پس چه مشکلاتی در ساخت موتور استرلینگ با راندمان بالا وجود دارد؟ موتور استرلینگ (1 گیف).

موتورهای کمتر از صد سال پیش احتراق داخلیسعی کردند جایگاه شایسته خود را در رقابت در میان سایر ماشین های موجود و مکانیزم های متحرک به دست آورند. علاوه بر این، در آن روزها برتری موتور بنزینی چندان مشهود نبود. ماشین های موجوددر موتورهای بخار آنها با بی صدا بودن، ویژگی های قدرت عالی برای آن زمان، سهولت تعمیر و نگهداری و توانایی استفاده متمایز می شدند. انواع مختلفسوخت در مبارزه بیشتر برای بازار، موتورهای احتراق داخلی، به دلیل کارایی، قابلیت اطمینان و سادگی، دست بالا را به دست آوردند.

مسابقه دیگری برای بهبود واحدها و مکانیسم های رانندگی که در اواسط قرن بیستم وارد شد توربین های گازیو انواع موتورهای دوار، به این واقعیت منجر شد که، علیرغم برتری موتور بنزینی، سعی شد یک نوع موتور کاملاً جدید در "زمین بازی" معرفی شود - حرارتی، که برای اولین بار در سال 1861 توسط یک کشیش اسکاتلندی به نام اختراع شد. رابرت استرلینگ. موتور نام سازنده خود را دریافت کرد.

موتور استرلینگ: جنبه فیزیکی مسئله

برای اینکه بفهمیم چگونه کار می کند نیروگاه رومیزی در استرلینگ، باید درک شود اطلاعات کلیدر مورد اصول عملکرد موتورهای حرارتی از نظر فیزیکی، اصل کار استفاده از انرژی مکانیکی است که با انبساط گاز هنگام گرم شدن و فشرده سازی بعدی آن هنگام سرد شدن به دست می آید. برای نشان دادن اصل عملکرد، می‌توانیم بر اساس یک بطری پلاستیکی معمولی و دو تابه مثال بزنیم که یکی از آنها حاوی آب سرد و دیگری گرم است.

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

اولین ماشین‌هایی که با استفاده از موتور استرلینگ ساخته شدند، فرآیند نشان‌داده‌شده در آزمایش را به دقت بازتولید کردند. به طور طبیعی، مکانیسم نیاز به بهبود داشت، که شامل استفاده از بخشی از گرمایی است که گاز در طول فرآیند خنک‌سازی از دست می‌داد تا گرمایش بیشتر شود، 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 اندازه بزرگی داشتند و توان خروجی کمی داشتند. متعاقباً 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 به قطر 4.2 متر، توان خروجی واقعی تولید شد. نیروگاه 183 کیلوواتی استرلینگ در واقع تنها 73 کیلووات 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. مرحله انتقال به عنوان انتقال به ژنراتور سرد و انتقال به عنصر گرمایش در نظر گرفته می شود. کار مفیدی که موتور انجام می دهد صرفاً بر اساس اختلاف دما بین قسمت های گرمایش و سرمایش است.

تنظیمات مدرن استرلینگ

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

• آلفا استرلینگ که تفاوت آن دو پیستون فعال است که در سیلندرهای مستقل قرار دارند. از هر سه گزینه این مدلبیشترین تفاوت را دارد قدرت بالاداشتن بالاترین دمای پیستون گرمایشی؛
• استرلینگ بتا، بر اساس یک سیلندر، که یک قسمت آن گرم و دیگری 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 شما ویژگی های طراحیاین موتورها دارای یک سری مزایا هستند، اما بدون معایب نیستند.

یک نیروگاه دسکتاپ استرلینگ، که در یک فروشگاه امکان پذیر نیست، اما فقط در میان علاقه مندانی که به طور مستقل چنین دستگاه هایی را جمع آوری می کنند، شامل موارد زیر است:

• اندازه های بزرگکه ناشی از نیاز به خنک سازی مداوم پیستون کار می باشد.
• استفاده از فشار بالا که برای بهبود عملکرد و قدرت موتور لازم است.
• اتلاف حرارت، که به دلیل عدم انتقال گرمای تولید شده به آن رخ می دهد سیال کار، اما از طریق سیستم مبدل های حرارتی که گرمایش آنها منجر به از دست دادن کارایی می شود.
• کاهش شدیدقدرت مستلزم استفاده از اصول خاصی است 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 حرارتی استفاده می کند، این موتورقادر به عملکرد در دماهای مختلف از هر محیطی.
• بهره وری. این دستگاه‌ها می‌توانند جایگزینی عالی برای واحدهای بخار در مواردی که نیاز به پردازش انرژی خورشیدی است، بازدهی 30% بالاتر را فراهم کنند.
• ایمنی محیطی. از آنجایی که ایستگاه برق رومیزی کیلووات گشتاور اگزوز ایجاد نمی کند، صدا تولید نمی کند و مواد مضر را در جو منتشر نمی کند. منبع انرژی گرمای معمولی است و سوخت تقریباً به طور کامل می سوزد.
• سادگی ساختاری استرلینگ برای کار خود به قطعات یا دستگاه های اضافی نیاز ندارد. قادر به شروع مستقل بدون استفاده از استارتر است.
• افزایش منبع عملکرد موتور به دلیل سادگی می تواند صدها ساعت کار مداوم را ارائه دهد.

زمینه های کاربردی موتورهای استرلینگ

موتور استرلینگ اغلب در شرایطی استفاده می شود که به وسیله ای برای تبدیل انرژی حرارتی ساده نیاز است، در حالی که راندمان انواع دیگر واحدهای حرارتی در شرایط مشابه به میزان قابل توجهی کمتر است. اغلب، چنین واحدهایی برای تغذیه تجهیزات پمپاژ، یخچال، زیردریایی ها و باتری های ذخیره انرژی استفاده می شوند.

مواد ویدئویی: YouTube.com/watch?v=fRY6rkuw3LA

یکی از مناطق امیدوارکننده برای استفاده از موتورهای استرلینگ، نیروگاه های خورشیدی است، زیرا این واحد می تواند با موفقیت برای تبدیل انرژی پرتوهای خورشیدی به انرژی الکتریکی استفاده شود. برای انجام این فرآیند، موتور در نقطه کانونی آینه ای قرار می گیرد که پرتوهای خورشیدی را جمع می کند، که روشنایی دائمی منطقه ای را که نیاز به گرمایش دارد فراهم می کند. این اجازه می دهد تا انرژی خورشیدی روی یک منطقه کوچک متمرکز شود. سوخت موتور در این مورد هلیوم یا هیدروژن است.

صنعت خودروسازی مدرن به سطحی از توسعه رسیده است که در آن، بدون اساسی است تحقیق علمیدستیابی به پیشرفت های اساسی در طراحی موتورهای احتراق داخلی سنتی تقریبا 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 برقی، خودروسازان دیگر در حال سرمایه گذاری در توسعه موتورهایی با استفاده از سوخت از منابع تجدید پذیر هستند (به عنوان مثال، بیودیزل با استفاده از روغن کلزا). پروژه های واحد نیروگاه دیگری نیز وجود دارند که در آینده می توانند به یک سیستم پیشران استاندارد جدید تبدیل شوند وسیله نقلیه.

از جمله منابع احتمالی انرژی مکانیکی برای خودروهای آینده باید به موتور اشاره کرد. احتراق خارجی، که در اواسط قرن 19 توسط رابرت استرلینگ اسکاتلندی به عنوان یک ماشین انبساط حرارتی اختراع شد.

طرح کار

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

که در نمای کلینمودار 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 گرم 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 یک مبدل حرارتی خنک کننده قرار دارد.

