では、高効率のスターリングエンジンを作るにはどのような問題があるのでしょうか。スターリングエンジン (1 gif)。

24.04.2019

電気設備

100年も前のエンジン内燃機関彼らは、他の利用可能な機械や可動機構との競争で正当な地位を勝ち取ろうとしました。また、当時はガソリンエンジンの優位性がそれほど明らかではありませんでした。既存機蒸気エンジンでは、その静粛性、当時としては優れた出力特性、メンテナンスの容易さ、および使用能力によって区別されました。さまざまな種類燃料。さらなる市場争奪戦の中で、内燃エンジンはその効率性、信頼性、シンプルさにより優位に立った。

20世紀半ばに始まったユニットと駆動機構の改良競争ガスタービンガソリンエンジンの優位性にもかかわらず、まったく新しいタイプのエンジンを「競技場」に導入する試みがなされたという事実につながりました。サーマルエンジンは、1861年にスコットランドの司祭という名前によって最初に発明されました。ロバート・スターリング。エンジンには作成者の名前が付けられました。

スターリングエンジン: 問題の物理的側面

どのように機能するかを理解するには スターリングの卓上発電所、理解する必要があります一般情報熱機関の動作原理について。物理的には、動作原理は機械エネルギーを使用することです。機械エネルギーは、ガスが加熱されると膨張し、その後冷却されると圧縮されることで得られます。動作原理を説明するために、通常のペットボトルと 2 つの鍋 (1 つは冷水、もう 1 つは熱い水が入っている) に基づいた例を示します。

氷ができる温度に近く、プラスチック容器内の空気が十分に冷えた冷水にボトルを入れるときは、栓をして閉めてください。さらに、ボトルを沸騰したお湯に入れると、しばらくするとコルクが勢いよく「発射」します。この場合加熱された空気によって行われる仕事は、冷却中に行われる仕事よりも何倍も大きくなります。実験を何度繰り返しても結果は変わりません。

スターリングエンジンを使用して構築された最初の機械は、実験で実証されたプロセスを正確に再現しました。当然のことながら、冷却過程でガスが失った熱の一部をさらなる加熱に利用し、その熱をガスに戻して加熱を促進する仕組みに改良が必要でした。

しかし、最初のスターリングはサイズが大きく、出力も低かったため、この技術革新を使用しても状況を救うことはできませんでした。その後、250 馬力の出力を達成するために設計を近代化する試みが複数回行われました。直径 4.2 メートルのシリンダーが存在する場合、実際に生成される出力は 183kWのスターリング発電所は実際にはわずか73kWであった.

すべてのスターリングエンジンは、4 つの主要フェーズと 2 つの中間フェーズを含むスターリングサイクルの原理に基づいて動作します。主なものは、加熱、膨張、冷却、圧縮です。移行段階は、冷気発生装置への移行と発熱体への移行と考えられます。エンジンによって実行される有益な仕事は、加熱部分と冷却部分の間の温度差のみに基づいています。

長所と短所

あなたのおかげでデザインの特徴これらのエンジンには多くの利点がありますが、欠点がないわけではありません。

デスクトップスターリング発電所は、店舗では不可能ですが、そのような装置を独自に組み立てる愛好家の間でのみ可能であり、次のものが含まれます。

大きなサイズ、これは作動ピストンを常に冷却する必要があるために発生します。
エンジンの性能と出力を向上させるために必要な高圧の使用。
発生した熱が熱に伝わらないために発生する熱損失。作動流体ただし、熱交換器システムを使用するため、その加熱により効率が低下します。
急激な減少動力を得るには、従来のガソリンエンジンとは異なる特別な原理を使用する必要があります。

スターリングユニットで稼働する発電所には、欠点に加えて、否定できない利点もあります。

熱エネルギーを使用する他のエンジンと同様に、あらゆる種類の燃料このエンジンあらゆる環境のさまざまな温度で機能することができます。
効率。これらの装置は、太陽エネルギーを処理する必要がある場合に蒸気ユニットの優れた代替品となり、効率が 30% 高くなります。
環境安全。卓上型kWパワーステーションは排気トルクを発生させないため騒音がなく、大気中に有害物質を排出しません。動力源は普通の熱であり、燃料はほぼ完全に燃え尽きます。
構造のシンプルさ。スターリングの動作には、追加の部品やデバイスは必要ありません。スターターを使用せずに単独で始動することができます。
パフォーマンスリソースの増加。そのシンプルさにより、エンジンは数百時間の連続運転が可能です。

スターリングエンジンの応用分野

スターリングモーターは、熱エネルギーを変換する単純な装置が必要な状況で最もよく使用されますが、他のタイプの熱ユニットの効率は同様の状況では著しく低くなります。非常に多くの場合、このようなユニットは、ポンプ装置、冷蔵庫、潜水艦、エネルギー貯蔵電池に電力を供給するために使用されます。

動画素材：YouTube.com/watch?v=fRY6rkw3LA

スターリングエンジンの使用が有望な分野の 1 つは太陽光発電所です。これは、このユニットを使用して太陽光線のエネルギーを電気エネルギーに変換することに成功しているためです。このプロセスを実行するために、エンジンは太陽光を蓄積するミラーの焦点に配置され、加熱が必要な領域を永続的に照明します。これにより、太陽エネルギーを狭いエリアに集中させることができます。この場合のエンジンの燃料はヘリウムまたは水素です。

