورید - توپ منفجر می شود.
پس اینها مراحل سادهبه وضوح نشان می دهد که چگونه همه چیز در مکانیسم موتور اتفاق می افتد.
- بعد، بالون را با یک پیستون جایگزین کنید.
- پیستون باید آزادانه حرکت کند، اما همه چیز باید طوری تنظیم شود که هوا از آن عبور نکند.
- پیستون را با گریس سیلیکونی روغن کاری کنید.
- همان مراحلی را که قبلاً با توپ انجام شده بود، اما با پیستون انجام دهید.
- حرکت پیستون را مشاهده کنید، آن را در یادداشت های دفتر کار ثابت کنید تا ضربان (خم) میل لنگ را محاسبه کنید.
- یک چرخ فلایو، شاتون، میل لنگ بسازید و تمام، موتور استرلینگ آماده است!
- تست نهایی دستگاه تمام شده

نکات مهم در صورتی که موتور را خودتان می سازید

1. دیواره های سیلندر، جایی که جابجایی می رود، باید طوری ساخته شوند که گرما را هدایت نکنند.
2. یک سر سیلندر سرد است، سر دیگر گرم است. هر چه اختلاف دما بیشتر باشد راندمان بالاتر است.
3. بین دیواره های سیلندر و جابجایی فاصله (3 میلی متر کافی است) باید وجود داشته باشد تا جا برای نشت هوا از محفظه سرد به محفظه گرم وجود داشته باشد.
4. نباید نشتی هوا وجود داشته باشد (آنها را به حداقل برسانید). این یکی از اصلی ترین دلایلی است که از کارکرد موتور جلوگیری می کند.
5. تمام اصطکاک را به حداکثر برسانید. استفاده کنید گریس سیلیکونی- نتیجه بسیار خوبی می دهد.
در کار فنی خود موفق باشید!

چگونه یک ژنراتور جریان را برای این موتور تطبیق دهیم. و در اینجا یک مدل دیگر است که می توانید در خانه مونتاژ کنید.

موتورهای استرلینگ چگونه کار می کنند؟

نزدیک به 200 سال است که موتورهای حرارتی که با نام مخترع خود شناخته می شوند، به عنوان موتورهای استرلینگ شناخته می شوند. مخترع آنها روی ساخت کارآمدترین یا بهینه ترین کار کار کرد موتور گرمایی. استرلینگ به روشی نسبتاً علمی به مسئله نزدیک شد. یعنی موتور (گردش نظری آن) قبل از ساخته شدن نمونه اولیه به صورت محاسباتی مورد تجزیه و تحلیل و تأیید قرار گرفت. همه چیز در تئوری بسیار امیدوار کننده به نظر می رسید. در اصل، تا کنون فرض بر این بوده است که آنها باید یکی از کارآمدترین موتورهای حرارتی باشند. پس چرا نباید با وسایل نقلیه استرلینگ با وجود مزایای فراوانشان سفر کنیم؟

طراحی یک موتور استرلینگ از اختراع اصلی 1816. منبع: Wikimedia Commons، .

برای بدست آوردن نیروی مفید از یک موتور پیستونی، باید گشتاور به اندازه کافی بالا داشته باشد یا به سرعت چرخشی بالایی برسد. موتورهای استرلینگ نمی رسند سرعت های بالاچرخش، پس بیایید به لحظه نگاه کنیم. اساساً این بستگی به نیروی وارد بر پیستون دارد و این به نوبه خود به فشار سیال عامل در حرکت کار و سطح پیستون که کار می کند بستگی دارد. این ملاحظات ساده به ما در درک مشکلات ساختاری موتورهای استرلینگ کمک می کند. برای اینکه یک موتور بزرگتر از مدل روی میز باشد، باید بزرگ باشد - دارای قطر زیادی از پیستون در حال کار باشد، یا پیستون باید در هنگام ضربه قدرت تحت فشار زیاد باشد.

یک مدل معمولی "رومیزی" از موتور استرلینگ مربوط به قرن بیستم و بیست و یکم. قطر فلایویل: حدود 30 میلی متر. باید در گروه به اصطلاح «گجت ها» قرار گیرد.