اصلاح استرلینگ "بتا"

سیلندر حاوی پیستون در یک انتها گرم شده و در انتهای مخالف سرد می شود. یک پیستون قدرت و یک جابجایی در سیلندر حرکت می کنند که برای تغییر حجم گاز کار طراحی شده است. احیا کننده حرکت برگشت ماده کار خنک شده را به داخل حفره داغ موتور انجام می دهد.

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. یک احیا کننده برای گردش گاز سرد می تواند برای هر دو سیلندر مشترک باشد یا بخشی از طرح جابجایی باشد.

مزایای موتور استرلینگ

مانند اکثر موتورهای احتراق خارجی، استرلینگ نیز مشخص است چند سوختی: موتور به دلیل تغییرات دما بدون توجه به دلایلی که باعث آن شده است کار می کند.

حقیقت جالب!یک بار نصبی نشان داده شد که 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 عملکرد متوالی.

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

هیچ فرآیندی در سیلندرهای موتور اتفاق نمی افتد که بتواند تأثیر منفی بر محیط زیست داشته باشد. 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 مجموعه خواص مثبتاستفاده انبوه فوری از موتورهای استرلینگ به دلیل غیرممکن است دلایل زیر:

مشکل اصلی مصرف مصالح سازه است. خنک کردن سیال کار به رادیاتورهای با حجم زیاد نیاز دارد که به طور قابل توجهی اندازه و مصرف فلز نصب را افزایش می دهد.

سطح فناوری فعلی به موتور استرلینگ اجازه می دهد تا از نظر ویژگی ها با موتورهای مدرن مقایسه شود موتورهای بنزینیفقط از طریق استفاده از انواع پیچیده سیال کاری (هلیوم یا هیدروژن) تحت فشار بیش از صد اتمسفر. این واقعیت هم در زمینه علم مواد و هم در تضمین ایمنی کاربر سؤالات جدی 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 بتواند فشار بالا را تحمل کند. 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 توان لازم است که فشار در سیلندرها، زاویه فاز بین جابجایی و پیستون قدرت را تغییر دهید یا ظرفیت حفره را با سیال کار تحت تأثیر قرار دهید.

یکی از راه های کنترل سرعت شفت در مدل موتور استرلینگ را می توان در این قسمت مشاهده کرد ویدیو 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 کشف شده در فلز بسیار ضعیف بودند بازدهی بالادلایل زیر:

• گزینه های بی اثر 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 ساختمانی مقاوم در برابر فشار بالا.

راه حل های مهندسی به طور مداوم دستگاه را بهبود می بخشد واحد قدرت. بنابراین، در نیمه دوم قرن بیستم، یک خودروی چهار سیلندر موتور استرلینگ با درایو لوزی در آزمایشات بازدهی 35 درصدی را نشان دادبر روی یک خنک کننده آب با دمای 55 درجه سانتیگراد. توسعه طراحی دقیق، استفاده از مواد جدید و تنظیم دقیق واحدهای کاری تضمین کرد که راندمان نمونه های آزمایشی 39٪ بود.

توجه داشته باشید! نوین موتورهای بنزینیبا توان مشابه یک ضریب دارند اقدام مفیددر 28-30٪ و موتورهای دیزل توربوشارژ در 32-35٪.

نمونه های مدرن موتور استرلینگ، مانند آنچه 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 خودرو

با وجود تمام مشکلات، بسیاری از مدل‌های کارآمد موتور استرلینگ شناخته شده‌اند که در صنعت خودروسازی قابل استفاده هستند.

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

شرکت UNITED STIRLING (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). موتور چهار سیلندر V شکل حاصل دارای وزن ویژه 2.4 کیلوگرم بر کیلووات بود که با ویژگی های یک موتور دیزلی فشرده قابل مقایسه است. این واحد با موفقیت تست شده است نیروگاهوانت بار هفت تنی.

یکی از نمونه های موفق موتور چهار سیلندر استرلینگ ساخت هلند مدل Philips 4-125DA است که برای نصب در یک ماشین. این موتور 173 اسب بخار قدرت داشت. با. در ابعادی مشابه واحد بنزینی کلاسیک.

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 V-Twinاسترلینگ 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 بتوانیم کاستی ها را برطرف کنیم از این نوعموتورها، در عین حال که مزایای خود را حفظ می کنند، پس این استرلینگ است و نه توربین ها و موتورهای الکتریکی که جایگزین موتورهای احتراق داخلی بنزینی می شوند.

چرخه استرلینگ جزء ضروری موتور استرلینگ در نظر گرفته می شود. در عین حال، مطالعه دقیق اصول عملیاتی بسیاری از طرح های ایجاد شده تا به امروز نشان می دهد که بخش قابل توجهی از آنها دارای چرخه کاری متفاوت با چرخه استرلینگ هستند. به عنوان مثال، یک استرلینگ آلفا با پیستون هایی با قطرهای مختلف، سیکلی شبیه به چرخه اریکسون دارد. پیکربندی‌های بتا و گاما که دارای قطر میله نسبتاً بزرگی در پیستون جابجایی هستند، همچنین یک موقعیت میانی بین چرخه‌های استرلینگ و اریکسون را اشغال می‌کنند.

هنگامی که جابجایی در پیکربندی بتا حرکت می کند، وضعیت سیال عامل نه در امتداد یک ایزوکور، بلکه در امتداد یک خط مایل میانی بین ایزوکور و ایزوبار تغییر می کند. در یک نسبت معین از قطر میله به قطر کل جابجایی، می توان یک ایزوبار به دست آورد (این نسبت به دمای عملیاتی بستگی دارد). در این حالت پیستون که قبلاً کارگر بود فقط نقش کمکی را ایفا می کند و میله جابجایی به کارگر واقعی تبدیل می شود. قدرت ویژه چنین موتوری تقریباً 2 برابر بیشتر از موتورهای استرلینگ معمولی است و تلفات اصطکاک کمتر است زیرا فشار روی پیستون یکنواخت تر است. تصویر در آلفا استرلینگ با قطرهای مختلف پیستون مشابه است. یک موتور با نمودار میانی ممکن است دارای باری باشد که به طور مساوی بین پیستون ها توزیع شده است، یعنی بین پیستون کار و میله جابجایی.

یک مزیت مهمعملکرد موتور بر اساس چرخه اریکسون یا نزدیک به آن به این صورت است که ایزوکور با یک ایزوبار یا فرآیند نزدیک به آن جایگزین می شود. هنگامی که سیال عامل در امتداد ایزوبار منبسط می شود، هیچ تغییری در فشار یا تبادل حرارتی رخ نمی دهد، به جز انتقال گرما از بازگیرنده به سیال کار. و این گرمایش فوراً کار مفیدی را انجام می دهد.در طول فشرده سازی ایزوباریک، گرما به ریکپراتور منتقل می شود.
در چرخه استرلینگ، هنگام گرم کردن یا خنک کردن سیال عامل در امتداد یک ایزوکور، تلفات حرارتی به دلیل فرآیندهای همدما در بخاری و خنک کننده رخ می دهد.

پیکربندی

مهندسان موتورهای استرلینگ را به سه قسمت تقسیم می کنند انواع مختلف:

• آلفا استرلینگ- شامل دو پیستون قدرت مجزا در سیلندرهای جداگانه است. یک پیستون گرم و دیگری سرد است. سیلندر پیستون داغ در مبدل حرارتی با دمای بالاتر قرار دارد، در حالی که سیلندر پیستون سرد در مبدل حرارتی خنک‌تر است. این نوع موتور نسبت توان به حجم نسبتاً بالایی دارد، اما متأسفانه دمای بالای پیستون "گرم" مشکلات فنی خاصی ایجاد می کند.

احیا کننده بین قسمت گرم لوله اتصال و قسمت سرد قرار دارد.