現代の自動車産業は、基本的な要素がなければ、科学研究従来の内燃エンジンの設計において根本的な改善を達成することはほとんど不可能です。この状況により、設計者は次の点に注意を払う必要があります。代替発電所の設計。一部のエンジニアリングセンターは、ハイブリッドおよびハイブリッドの連続生産の作成とそれに適応することに注力しています。電気モデル、他の自動車メーカーは、再生可能資源からの燃料を使用したエンジン（たとえば、菜種油を使用したバイオディーゼル）の開発に投資しています。将来、自動車の新しい標準推進システムとなる可能性のあるパワーユニットプロジェクトは他にもあります。車両.

将来の自動車にとって考えられる機械エネルギー源の中で、エンジンについて言及する必要があります。外部燃焼、19世紀半ばにスコットランド人のロバート・スターリングによって熱膨張機械として発明されました。

仕事のスキーム

スターリングエンジンは外部から供給される熱エネルギーを有用なエネルギーに変換します。機械的な仕事により作動流体の温度変化密閉された空間内を循環する（気体または液体）。

で一般的な見解この装置の動作図は次のとおりです。エンジンの下部では、作動物質 (空気など) が加熱され、体積が増加してピストンを押し上げます。熱風はエンジンの上部に入り、ラジエーターによって冷却されます。作動流体の圧力が低下すると、ピストンは次のサイクルに向けて下降します。この場合、システムは密閉されており、作動物質は消費されず、シリンダー内を移動するだけです。

スターリング原理を使用したパワーユニットにはいくつかの設計オプションがあります。

スターリング改造「アルファ」

エンジンは 2 つの別々のパワーピストン (ホットおよびコールド) で構成されており、それぞれが独自のシリンダー内に配置されています。熱は熱いピストンによってシリンダーに供給され、冷たいシリンダーは冷却用熱交換器内に配置されます。

スターリング改造「ベータ」

ピストンを含むシリンダーは、一端で加熱され、反対側の端で冷却されます。パワーピストンとディスプレーサがシリンダ内を移動し、作動ガスの体積を変化させるように設計されています。再生器は、冷却された作動物質をエンジンの高温のキャビティ内に戻します。

スターリング改造「ガンマ」

設計は 2 つのシリンダーで構成されます。 1 つ目は完全に冷えた状態でパワーピストンが動き、2 つ目は片側が熱く、もう一方が冷たい状態でディスプレーサを動かす役割を果たします。冷たいガスを循環させるための再生器は、両方のシリンダーに共通であるか、ディスプレーサ設計の一部であることができます。

スターリングエンジンのメリット

ほとんどの外燃機関と同様に、スターリングの特徴は次のとおりです。多燃料: エンジンは、原因に関係なく、温度変化によって作動します。

興味深い事実！かつて、20 種類の燃料オプションで動作する設備が実証されました。エンジンを停止せずに外部燃焼室にガソリンを供給し、ディーゼル燃料、メタン、原油、植物油 - パワーユニットは安定して動作し続けました。

エンジンには、デザインのシンプルさそして必要ありません追加のシステムそして添付ファイル(タイミング、スターター、ギアボックス)。

デバイスの機能により、10万時間以上の長寿命が保証されます。連続運転.

スターリングエンジンはシリンダー内で爆発が起こらず、排気ガスを除去する必要がないため、静かです。ひし形クランク機構を備えた「ベータ」モディファイは、動作中に振動のない完璧なバランスのシステムです。

エンジンシリンダー内では、環境に悪影響を与える可能性のあるプロセスは発生しません。適切な熱源 (太陽エネルギーなど) を選択することにより、スターリングは完全に熱源を供給できます。環境にやさしいパワーユニット。

スターリング設計の欠点

すべてのセットでポジティブな性質スターリングエンジンの即時大量使用は不可能です。以下の理由:

主な問題は、構造の材料消費量です。作動流体を冷却するには大容量のラジエーターが必要となり、設備のサイズと金属の消費量が大幅に増加します。

現在の技術レベルでは、スターリングエンジンの特性を最新のエンジンと比較できるでしょう。ガソリンエンジン 100気圧以上の圧力下で複雑なタイプの作動流体（ヘリウムまたは水素）を使用することによってのみ可能です。この事実は、材料科学の分野とユーザーの安全確保の両方において深刻な疑問を引き起こします。

重要な操作上の問題は、金属の熱伝導率と温度耐性の問題に関連しています。熱は熱交換器を通じて作業空間に供給されるため、損失が避けられません。また、熱交換器には高圧に耐えられる耐熱金属を使用する必要があります。適切な材料非常に高価であり、加工が困難です。

スターリングエンジンのモード変更の原理も従来のものとは根本的に異なり、特別な制御装置の開発が必要となります。したがって、動力を変化させるには、シリンダ内の圧力、ディスプレーサとパワーピストンの間の位相角を変化させるか、作動流体を収容するキャビティの容量に影響を与える必要がある。

スターリングエンジンモデルのシャフト速度を制御する 1 つの方法を次に示します。次のビデオ:

効率

理論計算では、スターリングエンジンの効率は作動流体の温度差に依存し、カルノーサイクルに従って70%以上に達することがあります。

しかし、金属で実現された最初のサンプルは非常に貧弱でした。高効率次の理由:

最大加熱温度を制限する非効率的な冷却剤 (作動流体) オプション。
部品の摩擦やエンジンハウジングの熱伝導率によるエネルギー損失。
高圧に耐える建築材料の不足。

エンジニアリングソリューションによりデバイスが継続的に改善されましたパワーユニット。こうして 20 世紀後半には、4 気筒自動車が登場しました。菱形ドライブを備えたスターリングエンジンは、テストで 35% の効率を示しました温度 55 °C の冷却水上での実験。慎重な設計開発、新しい材料の使用、作業ユニットの微調整により、実験サンプルの効率は 39% であることが保証されました。

注記！モダンなガソリンエンジン同様の電力には係数があります役立つアクション 28 ～ 30%、ターボチャージャー付きディーゼルエンジンは 32 ～ 35% 以内です。

アメリカの会社 Mechanical Technology Inc によって作成されたものなど、スターリングエンジンの最新の例では、最大 43.5% の効率が実証されています。また、耐熱セラミックスや同様の革新的な材料の生産の開発により、作業環境の温度を大幅に上昇させ、60% の効率を達成することが可能になります。

自動車スターリングの導入成功例

あらゆる困難にもかかわらず、自動車産業に適用できる効率的なスターリングエンジンモデルが数多く知られています。

車への搭載に適したスターリングへの関心は、20 世紀の 50 年代に現れました。この方向への取り組みはフォードなどの懸念によって行われた。自動車会社, フォルクスワーゲングループその他。

UNITED STIRLING 社（スウェーデン）は、自動車メーカーが製造するシリアルコンポーネントやアセンブリを最大限に活用したスターリングを開発しました（クランクシャフト、連接棒）。結果として得られた 4 気筒 V エンジンの比重は 2.4 kg/kW で、これは小型ディーゼルエンジンの特性に匹敵します。このユニットは次のようにテストされています。発電所 7トンの貨物バン。

成功したサンプルの 1 つは、オランダ製の 4 気筒スターリングエンジン、モデル「Philips 4-125DA」です。車。エンジンの作動出力は173馬力でした。と。寸法は古典的なガソリンユニットと同様です。

エンジニアは大きな成果を上げました一般的なモーターは、70 年代に 8 シリンダー (4 つの作動シリンダーと 4 つの圧縮シリンダー) を構築しました。 Vツインエンジン標準的なクランク機構を備えたスターリング。

1972 年の同様の発電所装備されている限定版フォード車トリノ、従来のガソリンと比較して燃料消費量が 25% 減少しました。 V字型8.

現在、50社以上の外国企業が、自動車産業のニーズに合わせてスターリングエンジンを大量生産に適応させるために、その設計の改善に取り組んでいます。そして欠点を解消できればこのタイプのエンジンがその利点を維持しながら、ガソリン内燃エンジンに取って代わるのはタービンや電気モーターではなくスターリングです。

スターリングサイクルはスターリングエンジンの不可欠な部分と考えられています。同時に、これまでに作成された多くの設計の動作原理を詳細に研究したところ、そのかなりの部分がスターリングサイクルとは異なる動作サイクルを持っていることがわかりました。たとえば、異なる直径のピストンを備えたアルファスターリングのサイクルはエリクソンサイクルによく似ています。ディスプレーサピストンのロッド直径がかなり大きいベータおよびガンマ構成も、スターリングサイクルとエリクソンサイクルの間の中間位置を占めます。

ディスプレーサがベータ配置で移動すると、作動流体の状態は等高線に沿って変化するのではなく、等高線と等圧線との中間の傾斜線に沿って変化する。ディスプレーサの全直径に対するロッド直径の特定の比率で等圧線を得ることができます (この比率は動作温度に依存します)。この場合、働き手であったピストンは補助的な役割を果たし、ディスプレーサロッドが本当の働き手となる。このようなエンジンの比出力は従来のスターリングエンジンよりも約 2 倍大きく、ピストンにかかる圧力がより均一になるため摩擦損失が低くなります。ピストン直径が異なる Alpha Stirlings でも、この図は同様です。中間のダイアグラムを備えたエンジンでは、ピストン間、つまり作動ピストンとディスプレーサロッド間で負荷が均等に分散される場合があります。

重要な利点エリクソンサイクルまたはそれに近いエンジン動作とは、等高線が等圧線またはそれに近いプロセスで置き換えられることを意味します。作動流体が等圧線に沿って膨張するとき、復熱器から作動流体への熱の移動を除いて、圧力の変化や熱交換は起こりません。この加熱はすぐに有益な働きをし、等圧圧縮中に熱が回収熱交換器に伝達されます。
スターリングサイクルでは、等積線に沿って作動流体を加熱または冷却するときに、ヒーターとクーラーの等温プロセスにより熱損失が発生します。

構成

エンジニアはスターリングエンジンを3つに分けるさまざまな種類:

アルファ・スターリング- 別々のシリンダーに 2 つの別々のパワーピストンが含まれています。一方のピストンは熱く、もう一方のピストンは冷たいです。熱いピストンシリンダーは高温の熱交換器内にあり、冷たいピストンシリンダーは低温の熱交換器内にあります。このタイプのエンジンはかなり高い出力対容積比を持っていますが、残念ながら「熱い」ピストンの高温により特定の技術的問題が発生します。

再生器は、接続チューブの高温部分と低温部分の間に配置されます。

ベータ・スターリング- シリンダーは 1 つだけあり、一方の端は熱く、もう一方の端は冷たくなっています。ピストン (動力が取り除かれる) と「ディスプレーサ」がシリンダー内で動き、高温のキャビティの容積を変化させます。ガスはシリンダーの低温部分から再生器を通って高温部分にポンプで送られます。再生器は熱交換器の一部として外部に設置することも、ディスプレーサピストンと組み合わせることもできます。

ガンマスターリング- ピストンと「ディスプレーサ」もありますが、同時に 2 つのシリンダーがあります。1 つは冷えており (ピストンがそこに移動し、そこから動力が取り除かれます)、2 つ目のシリンダーは一方の端が熱く、反対側の端は冷えています。もう一方（「ディスプレーサ」がそこに移動します）。リジェネレータは外部にある場合もあり、その場合は接続されます。熱い部分 2 番目のシリンダーには冷たいシリンダーを、同時に最初の (冷たい) シリンダーを入れます。内部再生器はディスプレーサの一部です。

スターリングエンジンには、上記の 3 つの古典的なタイプに当てはまらない種類もあります。

ロータリースターリングエンジン- 気密性の問題が解決されました（密閉型回転入力 (GVV) に関する Mukhin の特許、国際展示会ブリュッセルの「Eureka-96」）と嵩高さ（エンジンがロータリー式であるため、クランク機構はありません）。

欠陥

材料の強度- エンジンの主な欠点。一般に外燃機関、特にスターリングエンジンでは作動流体を冷却する必要があり、ラジエーターの大型化により発電装置の重量と寸法が大幅に増加します。

内燃機関と同等の特性を得るには、 高圧 (100 気圧以上) および特殊なタイプの作動流体- 水素、ヘリウム。

熱は作動流体に直接供給されませんただし、熱交換器の壁を通過するだけです。壁の熱伝導率は限られているため、予想よりも効率が低くなります。高温熱交換器は、非常に激しい熱伝達条件および非常に高い圧力下で動作するため、高品質で高価な材料の使用が必要です。相反する要件を満たす熱交換器を作成することは非常に困難です。熱交換面積が大きいほど、熱損失は少なくなります。同時に、熱交換器のサイズと仕事に関与しない作動流体の体積が増加します。熱源が外部にあるため、エンジンはシリンダーへの熱流の変化に反応するのが遅く、始動時に必要な出力をすぐに生成できない場合があります。

エンジン出力を迅速に変更するために、内燃エンジンで使用される方法とは異なる方法が使用されます。可変容量のバッファタンク、チャンバー内の作動流体の平均圧力の変化、作動ピストンとディスプレーサ間の位相角の変化。後者の場合、ドライバーの制御アクションに対するエンジンの応答はほぼ瞬時に行われます。

利点

しかし、スターリングエンジンには開発が必要な利点がある。

「雑食性」エンジン- すべての外燃機関 (またはむしろ外部熱供給) と同様に、スターリングエンジンは、ほぼあらゆる温度差でも動作できます。たとえば、海洋の異なる水層間、太陽、核または同位体ヒーター、石炭や薪ストーブなど。
デザインのシンプルさ- エンジンの設計は非常にシンプルで、ガス分配機構などの追加システムは必要ありません。自動的に始動するため、スターターは必要ありません。その特性により、ギアボックスを取り除くことができます。ただし、上で述べたように、材料の消費量が多くなります。
リソースの増加- 設計がシンプルで、多くの「繊細な」ユニットがないため、スターリングは他のエンジンでは前例のない、数万時間、数十万時間の連続運転のリソースを提供できます。
経済的- 太陽エネルギーを電気に変換する場合、スターリングエンジンは蒸気熱エンジンよりも優れた効率 (最大 31.25%) を提供することがあります。
エンジンの静粛性・スターリングには排気がないので騒音がありません。ひし形機構を備えたベータスターリングは、完璧にバランスのとれた装置であり、十分な機能を備えています。高品質製造時は振動すらありません（振動振幅は0.0038 mm未満）。
環境への配慮- スターリング自体には、汚染の原因となる可能性のある部品やプロセスはありません。環境。作動液を消費しません。エンジンの環境への優しさは、主に熱源の環境への優しさによるものです。外燃エンジンでは内燃エンジンよりも燃料を完全に燃焼させるのが容易であることも注目に値します。

応用

リニアオルタネーター付きスターリングエンジン

スターリングエンジンは、設計がシンプルでコンパクトな熱エネルギーコンバータが必要な場合、または他の熱エンジンの効率が低い場合、たとえば、温度差が蒸気タービンやガスタービンを動作させるのに十分でない場合に適用できます。