تاریخچه موتور استرلینگ در قرن نوزدهم

در اوایل قرن نوزدهم، موتورها عمدتاً برای به حرکت درآوردن ماشین‌ها (مانند پمپ در معادن، موتورهای مرکزی در کارخانه‌ها) استفاده می‌شد و موتورها می‌توانستند بزرگ باشند. سیلندرهای کاری با قطر بیش از 0.5-1 متر در دستور کار قرار گرفت، با وجود این، موتورهای بخار Watt در رقابت موتورهای استرلینگ پیروز شدند. درست است، موتورهای استرلینگ در طراحی و پردازش ساده‌تر بودند، اما موتورهای بخار، از جمله کل سیستم (دیگ بخار) و تمام کاستی‌های آن‌ها، با این حال، کارآمدتر بودند (بخوانید: کارکرد ارزان‌تر) و قدرت بیشتری ارائه می‌دادند. حتی در سیستم های موبایلمانند کشتی ها و قطارها (در انگلستان و اسکاتلند در اواسط قرن نوزدهم، شبکه راه آهن قبلا توسعه یافته بود)، موتورهای بخار بسیار بهتر بودند.

یک موتور صنعتی استرلینگ از حدود سال 1860. موتور تولید شده توسط اریکسون معرفی شد، چرخه اصلاح شده استرلینگ را به نام خالق آن اجرا کرد. اریکسون. منبع: Wikimedia Commons Vasarnapi Ujsag, 1861/8 .

مطمئناً موتورهای استرلینگ اینجا و آنجا مورد استفاده قرار می گرفتند، اما آنها بر بازار تسلط نداشتند. علاوه بر این، موتورهای استرلینگ نصب شده اغلب با موتورهای بخار جایگزین می شدند و آنهایی که باقی می ماندند قبلاً کمیاب و کاربردهای خاص در نظر گرفته می شدند. در اروپا، شاید معروف ترین موتورهای استرلینگ از قرن نوزدهم و بیستم، موتورهایی بودند که در پمپ های آکواریومی استفاده می شدند. یکی از معروف ترین تولیدکنندگان اینگونه موتورها در این دوره، این شرکت بود لوئیس هاینرچی .

خانواده موتورهای استرلینگ از لوئیس هاینرچی. تصویر از کاتالوگ شرکت از سال 1914. منبع: Wikimedia Commons

اما برگردیم به موضوع. در پایان قرن نوزدهم، موتورهای احتراق داخلی ابتدا با گاز و سپس با سوخت مایع ظاهر شدند. علاوه بر این، در درایوهای خودروموتورهای الکتریکی نیز وجود داشت. از نظر تئوری، موتورهای استرلینگ باید بهترین باشند (به هر معنی که باشد)، بنابراین در تمام مدت دنیای علم و فناوری به طور دوره ای به آنها علاقه داشت. از آنجایی که ساخت موتورهای عظیم استرلینگ در قرن نوزدهم معنای خود را از دست داد، تلاش هایی برای ساخت موتورهای کوچک، اما با فشار زیاد سیال عامل، به طوری که سیستم های محرکه ایجاد شده قابل رقابت با موتورهای احتراق داخلی باشد. اوج کار روی چنین موتورهایی در دهه 1950 و 1960 رخ داد. البته گروه قابل توجهی از مشکلات به وجود آمد که کم و بیش با موفقیت حل شد.

یک ژنراتور الکتریکی در دسترس تجاری که توسط یک موتور فیلیپس استرلینگ از اواسط قرن بیستم (1953) هدایت می شد. برق: حدود 180 وات ارتفاع کیس: حدود 0.5 متر منبع: Wikimedia Commons، Norbert Schnitzler.