• بتا استرلینگ- فقط یک سیلندر وجود دارد که در یک انتها گرم و در طرف دیگر سرد است. یک پیستون (که برق از آن خارج می شود) و یک "جابجاگر" در داخل سیلندر حرکت می کنند و حجم حفره داغ را تغییر می دهند. گاز از قسمت سرد سیلندر به قسمت گرم از طریق یک احیا کننده پمپ می شود. بازسازی کننده می تواند خارجی باشد، به عنوان بخشی از یک مبدل حرارتی، یا می تواند با یک پیستون جابجایی ترکیب شود.

• گاما استرلینگ- همچنین یک پیستون و یک "جابجاگر" وجود دارد، اما در عین حال دو سیلندر وجود دارد - یکی سرد است (پیستون در آنجا حرکت می کند که برق از آن خارج می شود) و دومی در یک انتها گرم و در سرد است. دیگری ("جابجاگر" به آنجا حرکت می کند). بازسازی کننده می تواند خارجی باشد که در این صورت وصل می شود قسمت داغاستوانه دوم با استوانه سرد و همزمان با استوانه اول (سرد). بازسازی کننده داخلی بخشی از جابجایی است.

انواع موتور استرلینگ نیز وجود دارد که در سه نوع کلاسیک فوق قرار نمی گیرند:

• موتور روتاری استرلینگ- مشکلات سفتی حل شده است (اختراع Mukhin برای ورودی چرخش مهر و موم شده (GVV)، مدال نقره برای نمایشگاه بین المللیدر بروکسل "Eureka-96") و حجیم بودن (مکانیسم میل لنگ وجود ندارد، زیرا موتور دوار است).

ایرادات

• شدت مواد- اشکال اصلی موتور. برای موتورهای احتراق خارجی به طور کلی و موتور استرلینگ به طور خاص، سیال کار باید خنک شود و این منجر به افزایش قابل توجه وزن و ابعاد نیروگاه به دلیل بزرگ شدن رادیاتورها می شود.

• برای به دست آوردن ویژگی های قابل مقایسه با موتور احتراق داخلی، استفاده از آن ضروری است فشارهای بالا (بیش از 100 اتمسفر) و انواع خاصی از سیال کار- هیدروژن، هلیوم.

• گرما مستقیماً به سیال کار نمی رسد، اما فقط از طریق دیواره های مبدل های حرارتی. دیوارها دارای رسانایی حرارتی محدودی هستند که منجر به راندمان کمتر از حد انتظار می شود. یک مبدل حرارتی گرم تحت شرایط انتقال حرارت بسیار شدید و در فشارهای بسیار بالا کار می کند که مستلزم استفاده از مواد با کیفیت و گران قیمت است. ایجاد یک مبدل حرارتی که نیازهای متناقض را برآورده کند بسیار دشوار است. هر چه سطح تبادل حرارت بیشتر باشد، تلفات حرارتی کمتری دارد. در عین حال اندازه مبدل حرارتی و حجم سیال کاری که در کار شرکت نمی کند افزایش می یابد. از آنجایی که منبع گرما در خارج قرار دارد، موتور به تغییرات جریان گرما به سیلندر واکنش نشان نمی دهد و ممکن است بلافاصله قدرت لازم را هنگام راه اندازی تولید نکند.

• برای تغییر سریع قدرت موتور، روش‌هایی متفاوت از روش‌های مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی استفاده می‌شود:مخزن بافر با حجم متغیر، تغییر در فشار متوسط ​​سیال کار در محفظه ها، تغییر در زاویه فاز بین پیستون کار و جابجایی. در حالت دوم، پاسخ موتور به عمل کنترل راننده تقریباً آنی است.

مزایای

با این حال، موتور استرلینگ دارای مزایایی است که توسعه آن را ضروری می کند.

• موتور "همه چیز خوار".- مانند همه موتورهای احتراق خارجی (یا به عبارت بهتر، منبع حرارت خارجی)، موتور استرلینگ می تواند تقریباً با هر اختلاف دمایی کار کند: به عنوان مثال، بین لایه های مختلف آب در اقیانوس، از خورشید، از یک گرم کننده هسته ای یا ایزوتوپی، یک اجاق زغال سنگ یا چوب و غیره .
• سادگی طراحی- طراحی موتور بسیار ساده است، به سیستم های اضافی مانند مکانیزم توزیع گاز نیاز ندارد. خود به خود شروع می شود و نیازی به استارتر ندارد. ویژگی های آن به شما امکان می دهد از دست گیربکس خلاص شوید. با این حال، همانطور که در بالا ذکر شد، مصرف مواد بیشتری دارد.
• افزایش منابع- سادگی طراحی، عدم وجود بسیاری از واحدهای "ظریف" به استرلینگ اجازه می دهد تا منبعی از ده ها و صدها هزار ساعت کار مداوم را فراهم کند که برای موتورهای دیگر بی سابقه است.
• مقرون به صرفه- در مورد تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، موتورهای استرلینگ گاهی بازدهی بیشتری (تا 25/31 درصد) نسبت به موتورهای حرارتی بخار دارند.
• بی صدا بودن موتور- استرلینگ اگزوز نداره یعنی صدا نداره. بتا استرلینگ با مکانیزم لوزی شکل یک دستگاه کاملا متعادل و با اندازه کافی است کیفیت بالاتولید، حتی ارتعاش ندارد (دامنه ارتعاش کمتر از 0.0038 میلی متر است).
• دوستی با محیط زیست- استرلینگ به خودی خود هیچ بخش یا فرآیندی ندارد که بتواند به آلودگی کمک کند محیط. مایع کاری مصرف نمی کند. سازگاری با محیط زیست موتور در درجه اول به دلیل سازگاری با محیط زیست منبع گرما است. همچنین شایان ذکر است که اطمینان از احتراق کامل سوخت در یک موتور احتراق خارجی آسان تر از یک موتور احتراق داخلی است.

کاربرد

موتور استرلینگ با دینام خطی

موتور استرلینگ در مواردی که به یک مبدل انرژی حرارتی فشرده با طراحی ساده نیاز است، یا زمانی که راندمان سایر موتورهای حرارتی کمتر است، کاربرد دارد: به عنوان مثال، اگر اختلاف دما برای راه اندازی یک توربین بخار یا گاز کافی نباشد.

ترموآکوستیک شاخه ای از فیزیک است که در مورد تبدیل متقابل انرژی حرارتی و صوتی است.در تقاطع ترمودینامیک و آکوستیک شکل گرفت. از این رو نام. این علم بسیار جوان است. این به عنوان یک رشته مستقل در اواخر دهه 70 قرن گذشته ظهور کرد، زمانی که نیکالوس روت سوئیسی کار خود را بر روی مبانی ریاضی ترموآکوستیک خطی تکمیل کرد. و با این حال از هیچ به وجود نیامده است. ظهور آن با کشف اثرات جالبی که به سادگی باید در نظر بگیریم، انجام شد.

از جایی که شروع شد
ترموآکوستیک تاریخچه ای طولانی دارد که به بیش از دو قرن قبل باز می گردد.

اولین رکورد رسمی از ارتعاشات تولید شده توسط گرما توسط هیگینز در سال 1777 انجام شد. او با یک لوله شیشه ای باز آزمایش کرد که در آن ارتعاشات صوتی توسط یک مشعل هیدروژنی که به روشی خاص قرار داشت برانگیخته می شد. این تجربه به عنوان "شعله آواز هیگینز" در تاریخ ثبت شد.