熱音響学は、熱エネルギーと音響エネルギーの相互変換に関する物理学の分野です。それは熱力学と音響学の交差点で形成されました。したがって、名前が付けられました。この科学は非常に若いです。それは前世紀の 70 年代後半に独立した学問として誕生し、スイスのニカラウスロットが線形熱音響学の数学的基礎に関する研究を完了しました。しかし、それはどこからともなく生じたわけではありません。その出現に先立って、私たちが単純に考慮しなければならない興味深い効果の発見が行われました。

どこから始まったのか
熱音響学には長い歴史があり、その起源は 2 世紀以上前に遡ります。

熱によって生成される振動の最初の公式記録は、1777 年にヒギンズによって作成されました。彼は、特定の方法で配置された水素バーナーによって音響振動が励起される開いたガラス管を使って実験しました。この経験は「ヒギンズの歌う炎」として歴史に名を残しました。

図 1. ヒギンズが歌う炎

しかし、現代の物理学者は「ライケ管」と呼ばれる別の実験でよく知られています。実験の過程で、ライケは新しいものを作成しました。楽器オルガンパイプから。彼は、ヒギンズの水素炎を熱線スクリーンに置き換え、スクリーンが管の下端から 4 分の 1 の位置にあるときに最も強い音が生成されることを実験的に示しました。カバーすれば振動は止まった先端チューブ。これは、音を生成するには縦方向の対流推力が必要であることを証明しました。ヒギンズとライケの研究は、後に燃焼科学誕生の基礎となり、今日ではこの現象が利用されるあらゆる場所に応用されています。

図 2. ライケ管。

ロケットエンジンへの火薬爆弾の燃焼。ライケ管内で起こる現象については世界中で何千もの論文が取り上げられていますが、この装置への関心は今日に至るまで衰えていません。

1850 年、ゾントハウスはガラス吹き職人が仕事中に観察した奇妙な現象に注目しました。熱いガラスの球状の膨らみがガラス吹き管の冷たい端に空気を送り込むと、澄んだ音が発生します。ソントハウスはこの現象を分析し、管の端にある球状の膨らみを加熱することによって音が発生することを発見しました。この場合、管の長さによって音が変わります。ライケ管とは異なり、ゾントハウス管は対流ドラフトに依存しませんでした。

図 3. ゾントハウス管。

同様の実験が後にタコニスによって実施された。ゾントハウスとは異なり、彼は管の端を加熱せず、極低温の液体で冷却しました。これは、音の生成にとって重要なのは加熱ではなく、温度差であることを証明しました。
熱によって引き起こされる振動の最初の定性分析は、1887 年にレイリー卿によって行われました。上記の現象に関するレイリーの説明は、現在、熱音響学においてレイリーの原理として知られています。それは次のように聞こえます。「最大の圧縮の瞬間に熱が気体に伝達されるか、最大の真空の瞬間に熱が奪われると、振動が刺激されます。「その単純さにもかかわらず、この公式は直接的な熱音響効果、つまり熱エネルギーから音エネルギーへの変換を完全に説明しています。

ボルテックス効果

ボルテックス効果(ランク・ヒルシュ効果、英語。 ランク・ヒルシュ効果) - 円筒形または円錐形のチャンバー内で渦を巻くときに気体または液体を 2 つの部分に分離する効果。周縁部では高温の旋回流が形成され、中心部では冷却された旋回流が形成され、中心部では周縁部とは逆方向に回転が起こります。この効果は、フランス人技術者ジョゼフ・ランク氏が20年代後半、産業用サイクロンの温度を測定中に初めて発見した。 1931 年末、J. ランクは、彼が「渦管」と呼んだ発明の装置の出願を提出しました (文献ではランケ管と呼ばれています)。アメリカでは1934年になって初めて特許を取得することができました（米国特許第1952281号）。現在、渦効果を利用した装置、ボルテックス装置が多数実装されています。これらは、遠心力の影響下で物質を化学的に分離するための「ボルテックスチャンバー」と、冷却源として使用される「ボルテックスチューブ」です。

1960 年代以来、渦の動きは多くの科学研究のテーマとなってきました。渦効果に関する専門会議は、たとえばサマラ航空宇宙大学で定期的に開催されています。

ボルテックス発熱体とマイクロコンディショナーが存在し、使用されています。

この世には、独創的で、理解不能で、まったく非現実的なことが存在します。あまりにも非現実的で、並行宇宙からの人工物のように見えます。そのような工芸品の中には、スターリングエンジン、真空ラジオ管、マレーヴィチの黒い四角形、いわゆる「テスラタービン」
一般的に言えば際立った特徴そのようなすべてのものの中で - 絶対的なシンプルさ。単純化ではなく、シンプルさ。つまり、ミケランジェロの作品のように、余分なものはすべて存在せず、技術的または意味論的な「サポート」は一切なく、純粋な意識が「鉄の中に」具現化されるか、キャンバス上に飛び散ります。そしてこれらすべてを含めて、絶対的な非循環。ブラックスクエアは一種のアートの「オルト」です。他のアーティストが書いたこのような作品はあり得ません。

これはすべて、テスラタービンに完全に当てはまります。構造的には、タービン軸上に互いに短い距離を置いて取り付けられた複数 (10 ～ 15 個) の薄いディスクで構成され、警察の笛に似たケーシング内に配置されています。