استفاده از هلیوم

در همان زمان، ایده جایگزینی عامل کار ظاهر شد. تا به حال با شعار "فاکتور کار" در موتورهای استرلینگ، معمول را می فهمیدیم هوای جوی. در مقطعی مهندسان و دانشمندان این سوال را مطرح کردند که آیا از نظر خواص ترمودینامیکی چیز بهتری وجود دارد؟ آره. کم و بیش از دهه 1930، این گاز به صورت تجاری در مقادیر صنعتی فروخته می شد. این هلیوم است. استفاده از هلیوم به عنوان یک محیط کار به طور قابل توجهی کارایی موتورهای استرلینگ را افزایش می دهد. با این حال، استفاده از یک عامل جدید باعث ایجاد مشکلات کاملاً جدیدی شد. هلیوم حتی در دمای اتاق ضعیف ذخیره می شود. به این معنا که. به دلیل ذرات بسیار کوچک، تمایل به نفوذ به اکثر مواد مورد استفاده در فناوری سر فولادی دارد. در دهه 60 و 70، موتورهای هلیوم مورد مطالعه قرار گرفتند. آنها ویژگی برجسته، در عکس ها قابل مشاهده است ... به موتور سیلندر هلیوم متصل است که برای پر کردن گاز خارج شده از موتور تقریباً از طریق تمام عناصر آن استفاده می شود. مشکل جدی بود. به منظور رقابت با سایر سیستم‌های محرکه (یعنی عمدتاً موتورهای احتراق داخلی)، فشار متوسط ​​محیط کار در موتورهای استرلینگ 20…30 بار بود و دمای قسمت‌های داغ موتورها (هیتر) اغلب از 500 فراتر می‌رفت. درجه سانتیگراد (با اختلاف دمای 400 درجه). مشکلات نشتی موتورهای "هلیوم" هنوز به صورت عملی و اقتصادی حل نشده است. به منظور رقابت با سایر سیستم‌های محرکه (یعنی عمدتاً موتورهای احتراق داخلی)، فشار متوسط ​​محیط کار در موتورهای استرلینگ 20…30 بار بود و دمای قسمت‌های داغ موتورها (هیتر) اغلب از 500 فراتر می‌رفت. درجه سانتیگراد (با اختلاف دمای 400 درجه). مشکلات نشتی موتورهای "هلیوم" هنوز به صورت عملی و اقتصادی حل نشده است. به منظور رقابت با سایر سیستم‌های محرکه (یعنی عمدتاً موتورهای احتراق داخلی)، فشار متوسط ​​محیط کار در موتورهای استرلینگ 20…30 بار بود و دمای قسمت‌های داغ موتورها (هیتر) اغلب از 500 فراتر می‌رفت. درجه سانتیگراد (با اختلاف دمای 400 درجه). مشکلات نشتی موتورهای "هلیوم" هنوز به صورت عملی و اقتصادی حل نشده است.

موتورهای استرلینگ، استفاده از آنها در پایان قرن بیستم

در پایان قرن بیستم، موتورهای استرلینگ دوباره بازگشتند. ناسا، وزارت خارجه ایالات متحده و اتحادیه اروپا در تحقیقات نسل جدید موتورهای استرلینگ سرمایه گذاری کرده اند. آنها عمدتاً برای سیستم های خورشیدی در نظر گرفته شده بودند (یعنی منبع گرما باید نور خورشید متمرکز بر بخاری موتور توسط یک آینه سهموی بزرگ باشد). بسیاری از این موتورها طراحی ناهمواری داشتند.

نمونه ای از طراحی موتور استرلینگ که توسط آقای Maciej Zukas مطابق با پتنت P.389415 پیشنهاد شده است. این پروژه به عنوان بخشی از کار کارشناسی ارشد در دانشکده SiMR در دانشگاه صنعتی ورشو (راهنما: پروفسور ویاسلاو اوستاپسکی، دکترا، مهندس.

ایده این ایده این بود که کل موتور با ژنراتور الکتریکیباید در محفظه غیر قابل جابجایی مهر و موم شده (برای هلیوم) مهر و موم شود، با توجه به اینکه نمی توان آن را در تمام طول عمر خود استفاده کرد. با این حال، این بار این فناوری شکست خورد. اگر نتایج مثبت به دست می آمد، با هزینه های بسیار بالایی همراه بود. از همه مهمتر، متداول ترین موتورهای استرلینگ قرن بیستم در فن های رومیزی هندی باقی ماندند که از نظر ساختاری مشابه پمپ های آکواریومی فوق الذکر بودند.

نمونه ای از یک منظومه شمسی با یک ژنراتور الکتریکی که توسط موتور استرلینگ هدایت می شود.