شکل 1. شعله آواز هیگینز

با این حال، فیزیکدانان مدرن بیشتر با آزمایش دیگری به نام "لوله رایک" شناخته می شوند. در روند آزمایشات خود، Rijke یک جدید ایجاد کرد ساز موسیقیاز لوله اندام او شعله هیدروژنی هیگینز را با یک صفحه سیم گرم شده جایگزین کرد و به طور تجربی نشان داد که قوی ترین صدا زمانی تولید می شود که صفحه در یک چهارم لوله از انتهای پایینی آن قرار دارد. اگر پوشش می دادید نوسانات متوقف شد انتهای بالالوله ها. این ثابت کرد که رانش همرفتی طولی برای تولید صدا ضروری است. کار هیگینز و رایک بعداً به عنوان پایه ای برای تولد علم احتراق بود که امروزه در هر کجا که از این پدیده استفاده می شود استفاده می شود.

شکل 2. لوله Rijke.

احتراق بمب های پودری به موتورهای موشک. هزاران پایان نامه در سراسر جهان به پدیده های رخ داده در لوله Rijke اختصاص یافته است، اما علاقه به این دستگاه تا به امروز کاهش نیافته است.

در سال 1850، سوندهاوس توجه خود را به پدیده عجیبی معطوف کرد که دمنده‌های شیشه در کار خود مشاهده کردند. هنگامی که برآمدگی کروی شیشه داغ هوا را وارد انتهای سرد لوله دمنده شیشه می کند، صدای واضحی تولید می شود. Sondhauss با تجزیه و تحلیل این پدیده دریافت که صدا از گرم کردن یک برآمدگی کروی در انتهای لوله ایجاد می شود. در این حالت صدا با طول لوله تغییر می کند. بر خلاف لوله Rijke، لوله Sondhauss به پیش نویس همرفتی وابسته نیست.

شکل 3. لوله Sondhauss.

آزمایش مشابهی بعداً توسط تاکونیس انجام شد. برخلاف سونهاوس، او انتهای لوله را گرم نکرد، بلکه آن را با مایع برودتی خنک کرد. این ثابت کرد که برای تولید صدا گرم کردن مهم نیست، بلکه تفاوت دما مهم است.
اولین تحلیل کیفی نوسانات ناشی از گرما در سال 1887 توسط لرد ریلی ارائه شد. توضیح ریلی از پدیده های فوق اکنون برای ترموآکوستیک به عنوان اصل رایلی شناخته می شود. چیزی شبیه به این به نظر می رسد: "اگر گرما در لحظه بیشترین فشرده سازی به گاز منتقل شود یا در لحظه بزرگترین خلاء گرما از بین برود، آنگاه نوسانات را تحریک می کند. علیرغم سادگی، این فرمول به طور کامل اثر ترموآکوستیک مستقیم، یعنی تبدیل انرژی حرارتی به انرژی صوتی را توصیف می کند.

اثر گرداب

اثر گرداب(اثر رتبه-هیلش، انگلیسی. اثر Ranque-Hilsch) - اثر جدا کردن گاز یا مایع هنگام چرخش در یک محفظه استوانه ای یا مخروطی به دو بخش. یک جریان چرخشی با دمای بالاتر در حاشیه تشکیل می‌شود و یک جریان سرد چرخشی در مرکز تشکیل می‌شود و چرخش در مرکز در جهت مخالف نسبت به پیرامون اتفاق می‌افتد. این اثر اولین بار توسط مهندس فرانسوی جوزف رانک در اواخر دهه 20 در حین اندازه گیری دما در یک طوفان صنعتی کشف شد. در پایان سال 1931، J. Ranque درخواستی برای دستگاه اختراع شده ارائه کرد که آن را "لوله گرداب" نامید (در ادبیات به عنوان لوله Ranke نامیده می شود). فقط در سال 1934 در آمریکا می توان حق اختراع را به دست آورد (پتنت ایالات متحده شماره 1952281). در حال حاضر تعدادی دستگاه پیاده سازی شده است که از افکت گرداب یعنی دستگاه های گرداب استفاده می کنند. اینها "اتاقهای گرداب" برای جداسازی شیمیایی مواد تحت تأثیر نیروهای گریز از مرکز و "لوله های گرداب" هستند که به عنوان منبع سرما استفاده می شوند.

از دهه 1960، حرکت گردابی موضوع بسیاری از تحقیقات علمی بوده است. کنفرانس های تخصصی در مورد اثر گرداب به طور منظم، به عنوان مثال، در دانشگاه هوافضای سامارا برگزار می شود.

مولدهای حرارتی گردابی و میکرو تهویه کننده ها وجود دارد و مورد استفاده قرار می گیرد.

چیزهایی در این دنیا وجود دارند که مبتکرانه، غیرقابل درک و کاملا غیر واقعی هستند. آنقدر غیر واقعی که به نظر می رسد مصنوعاتی از یک جهان موازی هستند. از جمله این مصنوعات، همراه با موتور استرلینگ، یک لوله رادیویی خلاء و مربع سیاه مالویچ، به اصطلاح "توربین تسلا".
به طور کلی ویژگی متمایز کنندهاز همه این چیزها - سادگی مطلق. نه ساده انگاری، بلکه سادگی. یعنی همانطور که در آثار میکل آنژ - همه چیز زائد است، هر گونه "پشتیبانی" فنی یا معنایی وجود ندارد، آگاهی خالص "در آهن" تجسم یافته یا بر روی بوم پاشیده شده است. و با همه اینها عدم گردش مطلق. مربع سیاه نوعی هنر است. دومی مانند این نمی تواند وجود داشته باشد که توسط هنرمند دیگری نوشته شده باشد.

همه اینها به طور کامل در مورد توربین تسلا صدق می کند. از نظر ساختاری، از چندین (10-15) دیسک نازک تشکیل شده است که روی محور توربین در فاصله کمی از یکدیگر نصب شده و در محفظه ای شبیه به سوت پلیس قرار گرفته اند.

ارزش توضیح این را ندارد که روتور دیسک از نظر فناوری بسیار پیشرفته تر و قابل اعتمادتر از "چرخ لاوال" است؛ من در مورد روتورها صحبت نمی کنم. توربین های معمولی. این اولین مزیت سیستم است. دوم این است که بر خلاف انواع دیگر توربین ها، که در آن باید اقدامات خاصی برای لایه بندی جریان سیال عامل انجام شود. در یک توربین تسلا، سیال کار (که می تواند هوا، بخار یا حتی مایع باشد) کاملاً آرام جریان دارد. بنابراین، تلفات ناشی از اصطکاک دینامیکی گاز در آن به صفر کاهش می یابد: راندمان توربین 95٪ است.

درست است، باید در نظر داشت که راندمان یک توربین و راندمان یک چرخه ترمودینامیکی تا حدودی چیزهای متفاوتی هستند. راندمان توربین را می توان به عنوان نسبت انرژی تبدیل شده به انرژی مکانیکی در محور روتور توربین به انرژی چرخه کاری (یعنی تفاوت بین انرژی اولیه و نهایی سیال عامل) مشخص کرد. بنابراین کارایی مدرن توربین های بخارهمچنین بسیار بالا است - 95-98٪، با این حال، بازده چرخه ترمودینامیکی به دلیل تعدادی از محدودیت ها از 40-50٪ تجاوز نمی کند.