ディスクローターが「ラヴァルホイール」よりもはるかに技術的に進歩しており、信頼性があることは説明するまでもありません。私はローターのことを話しているのではありません。従来型タービン。これがこのシステムの第一の利点です。 2 つ目は、他のタイプのタービンとは異なり、作動流体の流れを層流にするために特別な措置を講じる必要があることです。テスラタービンでは、作動流体 (空気、蒸気、さらには液体) は厳密に層流になります。したがって、タービン内のガス動摩擦による損失はゼロに減少し、タービンの効率は 95% になります。

確かに、タービンの効率と熱力学サイクルの効率は多少異なることに留意する必要があります。タービン効率は、タービンローターシャフト上で機械エネルギーに変換されたエネルギーと作動サイクルのエネルギーの比（つまり、作動流体の初期エネルギーと最終エネルギーの差）として特徴付けることができます。したがって、現代の効率は蒸気タービン熱力学サイクルの効率も 95 ～ 98% と非常に高くなりますが、多くの制限があるため、熱力学サイクルの効率は 40 ～ 50% を超えることはありません。

タービンの動作原理は、ケーシング内で回転する作動流体 (ガスなど) が摩擦によりローターをローターと一緒に「引きずる」という事実に基づいています。同時に、エネルギーの一部をローターに譲り、ガスは減速し、茶葉のようにローターとの相互作用時に生じるコリオリ力のおかげで、ローター軸に向かって「転がり」ます。「使用済み」作動液を除去するための特別な穴。
テスラタービンは、ラヴァルタービンと同様に、作動流体の運動エネルギーを変換します。つまり、位置エネルギーの変換です (たとえば、圧縮空気または過熱蒸気）を動力学に変換することは、ノズルを使用してタービンローターに供給する前に行う必要があります。しかし、ラヴァルタービンは一般にかなり高い効率を持っていましたが、低速では非常に非効率であることが判明し、そのため寸法と質量がタービン自体の寸法と質量よりも何倍も大きいギアボックスの設計を余儀なくされました。テスラタービンの基本的な違いは、幅広い回転速度で非常に効率的に動作し、そのシャフトを発電機に直接接続できるという事実です。さらに、テスラタービンは逆転が容易です。

興味深いのは、ニコラ・テスラ自身が自分の発明を、地熱エネルギーを高効率に利用する方法として位置づけ、地熱エネルギーを未来のエネルギーと考えていたことです。また、タービンを改造することなく高効率なものに変えることができます。真空ポンプ- 別のタービンまたは電気モーターからシャフトを回転させるだけで十分です。

テスラタービンは製造しやすいため、そのバージョンは文字通りあらゆるものから作ることができます。ディスクローターは古い CD から、または故障したコンピューターのハードドライブからの「パンケーキ」から作ることができます。同時に、そのようなエンジンのパワーは、「おもちゃ」の材料と寸法にもかかわらず、非常に印象的であることがわかります。寸法について言えば、110馬力のエンジン。現在のパーソナルコンピュータのシステムユニットほどの大きさではありませんでした。

ランク効果に基づくデバイス

ランク効果は、その技術的実装の明らかな単純さによって、当初から発明者たちを魅了しました - 実際、最も単純な実装です渦管ごく普通のパイプの一部で、初期の流れが一方の側から接線方向に供給され、反対側の端には環状のダイヤフラムが取り付けられており、流れの冷却された部分は内部の穴から出て、その熱い部分は流れの一部になります。ダイヤフラムの外縁とパイプ内面の隙間から出ます。しかし、実際には、すべてがそれほど単純であるわけではありません。効果的な分離を常に達成できるとは限らず、そのような設備の効率は通常、広く使用されているコンプレッサーヒートポンプよりも著しく劣ります。また、通常、ランク効果装置のパラメータは入力流の速度と流量によって決まる比出力に対して計算されており、入力流のパラメータが最適値から逸脱するとボルテックスチューブの効率が低下します。大幅。それにもかかわらず、ランク効果に基づいた一部の設備の機能は尊敬を集めるものであることに注意する必要があります。たとえば、ある段階で達成された記録的な冷却は 200°C を超えています。

しかし、我が国の気候を考慮すると、ランク効果を暖房に利用することは非常に興味深いものであり、同時に「即席の手段」の範囲を超えないようにしておきたいと考えています。

ランク効果の本質

気体や液体の流れが滑らかに回転するパイプの表面に沿って移動すると、パイプの外壁に領域が形成されます。高血圧と温度、そして内部（またはガスが円筒形の容器の表面に沿って渦巻く場合はキャビティの中心） - 低温および圧力の領域。このかなりよく知られた現象は次のように呼ばれます。 ランク効果 1931 年に発見したフランス人技師ジョゼフ・ランク (G.J. ランク、「ランケ」と表記されることもある) にちなんで名付けられました。 ランク・ヒルシュ効果(ドイツ人のロバートヒルシュは 1940 年代後半にもこの効果の研究を続け、ランク渦管の効率を改善しました)。ランク効果を利用した設計はヒートポンプの一種であり、その動作エネルギーはパイプ入口で作動流体の流れを作り出すスーパーチャージャーから取られます。