اکولوژی مصرف علم و فناوری: موتور استرلینگ بیشتر در مواقعی که نیاز به دستگاهی برای تبدیل انرژی حرارتی ساده و کارآمد است استفاده می شود.

کمتر از صد سال پیش، موتورهای احتراق داخلی سعی کردند جایگاه شایسته خود را در رقابت در میان سایر ماشین‌ها و مکانیسم‌های متحرک موجود به دست آورند. در عین حال آن روزها برتری موتور بنزینیچندان واضح نبود ماشین های موجودبر موتور بخارمتمایز با بی صدا بودن، ویژگی های قدرت عالی برای آن زمان، سهولت تعمیر و نگهداری، امکان استفاده از انواع مختلف سوخت. در مبارزه بیشتر برای بازار، موتورهای احتراق داخلی به دلیل کارایی، قابلیت اطمینان و سادگی غالب شدند.

مسابقه ای دیگر برای بهبود مصالح و مکانیسم های محرک که در اواسط قرن بیستم وارد شد. توربین های گازیو انواع موتورهای دوار منجر به این واقعیت شد که با وجود برتری موتور بنزینی، سعی در معرفی کامل نوع جدیدموتورها - حرارتی، اولین بار در سال 1861 توسط یک کشیش اسکاتلندی به نام رابرت استرلینگ اختراع شد. این موتور به نام سازنده آن نامگذاری شد.

موتور استیرلینگ: جنبه فیزیکی موضوع

برای درک نحوه عملکرد یک نیروگاه رومیزی استرلینگ، باید اصول اولیه نحوه کار موتورهای حرارتی را بدانید. از نظر فیزیکی، اصل کار استفاده از انرژی مکانیکی است که با انبساط گاز در حین گرمایش و فشرده سازی بعدی آن در هنگام خنک سازی به دست می آید. برای نشان دادن اصل کار می توان مثالی بر اساس یک بطری پلاستیکی معمولی و دو گلدان ارائه داد که یکی از آنها حاوی آب سرد و دیگری گرم است.

هنگام پایین آوردن بطری در آب سرد که دمای آن نزدیک به دمای تشکیل یخ است، با خنک شدن کافی هوای داخل ظرف پلاستیکی، باید با چوب پنبه بسته شود. علاوه بر این، هنگامی که بطری در آب جوش قرار می گیرد، پس از مدتی چوب پنبه با نیروی "شلیک" می شود، زیرا در این حالت کار انجام شده توسط هوای گرم شده چندین برابر بیشتر از کاری است که در هنگام خنک شدن انجام می شود. وقتی آزمایش بارها تکرار شود، نتیجه تغییر نمی کند.

اولین ماشین‌هایی که با استفاده از موتور استرلینگ ساخته شدند، فرآیند نشان‌داده‌شده در آزمایش را صادقانه بازتولید کردند. به طور طبیعی، مکانیسم نیاز به بهبود داشت، که شامل استفاده از بخشی از گرمای است که توسط گاز در طول خنک‌سازی برای گرمایش بیشتر از دست می‌رفت و اجازه می‌داد تا گرما به گاز برای تسریع گرمایش برگردد.

اما حتی استفاده از این نوآوری نیز نتوانست وضعیت را نجات دهد، زیرا اولین استرلینگ ها متفاوت بودند اندازه های بزرگدر توان خروجی کم در آینده بیش از یک بار تلاش هایی برای مدرن سازی طراحی برای دستیابی به قدرت 250 اسب بخار انجام شد. منجر به این واقعیت شد که در حضور یک سیلندر با قطر 4.2 متر، توان خروجی واقعی که نیروگاه استرلینگ در 183 کیلو وات تولید می کرد در واقع تنها 73 کیلو وات بود.

تمام موتورهای استرلینگ بر اساس اصل چرخه استرلینگ کار می کنند که شامل چهار فاز اصلی و دو فاز میانی است. اصلی ترین آنها گرمایش، انبساط، سرمایش و فشرده سازی است. به عنوان مرحله انتقال، انتقال به ژنراتور سرما و انتقال به عنصر گرمایش در نظر گرفته می شود. کار مفیدکه توسط موتور انجام می شود، صرفاً بر اساس اختلاف دما بین قسمت های گرمایش و سرمایش است.