اصل عملکرد توربین بر این واقعیت استوار است که سیال کار (به عنوان مثال گاز) که در محفظه می چرخد، روتور را به دلیل اصطکاک همراه با آن "کشش" می کند. در همان زمان، گاز بخشی از انرژی را به روتور می دهد، سرعت گاز کاهش می یابد و به لطف نیروی کوریولیس که هنگام تعامل با روتور ایجاد می شود، مانند برگ های چای، به سمت محور روتور، جایی که وجود دارد، "غلت می کند". سوراخ های ویژه ای که از طریق آنها مایع کار "صرف شده" برداشته می شود.
توربین تسلا، مانند توربین لاوال، انرژی جنبشی سیال عامل را تبدیل می کند. یعنی تبدیل انرژی پتانسیل (مثلا هوای فشردهیا بخار فوق گرم) به جنبشی باید قبل از تامین آن به روتور توربین با استفاده از نازل انجام شود. با این حال، توربین لاوال، که به طور کلی بازده نسبتاً بالایی داشت، در سرعت های پایین بسیار ناکارآمد بود، که طراحی جعبه دنده هایی را که ابعاد و جرم آنها چندین برابر بیشتر از ابعاد و جرم خود توربین بود، مجبور کرد. تفاوت اساسی بین توربین تسلا در این واقعیت است که در طیف وسیعی از سرعت‌های چرخشی کاملاً کارآمد عمل می‌کند، که اجازه می‌دهد شفت آن مستقیماً به ژنراتور متصل شود. علاوه بر این، توربین تسلا به راحتی معکوس می شود.

جالب اینجاست که خود نیکولا تسلا اختراع خود را به عنوان راهی برای استفاده بسیار کارآمد از انرژی زمین گرمایی قرار می دهد که او آن را انرژی آینده می دانست. علاوه بر این، توربین را می توان بدون هیچ تغییری به یک توربین بسیار کارآمد تبدیل کرد. پمپ خلاء- کافی است محور آن را از یک توربین یا موتور الکتریکی دیگر بچرخانید.

قابلیت ساخت توربین تسلا به نسخه های آن اجازه می دهد تا به معنای واقعی کلمه از هر چیزی ساخته شوند: یک روتور دیسک را می توان از سی دی های قدیمی یا "پنکیک" از یک هارد دیسک کامپیوتری خراب ساخته شد. در عین حال، قدرت چنین موتوری، با وجود مواد و ابعاد "اسباب بازی"، بسیار چشمگیر است. صحبت از ابعاد: موتور 110 اسب بخار. بزرگتر از واحد سیستم یک رایانه شخصی فعلی نبود.

دستگاه های مبتنی بر اثر Ranque

از همان ابتدا، اثر Ranque با سادگی ظاهری پیاده سازی فنی خود مخترعین را به خود جلب کرد - در واقع ساده ترین پیاده سازی لوله گردابقطعه ای از یک لوله بسیار معمولی است که جریان اولیه به صورت مماس از یک طرف به آن وارد می شود و در طرف مقابل یک دیافراگم حلقوی نصب می شود و قسمت سرد شده جریان از سوراخ داخلی و قسمت داغ آن خارج می شود. از شکاف بین لبه بیرونی دیافراگم و سطح داخلی لوله خارج می شود. با این حال، در واقعیت، همه چیز به این سادگی نیست - همیشه نمی توان به جداسازی موثر دست یافت و کارایی چنین تاسیساتی معمولاً به طور قابل توجهی نسبت به پمپ های حرارتی کمپرسور پرکاربرد پایین تر است. علاوه بر این، معمولاً پارامترهای یک نصب اثر Ranque برای توان خاصی که توسط سرعت و دبی جریان ورودی تعیین می‌شود محاسبه می‌شود و زمانی که پارامترهای جریان ورودی از مقادیر بهینه منحرف شود، بازده لوله گرداب کاهش می‌یابد. به طور قابل ملاحظه. با این وجود، باید توجه داشت که قابلیت های برخی از تاسیسات مبتنی بر اثر Ranque باعث احترام می شود - برای مثال، رکورد خنک کننده ای که در یک مرحله به دست آمد بیش از 200 درجه سانتی گراد است!

با این حال، با در نظر گرفتن آب و هوای ما، استفاده از اثر Ranque برای گرمایش بسیار مورد توجه است، و در عین حال من مایلم از محدوده "وسایل بداهه" فراتر نروم.

ماهیت اثر Ranque

هنگامی که یک جریان گاز یا مایع در امتداد سطح چرخش صاف لوله حرکت می کند، ناحیه ای در دیواره بیرونی آن تشکیل می شود. فشار خون بالاو دما، و در قسمت داخلی (یا در مرکز حفره، اگر گاز در امتداد سطح یک ظرف استوانه ای چرخانده شود) - منطقه ای با دما و فشار کم. این پدیده نسبتاً شناخته شده نامیده می شود اثر Ranqueبه نام مهندس فرانسوی ژوزف رانکه (G.J.Ranque، گاهی اوقات "Ranke") که آن را در سال 1931 کشف کرد، نامگذاری شده است. اثر Ranque-Hilsch(رابرت هیلش آلمانی به مطالعه این اثر در نیمه دوم دهه 1940 ادامه داد و کارایی لوله گرداب Ranque را بهبود بخشید). طرح‌هایی که از اثر Ranque استفاده می‌کنند نوعی پمپ حرارتی هستند که انرژی برای کارکرد آن از یک سوپرشارژر گرفته می‌شود که جریانی از سیال در حال کار را در ورودی لوله ایجاد می‌کند.

پارادوکس اثر Ranque این است که نیروهای گریز از مرکزدر یک جریان دوار به سمت بیرون هدایت می شوند. همانطور که مشخص است، لایه های گرمتر گاز یا مایع، چگالی کمتری دارند و باید به سمت بالا بالا بروند و در مورد نیروهای گریز از مرکز، به سمت مرکز متمایل شوند؛ لایه های سردتر چگالی بیشتری دارند و بر این اساس باید به سمت پیرامون متمایل شوند. در همین حال، در سرعت بالادر یک جریان چرخشی همه چیز دقیقا برعکس اتفاق می افتد!

اثر Ranque هم برای جریان گاز و هم برای جریان مایع خود را نشان می دهد، که، همانطور که مشخص است، عملاً تراکم ناپذیر است و بنابراین ضریب فشرده سازی / انبساط آدیاباتیک برای آن قابل اعمال نیست. با این حال، در مورد یک مایع، اثر Ranque معمولاً بسیار کمتر مشخص می شود - شاید دقیقاً به همین دلیل، و میانگین مسیر آزاد بسیار کوتاه ذرات، آشکار شدن آن را دشوار می کند. اما اگر در چارچوب نظریه سینتیک مولکولی سنتی باقی بمانیم، این درست است، و این اثر ممکن است دلایل کاملا متفاوتی داشته باشد.

به نظر من، در این لحظهکامل ترین و معتبرترین توصیف علمی اثر Ranque در مقاله A.F. Gutsol (در قالب pdf) ارائه شده است. با کمال تعجب، نتیجه گیری های او در مورد ماهیت پدیده با نتایجی که ما "روی انگشتان خود" به دست آوردیم، مطابقت دارد. متأسفانه او عامل اول (فشرده شدن آدیاباتیک گاز در شعاع بیرونی و انبساط در داخل) را نادیده می گیرد که به نظر من هنگام استفاده از گازهای تراکم پذیر بسیار قابل توجه است، اگرچه فقط در داخل دستگاه عمل می کند. و A.F. Gutsol عامل دوم را "تفکیک ریزحجم های سریع و آهسته" می نامد.

موتور استرلینگ– موتور با منبع حرارت خارجی تامین حرارت خارجی در مواقعی که نیاز به استفاده از سوخت های غیر آلی به عنوان منبع گرما وجود دارد بسیار راحت است. به عنوان مثال، می توانید از انرژی خورشیدی، انرژی زمین گرمایی، گرمای هدر رفته از شرکت های مختلف استفاده کنید.

یک ویژگی خوب چرخه استرلینگ این است که کارایی آن با چرخه کارنو برابر است. به طور طبیعی، موتورهای استرلینگ واقعی راندمان کمتری دارند و اغلب بسیار کمتر. موتور استرلینگ به عنوان دستگاهی با قطعات متحرک بسیاری مانند پیستون، شاتون، میل لنگ، یاتاقان ها شروع به کار کرد. علاوه بر این، روتور ژنراتور نیز در حال چرخش بود (شکل 1).