ランク効果のパラドックスは次のとおりです。遠心力回転する流れの中では外側に向けられます。知られているように、気体または液体の暖かい層は密度が低いため上に上昇する必要があり、遠心力の場合は中心に向かう傾向があり、より冷たい層は密度が高いため、周辺に向かう傾向があります。一方、高速回転する流れの中では、すべてがまったく逆のことが起こります。

ランク効果は、ガス流と液体流の両方に現れますが、知られているように、実際には非圧縮性であるため、断熱圧縮/膨張係数は適用できません。ただし、液体の場合、ランク効果は通常、それほど顕著ではありません。おそらくまさにこの理由のためであり、粒子の平均自由行程が非常に短いため、発現することが困難になります。しかし、これは伝統的な分子動力学理論の枠組み内にとどまる場合に当てはまり、その効果にはまったく異なる理由がある可能性があります。

私の意見では、この瞬間ランク効果の最も完全かつ信頼性の高い科学的説明は、A.F. Gutsol による記事 (PDF 形式) に記載されています。驚くべきことに、現象の本質についての彼の結論は、本質的に、私たちが「指で」得たものと一致しています。残念ながら、彼は最初の要素 (外側半径でのガスの断熱圧縮と内側半径での膨張) を無視しています。私の意見では、この要素は圧縮性ガスを使用する場合に非常に重要ですが、デバイスの内部でのみ作用します。そして、A.F. Gutsol は 2 番目の要素を「速い微小体積と遅い微小体積の分離」と呼んでいます。

スターリングエンジン– 外部熱供給を備えたモーター。非有機燃料を熱源として使用する必要がある場合、外部熱供給は非常に便利です。たとえば、太陽エネルギー、地熱エネルギー、さまざまな企業からの廃熱を利用できます。

スターリングサイクルの優れた特徴は、その効率がカルノーサイクルの効率と同等であることです。当然のことながら、実際のスターリングエンジンの効率は低く、多くの場合、はるかに低くなります。スターリングエンジンは、ピストン、コンロッド、クランクシャフト、ベアリングなどの多くの可動部品を備えた装置としてその存在を開始しました。さらに、発電機のローターも回転していました (図 1)。

図1 – アルファ型スターリングエンジン

アルファ型スターリングエンジンを見てください。シャフトが回転すると、ピストンが冷たいシリンダーから熱いシリンダーへ、またはその逆に熱いシリンダーから冷たいシリンダーへガスを蒸留し始めます。しかし、蒸留するだけでなく、圧縮や膨張も行います。熱力学サイクルが完了します。この写真から、コネクティングロッドが取り付けられている軸が上になるようにシャフトが回転すると、ガスが最大圧縮される瞬間となり、下にある場合は次に膨張することが頭の中で想像できます。確かに、ガスの熱膨張と圧縮のため、これは完全に真実ではありませんが、ほぼすべてのことが依然として真実です。

エンジンの心臓部はいわゆるコアであり、高温と低温の2つの熱交換器で構成され、それらの間に再生器があります。熱交換器は通常プレート型で作られ、再生器は金属メッシュで作られたスタックであることがほとんどです。ガスを加熱および冷却するために熱交換器が必要な理由は明らかですが、なぜ再生器が必要なのでしょうか? そして、再生器は実際の蓄熱器です。高温ガスが低温側に移動すると、再生器が加熱され、再生器は熱エネルギーを蓄えます。ガスが低温側から高温側に移動するとき、低温ガスは再生器内で加熱されるため、再生器がなければ環境の加熱により回復不能に失われていたであろうこの熱が節約されます。したがって、リジェネレーターは非常に優れています。必要なもの。優れた再生器を使用すると、エンジン効率が約 3.6 倍向上します。

このようなエンジンを自分で組み立てることを夢見ている愛好家のために、熱交換器について詳しく説明したいと思います。過半数自家製エンジン私がこれまで見てきたスターリングエンジンには、熱交換器がまったくありません (アルファタイプエンジンについて話しています)。熱交換器はピストンとシリンダーそのものです。 1 つのシリンダーが加熱され、もう 1 つのシリンダーが冷却されます。同時に、ガスと接触する熱交換面の面積は非常に小さくなります。したがって、シリンダーの入口に熱交換器を設置することで、エンジン出力を大幅に向上させることができます。また、図 1 でも火炎はシリンダーに直接向けられていますが、これは工場のエンジンでは完全には当てはまりません。

スターリングエンジンの開発の歴史に戻りましょう。つまり、エンジンが多くの点で優れているとしても、存在感はオイルスクレーパーリングベアリングやベアリングのせいでエンジンの寿命が短くなってしまったため、エンジニアたちはそれを改善する方法を真剣に考え、あるアイデアを思いつきました。

1969 年、ウィリアムベールはエンジン動作における共振効果を研究し、後にコンロッドやクランクシャフトを必要としないエンジンを製造することに成功しました。ピストンの同期は共振効果によって生じました。このタイプのエンジンはフリーピストンエンジンと呼ばれるようになりました（図2）。

図 2 – フリーピストンスターリングエンジン

図2にベータ型フリーピストンエンジンを示します。ここでは、ディスプレーサ (自由に動く) のおかげで、ガスが高温領域から低温領域へ、またはその逆に移動し、作動ピストンが有益な仕事をします。ディスプレーサとピストンは、写真の右側に見える渦巻バネで振動します。難しいのは、それらの振動が同じ周波数で 90 度の位相差でなければならないことですが、これはすべて共振効果によるものです。これは非常に難しいことです。