پیکربندی های استیرلینگ مدرن

مهندسی مدرن سه نوع اصلی از این موتورها را متمایز می کند:

• آلفا استرلینگ که تفاوت آن در دو پیستون فعال واقع در سیلندرهای مستقل است. از هر سه گزینه این مدلبیشتر متفاوت است قدرت بالا، داشتن بیشترین درجه حرارت بالاپیستون گرم شده؛
• استرلینگ بتا بر اساس یک استوانه که یک قسمت آن گرم و قسمت دیگر سرد است.
• گاما استرلینگ که علاوه بر پیستون دارای جابجایی نیز می باشد.

تولید نیروگاه استرلینگ به انتخاب مدل موتور بستگی دارد که تمام موارد مثبت و مثبت را در نظر می گیرد. جنبه های منفیپروژه مشابه

مزایا و معایب

با تشکر از آنها ویژگی های طراحیاین موتورها مزیت های زیادی دارند، اما بدون ایراد نیستند.

نیروگاه دسکتاپ استرلینگ، که نمی توان آن را در فروشگاه خریداری کرد، اما فقط از آماتورهایی که به طور مستقل چنین دستگاه هایی را جمع آوری می کنند، شامل موارد زیر است:

• اندازه های بزرگ، که ناشی از نیاز به خنک کننده ثابتپیستون کار؛
• استفاده از فشار بالا که برای بهبود عملکرد و قدرت موتور لازم است.
• از دست دادن گرما، که به دلیل این واقعیت است که گرمای تولید شده نه به خود سیال کار، بلکه از طریق سیستم مبدل های حرارتی منتقل می شود که گرمایش منجر به از دست دادن کارایی می شود.
• کاهش شدیدقدرت نیاز به استفاده از اصول ویژه ای دارد که با اصول سنتی موتورهای بنزینی متفاوت است.

نیروگاه های فعال در واحدهای استرلینگ علاوه بر معایب، مزایای غیر قابل انکاری دارند:

• هر نوع سوخت، زیرا مانند هر موتوری که از انرژی گرمایی استفاده می کند، این موتورقادر به عملکرد در اختلاف دمای هر محیطی است.
• اقتصاد. این دستگاه‌ها می‌توانند جایگزینی عالی برای واحدهای بخار در مواردی که نیاز به پردازش انرژی خورشیدی است، بازدهی 30٪ بالاتر را نشان دهد.
• ایمنی محیطی از آنجایی که نیروگاه رومیزی کیلووات گشتاور اگزوز تولید نمی کند، صدا تولید نمی کند و در جو منتشر نمی شود. مواد مضر. گرمای معمولی به عنوان منبع انرژی عمل می کند و سوخت تقریباً به طور کامل می سوزد.
• سادگی سازنده استرلینگ برای کار خود نیازی به قطعات یا وسایل اضافی ندارد. قادر به شروع مستقل بدون استفاده از استارتر است.
• افزایش منابعکارایی. موتور به دلیل سادگی می تواند بیش از صد ساعت کار مداوم را ارائه دهد.

کاربردهای موتور استیرلینگ

موتور استرلینگ اغلب در شرایطی استفاده می شود که به دستگاهی برای تبدیل انرژی حرارتی نیاز است که ساده است، در حالی که راندمان انواع دیگر واحدهای حرارتی در شرایط مشابه به طور قابل توجهی کمتر است. اغلب، چنین واحدهایی در منبع تغذیه تجهیزات پمپاژ، یخچال و فریزر، زیردریایی ها، باتری هایی که انرژی را ذخیره می کنند استفاده می شود.

یکی از مناطق امیدوارکننده برای استفاده از موتورهای استرلینگ، نیروگاه های خورشیدی است، زیرا این واحد می تواند با موفقیت برای تبدیل انرژی نور خورشید به انرژی الکتریکی استفاده شود. برای انجام این فرآیند، موتور در کانون آینه ای قرار می گیرد که اشعه های خورشید را جمع می کند، که روشنایی دائمی منطقه ای را که نیاز به گرمایش دارد فراهم می کند. این به شما امکان می دهد تمرکز کنید انرژی خورشیدیدر یک منطقه کوچک سوخت موتور در این مورد هلیوم یا هیدروژن است. منتشر شده