شکل 1 – موتور استرلینگ نوع آلفا

به موتور استرلینگ نوع آلفا نگاه کنید. هنگامی که شفت می چرخد، پیستون ها شروع به تقطیر گاز از سیلندر سرد به گرم یا برعکس از سیلندر گرم به سرد می کنند. اما آنها نه تنها تقطیر می کنند، بلکه فشرده و منبسط می شوند. یک چرخه ترمودینامیکی کامل شده است. در تصویر می توانید تصور کنید که وقتی شفت به گونه ای می چرخد ​​که محوری که میله های اتصال به آن متصل شده اند در بالا باشد، آنگاه این لحظه بیشترین فشرده سازی گاز خواهد بود و زمانی که در پایین است، سپس انبساط خواهد بود. درست است، این به دلیل انبساط حرارتی و فشرده سازی گاز کاملاً درست نیست، اما تقریباً همه اینها هنوز هم درست است.

قلب موتور به اصطلاح هسته است که از دو مبدل حرارتی - گرم و سرد تشکیل شده است و بین آنها یک احیا کننده وجود دارد. مبدل‌های حرارتی معمولاً از نوع صفحه‌ای ساخته می‌شوند و احیاکننده اغلب پشته‌ای است که از مش فلزی ساخته شده است. واضح است که چرا مبدل های حرارتی مورد نیاز هستند - برای گرم کردن و خنک کردن گاز، اما چرا ما به یک احیا کننده نیاز داریم؟ و احیا کننده یک انباشته کننده حرارت واقعی است. هنگامی که گاز داغ به سمت سرد حرکت می کند، احیا کننده را گرم می کند و احیا کننده انرژی حرارتی را ذخیره می کند. هنگامی که گاز از سمت سرد به سمت گرم حرکت می کند، گاز سرد در احیاگر گرم می شود و به این ترتیب این گرما که بدون احیاگر به طور جبران ناپذیری برای گرم کردن محیط از بین می رفت، ذخیره می شود. بنابراین، بازسازی کننده فوق العاده است چیز ضروری. یک احیاگر خوب راندمان موتور را تقریباً 3.6 برابر افزایش می دهد.

برای علاقه مندانی که رویای ساختن چنین موتوری به تنهایی را دارند، می خواهم در مورد مبدل های حرارتی بیشتر به شما بگویم. اکثریت موتورهای خانگیموتورهای استرلینگ، از آنهایی که من دیدم، اصلا مبدل حرارتی ندارند (من در مورد موتورهای نوع آلفا صحبت می کنم). مبدل های حرارتی خود پیستون ها و سیلندرها هستند. یک سیلندر گرم می شود، دیگری خنک می شود. در عین حال، مساحت سطح تبادل حرارت در تماس با گاز بسیار کوچک است. بنابراین می توان با نصب مبدل های حرارتی در ورودی سیلندرها قدرت موتور را به میزان قابل توجهی افزایش داد. و حتی در شکل 1 شعله مستقیماً به سمت سیلندر هدایت می شود که در موتورهای کارخانه کاملاً صادق نیست.

بیایید به تاریخچه توسعه موتورهای استرلینگ بازگردیم. بنابراین، حتی اگر موتور از بسیاری جهات خوب است، اما حضور حلقه های اسکراپر روغنو یاتاقان ها عمر موتور را کاهش دادند و مهندسان به شدت در مورد چگونگی بهبود آن فکر کردند و ایده ای به ذهنشان رسید.

در سال 1969، ویلیام بیل اثرات رزونانس را در عملکرد موتور مطالعه کرد و بعداً توانست موتوری بسازد که به شاتون یا میل لنگ نیاز نداشته باشد. هماهنگ سازی پیستون ها به دلیل اثرات رزونانس ایجاد شد. این نوع موتورها را موتور پیستون آزاد نامیدند (شکل 2).

شکل 2 - موتور استرلینگ پیستون آزاد

شکل 2 یک موتور پیستونی آزاد نوع بتا را نشان می دهد. در اینجا گاز به لطف جابجایی (که آزادانه حرکت می کند) از منطقه گرم به سمت سرد و برعکس حرکت می کند و پیستون کار کار مفیدی انجام می دهد. جابجایی و پیستون روی فنرهای مارپیچی نوسان می کنند که در سمت راست تصویر قابل مشاهده است. مشکل این است که نوسانات آنها باید در یک فرکانس و با اختلاف فاز 90 درجه باشد و همه اینها به دلیل اثرات رزونانس است. انجام این کار بسیار دشوار است.

بنابراین، تعداد قطعات کاهش یافت، اما در عین حال الزامات برای دقت محاسبات و ساخت سخت تر شد. اما قابلیت اطمینان موتور بدون شک افزایش یافته است، به خصوص در طرح هایی که از غشاهای انعطاف پذیر به عنوان جابجایی و پیستون استفاده می شود. در این حالت به هیچ وجه قطعات سایشی در موتور وجود ندارد. در صورت تمایل می توان برق را با استفاده از یک ژنراتور خطی از چنین موتوری حذف کرد.

اما این برای مهندسان کافی نبود و آنها شروع کردند به دنبال راه هایی برای خلاص شدن از شر نه تنها قطعات مالشی، بلکه به طور کلی قطعات متحرک. و چنین راهی پیدا کردند.

در دهه هفتاد قرن بیستم، پیتر زپرلی متوجه شد که نوسانات سینوسی فشار و سرعت گاز در موتور استرلینگ، و همچنین این واقعیت که این نوسانات در فاز هستند، به طرز باورنکردنی یادآور نوسانات فشار و سرعت گاز در یک موتور است. موج صوتی در حال حرکت (شکل 3).

شکل 3 - نمودار فشار و سرعت یک موج صوتی در حال حرکت به عنوان تابعی از زمان. نشان داده شده است که نوسانات فشار و سرعت در فاز هستند.

این ایده به طور تصادفی به Tseperli نیامد، زیرا قبل از او تحقیقات زیادی در زمینه ترموآکوستیک انجام شده بود، به عنوان مثال، خود لرد ریلی به طور کیفی این پدیده را در سال 1884 توصیف کرد.

بنابراین، او پیشنهاد کرد که پیستون ها و جابجایی ها را به طور کلی کنار بگذارند و فقط از یک موج صوتی برای کنترل فشار و حرکت گاز استفاده کنند. این یک موتور بدون قطعات متحرک تولید می کند و از نظر تئوری قادر به دستیابی به کارایی چرخه استرلینگ و در نتیجه چرخه کارنو است. در واقع، بهترین عملکرد 40-50 درصد بازده چرخه کارنو است (شکل 4).

شکل 4 – نمودار یک موتور ترموآکوستیک با موج در حال حرکت

می بینید که یک موتور موج سیر ترموآکوستیک دقیقا همان هسته است که از مبدل های حرارتی و یک احیاگر تشکیل شده است، اما به جای پیستون ها و میله های اتصال، به سادگی یک لوله حلقه دار به نام تشدید کننده وجود دارد. این موتور اگر قطعات متحرکی در آن نباشد چگونه کار می کند؟ چه طور ممکنه؟

ابتدا به این سوال پاسخ می دهیم که صدا از کجا می آید؟ و پاسخ این است که زمانی که اختلاف دمای کافی بین دو مبدل حرارتی وجود داشته باشد، به خودی خود ایجاد می شود. گرادیان دما در احیا کننده، تقویت ارتعاشات صوتی را ممکن می سازد، اما فقط با یک طول موج مشخص، برابر طولطنین انداز از همان ابتدا، این روند به این صورت است: هنگامی که یک مبدل حرارتی داغ گرم می شود، صداهای میکرو خش خش ظاهر می شوند، شاید حتی از تغییر شکل های حرارتی ترقه می زنند، این امر اجتناب ناپذیر است. این صداهای خش خش نویزهایی هستند که دارای طیف وسیعی از فرکانس ها هستند. از کل این طیف غنی فرکانس صدا، موتور شروع به تقویت آن ارتعاش صوتی می کند که طول موج آن برابر با طول لوله - تشدید کننده است. و هر چقدر هم که ارتعاش اولیه کوچک باشد، تا حداکثر مقدار ممکن تقویت خواهد شد. حداکثر حجم صدا در داخل موتور زمانی اتفاق می افتد که قدرت تقویت صدا با استفاده از مبدل های حرارتی برابر با قدرت تلفات، یعنی قدرت تضعیف ارتعاشات صدا باشد. و این مقدار حداکثر گاهی اوقات به مقادیر عظیم 160 دسی بل می رسد. پس داخلش چیه موتور مشابهواقعا بلند. خوشبختانه، صدا نمی تواند از بیرون خارج شود، زیرا طنین انداز مهر و موم شده است و بنابراین، ایستادن در کنار یک موتور در حال کار، به سختی قابل شنیدن است.

تقویت فرکانس مشخصی از صدا به لطف همان چرخه ترمودینامیکی - چرخه استرلینگ، که در بازسازی کننده انجام می شود، اتفاق می افتد.

شکل 5 - مراحل چرخه تقریباً و ساده شده است.

همانطور که قبلاً نوشتم ، در موتور ترموآکوستیک به هیچ وجه هیچ قطعه متحرکی وجود ندارد ، فقط یک موج صوتی در داخل خود ایجاد می کند ، اما متاسفانه بدون قطعات متحرک نمی توان برق را از موتور خارج کرد.

به طور معمول، انرژی از موتورهای ترموآکوستیک با استفاده از ژنراتورهای خطی استخراج می شود. غشای الاستیک تحت فشار یک موج صوتی با شدت بالا می لرزد. داخل کویل مسیبا یک هسته، آهنرباهای متصل به غشاء به ارتعاش در می آیند. برق تولید می شود.

در سال 2014، Kees de Blok، Pawel Owczarek و Maurice Francois از Aster Thermoacoustics نشان دادند که یک توربین پالس دو طرفه متصل به یک ژنراتور برای تبدیل انرژی امواج صوتی به الکتریسیته مناسب است.

شکل 6 – نمودار توربین پالسی

توربین ضربه ای بدون توجه به جهت جریان در یک جهت می چرخد. شکل 6 به صورت شماتیک تیغه های استاتور در طرفین و پره های روتور در وسط را نشان می دهد.
و این چیزی است که توربین آنها در واقعیت به نظر می رسد:

شکل 7 - ظاهرتوربین ضربه ای دو طرفه

انتظار می رود که استفاده از توربین به جای ژنراتور خطی هزینه طراحی را تا حد زیادی کاهش دهد و امکان افزایش توان دستگاه را تا توان نیروگاه های حرارتی معمولی فراهم کند که با ژنراتورهای خطی غیرممکن است.

خوب، ما به نظارت دقیق بر توسعه موتورهای ترموآکوستیک ادامه خواهیم داد.

فهرست منابع استفاده شده

M.G. کروگلوف. موتورهای استرلینگ مسکو "مهندسی مکانیک"، 1977.
جی. ریدر، سی. هوپر. موتورهای استرلینگ مسکو "میر"، 1986.
کیس دی بلوک، پاول اوچارک. تبدیل توان صوتی به برق، 2014.

- یک موتور حرارتی که در آن یک سیال کاری مایع یا گازی در حجم بسته حرکت می کند، نوعی موتور احتراق خارجی. مبتنی بر گرمایش و خنک کردن دوره ای سیال کار با استخراج انرژی از تغییر حاصل در حجم سیال کار است. این می تواند نه تنها از احتراق سوخت، بلکه از هر منبع گرمایی نیز کار کند.

می توانید گاهشماری رویدادهای مربوط به توسعه موتورها در قرن 18 را در مقاله جالب - "تاریخچه اختراع موتورهای بخار" مشاهده کنید. و این مقاله به مخترع بزرگ رابرت استرلینگ و خلاقیت او تقدیم شده است.

تاریخچه خلقت...

حق امتیاز اختراع موتور استرلینگ، به اندازه کافی عجیب، متعلق به کشیش اسکاتلندی رابرت استرلینگ است. او آن را در 27 سپتامبر 1816 دریافت کرد. اولین "موتورهای هوای گرم" در پایان قرن هفدهم، بسیار قبل از استرلینگ، در جهان شناخته شد. یکی از دستاوردهای مهم استرلینگ افزودن یک تصفیه کننده بود که خود او به آن لقب «اقتصاد» داده بود.

در ادبیات علمی مدرن، این تصفیه کننده نام کاملاً متفاوتی دارد - "Recuperator". به لطف آن ، عملکرد موتور افزایش می یابد ، زیرا پاک کننده گرما را در قسمت گرم موتور حفظ می کند و در عین حال مایع کار خنک می شود. به لطف این فرآیند، کارایی سیستم به طور قابل توجهی افزایش می یابد. Recuperator محفظه ای پر از سیم، گرانول و فویل موجدار است (مواردها در امتداد جهت جریان گاز قرار دارند). گاز در یک جهت از پرکننده ریکپراتور عبور می کند، گرما می دهد (یا به دست می آورد) و هنگامی که در جهت دیگر حرکت می کند، آن را می برد (آن را می دهد). Recuperator همچنین می تواند خارج از سیلندرها باشد و می تواند روی پیستون جابجایی در پیکربندی بتا و گاما قرار گیرد. ابعاد و وزن دستگاه در این مورد کوچکتر است. تا حدی، نقش بازگیرنده توسط شکاف بین جابجایی و دیواره های سیلندر انجام می شود (اگر سیلندر طولانی باشد، اصلاً نیازی به چنین وسیله ای نیست، اما به دلیل ویسکوزیته، تلفات قابل توجهی رخ می دهد. گاز). در آلفا استرلینگ، ریکاوراتور فقط می تواند خارجی باشد. به صورت سری با مبدل حرارتی نصب می شود که در آن سیال کار از سمت پیستون سرد گرم می شود.

در سال 1843، جیمز استرلینگ از این موتور در کارخانه ای که در آن زمان به عنوان مهندس کار می کرد استفاده کرد. فیلیپس در سال 1938 روی موتور استرلینگ با قدرت بیش از دویست اسب بخار و بازدهی بیش از 30 درصد سرمایه گذاری کرد. از آنجا که موتور استرلینگمزایای بسیاری دارد، پس از آن در دوران موتور بخارگسترده بود

ایرادات

مصرف مواد عیب اصلی موتور است. برای موتورهای احتراق خارجی به طور کلی و موتور استرلینگ به طور خاص، سیال کار باید خنک شود و این منجر به افزایش قابل توجه وزن و ابعاد نیروگاه به دلیل بزرگ شدن رادیاتورها می شود.

برای به دست آوردن ویژگی های قابل مقایسه با موتور احتراق داخلی، لازم است از فشارهای بالا (بیش از 100 اتمسفر) و انواع خاصی از مایع کار - هیدروژن، هلیوم استفاده شود.

گرما مستقیماً به سیال کار نمی رسد، بلکه فقط از طریق دیواره مبدل های حرارتی. دیوارها دارای رسانایی حرارتی محدودی هستند که منجر به راندمان کمتر از حد انتظار می شود. یک مبدل حرارتی گرم تحت شرایط انتقال حرارت بسیار شدید و در فشارهای بسیار بالا کار می کند که مستلزم استفاده از مواد با کیفیت و گران قیمت است. ایجاد یک مبدل حرارتی که نیازهای متناقض را برآورده کند بسیار دشوار است. هر چه سطح تبادل حرارت بیشتر باشد، تلفات حرارتی کمتری دارد. در عین حال اندازه مبدل حرارتی و حجم سیال کاری که در کار شرکت نمی کند افزایش می یابد. از آنجایی که منبع گرما در خارج قرار دارد، موتور به تغییرات جریان گرما به سیلندر واکنش نشان نمی دهد و ممکن است بلافاصله قدرت لازم را هنگام راه اندازی تولید نکند.

برای تغییر سریع قدرت موتور، روش هایی استفاده می شود که با روش های مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی متفاوت است: مخزن بافر حجم متغیر، تغییر در فشار متوسط ​​سیال کار در محفظه ها، تغییر در زاویه فاز بین پیستون کار و جابجا کننده در حالت دوم، پاسخ موتور به عمل کنترل راننده تقریباً آنی است.

مزایای.

با این حال، موتور استرلینگ دارای مزایایی است که توسعه آن را ضروری می کند.

"همه چیز خواری" موتور - مانند همه موتورهای احتراق خارجی (یا به عبارت بهتر، منبع حرارت خارجی)، موتور استرلینگ می تواند تقریباً از هر تفاوت دما کار کند: به عنوان مثال، بین لایه های مختلف در اقیانوس، از خورشید، از یک هسته یا بخاری ایزوتوپی، اجاق زغال سنگ یا چوب و غیره.

سادگی طراحی - طراحی موتور بسیار ساده است، نیازی به سیستم های اضافی مانند مکانیزم توزیع گاز ندارد. خود به خود شروع می شود و نیازی به استارتر ندارد. ویژگی های آن به شما امکان می دهد از دست گیربکس خلاص شوید. با این حال، همانطور که در بالا ذکر شد، مصرف مواد بیشتری دارد.

افزایش عمر مفید - سادگی طراحی، عدم وجود بسیاری از واحدهای "ظریف" به استرلینگ اجازه می دهد تا عمر مفید ده ها و صدها هزار ساعت کار مداوم را ارائه دهد که برای موتورهای دیگر بی سابقه است.

مقرون به صرفه - هنگام تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته، موتورهای استرلینگ گاهی اوقات راندمان بیشتری (تا 31.25٪) نسبت به موتورهای حرارتی بخار ارائه می دهند.

موتور بی صدا - استرلینگ اگزوز ندارد، به این معنی که صدا ایجاد نمی کند. بتا استرلینگ با مکانیزم لوزی یک دستگاه کاملاً متعادل است و با کیفیت ساخت نسبتاً بالا حتی لرزش ندارد (دامنه ارتعاش کمتر از 0.0038 میلی متر است).

سازگار با محیط زیست - خود استرلینگ هیچ بخش یا فرآیندی ندارد که بتواند به آلودگی محیط زیست کمک کند. مایع کاری مصرف نمی کند. سازگاری با محیط زیست موتور در درجه اول به دلیل سازگاری با محیط زیست منبع گرما است. همچنین شایان ذکر است که اطمینان از احتراق کامل سوخت در یک موتور احتراق خارجی آسان تر از یک موتور احتراق داخلی است.

جایگزینی برای موتورهای بخار

در قرن نوزدهم، مهندسان تلاش کردند تا جایگزین ایمن ایجاد کنند موتور بخاردر آن زمان، به دلیل این واقعیت که دیگ های موتورهای قبلاً اختراع شده اغلب منفجر می شدند و نمی توانستند فشار بخار زیاد و موادی را که اصلاً برای ساخت و ساخت آنها مناسب نبودند، تحمل کنند. موتور استرلینگجایگزین خوبی شد زیرا می‌توانست هر اختلاف دما را به کار تبدیل کند. این اصل اساسی عملکرد موتور استرلینگ است. تناوب مداوم گرمایش و سرمایش سیال عامل در یک سیلندر بسته، پیستون را به حرکت در می آورد. معمولاً سیال عامل هوا است، اما از هیدروژن و هلیوم نیز استفاده می شود. اما آزمایشاتی با آب نیز انجام شد. ویژگی اصلیموتور استرلینگ با مایع کار مایع از نظر اندازه کوچک، فشار کاری بالا و قدرت ویژه بالا است. همچنین استرلینگ با سیال کار دو فاز وجود دارد. قدرت و فشار کاری خاص در آن نیز بسیار بالا است.

شاید از درس فیزیک خود به یاد داشته باشید که وقتی گاز گرم می شود حجم آن افزایش می یابد و وقتی سرد می شود کاهش می یابد. این ویژگی گازها است که زیربنای عملکرد موتور استرلینگ است. موتور استرلینگاز چرخه استرلینگ استفاده می کند که از نظر بازده ترمودینامیکی کمتر از سیکل کارنو نیست و حتی از برخی جهات دارای مزیت است. چرخه کارنو از ایزوترم ها و آدیابات ها تشکیل شده است که تفاوت کمی با یکدیگر دارند. اجرای عملی چنین چرخه ای پیچیده و بی امید است. چرخه استرلینگ به دست آوردن یک موتور عملا در حال کار در ابعاد قابل قبول امکان پذیر شد.

چهار مرحله در چرخه استرلینگ وجود دارد که با دو فاز انتقال از هم جدا می شوند: گرمایش، انبساط، انتقال به منبع سرد، خنک کننده، فشرده سازی و انتقال به منبع گرما. هنگام حرکت از منبع گرم به منبع سرد، گاز موجود در سیلندر منبسط و منقبض می شود. در طی این فرآیند فشار تغییر می کند و کار مفیدی به دست می آید. کار مفید فقط از طریق فرآیندهایی که با آن اتفاق می افتد تولید می شود دمای ثابتیعنی بستگی به اختلاف دمای بخاری و کولر دارد، مانند چرخه کارنو.

پیکربندی

مهندسان موتورهای استرلینگ را به سه نوع مختلف تقسیم می کنند:

پیش نمایش - برای بزرگنمایی کلیک کنید.

دارای دو پیستون قدرت مجزا در سیلندرهای جداگانه. یک پیستون گرم و دیگری سرد است. سیلندر پیستون داغ در مبدل حرارتی با دمای بالاتر و سیلندر پیستون سرد در مبدل حرارتی سردتر قرار دارد. نسبت توان به حجم بسیار زیاد است، اما دمای بالای پیستون "گرم" مشکلات فنی خاصی ایجاد می کند.

بتا استرلینگ- یک استوانه وجود دارد که در یک انتها گرم و در طرف دیگر سرد است. یک پیستون (که برق از آن خارج می شود) و یک "جابجاگر" در داخل سیلندر حرکت می کنند و حجم حفره داغ را تغییر می دهند. گاز از قسمت سرد سیلندر به قسمت گرم از طریق یک احیا کننده پمپ می شود. بازسازی کننده می تواند خارجی باشد، به عنوان بخشی از یک مبدل حرارتی، یا می تواند با یک پیستون جابجایی ترکیب شود.

یک پیستون و یک "جابجاگر" وجود دارد، اما در عین حال دو سیلندر وجود دارد - یکی سرد است (جایی که پیستون حرکت می کند و برق از آن خارج می شود) و دومی در یک انتها گرم و در طرف دیگر سرد است ( جایی که "جابجاگر" حرکت می کند). احیا کننده می تواند خارجی باشد که در این صورت قسمت گرم سیلندر دوم را به سرد و همزمان با استوانه اول (سرد) متصل می کند. بازسازی کننده داخلی بخشی از جابجایی است.