このため、部品点数は削減されましたが、同時に計算や製造の精度に対する要求も厳しくなりました。しかし、特に柔軟な膜がディスプレーサやピストンとして使用される設計において、エンジンの信頼性は間違いなく向上しています。この場合、エンジン内に擦れる部分は全くありません。必要に応じて、リニア発電機を使用してこのようなエンジンから電気を取り出すことができます。

しかし、これではエンジニアたちは十分ではなく、擦れる部品だけでなく、可動部品全般を取り除く方法を模索し始めました。そして彼らはそのような方法を見つけました。

20 世紀の 70 年代に、ピーターツェペリは、スターリングエンジン内の圧力とガス速度の正弦波振動、およびこれらの振動が同位相であるという事実が、エンジン内の圧力とガス速度の振動を信じられないほど彷彿とさせることに気づきました。進行する音波（図3）。

図 3 - 時間の関数としての進行音波の圧力と速度のグラフ。圧力振動と速度振動が同相であることが示されています。

このアイデアはツェペルリに偶然に思いついたわけではありません。ツェペルリより前に熱音響学の分野で多くの研究が行われていたためです。たとえば、レイリー卿自身が 1884 年にこの現象を定性的に説明しました。

したがって、彼はピストンとディスプレーサを完全に放棄し、音波のみを使用してガスの圧力と動きを制御することを提案しました。これにより、可動部品がなく、理論的にはスターリングサイクル、ひいてはカルノーサイクルの効率を達成できるエンジンが生成されます。実際には、最高のパフォーマンスはカルノーサイクルの効率の 40 ～ 50% です (図 4)。

図 4 – 進行波を備えた熱音響エンジンの図

熱音響進行波エンジンは、熱交換器と再生器で構成されるまったく同じコアですが、ピストンと接続ロッドの代わりに、共振器と呼ばれるループ状のパイプがあるだけであることがわかります。内部に可動部品がない場合、このエンジンはどのように動作するのでしょうか? これはどのようにして可能でしょうか?

まず、音はどこから来るのかという質問に答えましょう。その答えは、2 つの熱交換器の間に十分な温度差がある場合に自然に発生するということです。再生器内の温度勾配により、特定の波長のみの音の振動を増幅することができます。長さに等しい共鳴器。非常に最初から、プロセスは次のようになります。高温の熱交換器が加熱すると、微細なガサガサという音が現れ、おそらく熱変形によるパチパチ音さえ発生しますが、これは避けられません。このガサガサ音は幅広い周波数を持つ騒音です。この豊かな音の周波数スペクトル全体から、エンジンはその音の振動を増幅し始めます。その波長はパイプ、つまり共鳴器の長さに等しいです。そしてどんなに初期振動が小さくても、それを最大限に増幅させます。エンジン内部の最大音量は、熱交換器による音の増幅力と損失の力、つまり音の振動の減衰力が等しいときに発生します。そしてこの最大値は160dBという巨大な値に達することもあります。それで、中には何が入っているのか同様のエンジン本当にうるさい。幸いなことに、共鳴器は密閉されているため、音は外部に逃げることができず、したがって作動中のエンジンの隣に置いてもほとんど聞こえません。

特定の周波数の音の増幅は、再生器内で実行される同じ熱力学サイクル、つまりスターリングサイクルのおかげで発生します。

図 5 – 大まかに簡略化したサイクルの段階。

すでに書いたように、熱音響エンジンには可動部品がまったくなく、内部で音波のみを生成しますが、残念ながら、可動部品がなければエンジンから電気を取り出すことは不可能です。

通常、エネルギーはリニア発電機を使用して熱音響エンジンから抽出されます。弾性膜は、強力な音波の圧力下で振動します。内部銅コイルコアを使用すると、膜に取り付けられた磁石が振動します。電気が発生します。

2014 年、Aster Thermoacoustics の Kees de Blok、Pawel Owczarek、Maurice Francois は、発電機に接続された双方向パルスタービンが音波エネルギーを電気に変換するのに適していることを示しました。

図 6 – パルスタービンの図

衝動タービンは流れの方向に関係なく同じ方向に回転します。図 6 は、側面のステータブレードと中央のロータブレードを概略的に示しています。
実際のタービンは次のようになります。

図 7 – 外観双方向衝動タービン

リニア発電機の代わりにタービンを使用することで、設計コストが大幅に削減され、リニア発電機では不可能である一般的な火力発電所の出力まで装置の出力を高めることが可能になることが期待されています。

私たちは熱音響エンジンの開発を引き続き注意深く監視していきます。

使用したソースのリスト

MG クルグロフ。スターリングエンジン。モスクワ「機械工学」、1977年。
G. リーダー、C. フーパー。スターリングエンジン。モスクワ「ミール」、1986年。
キース・デ・ブロック、パヴェル・オウツァレク。音響から電力への変換、2014 年。

- 液体または気体の作動流体が密閉空間内を移動する熱機関。外燃機関の一種。これは、作動流体を定期的に加熱および冷却し、その結果生じる作動流体の体積変化からエネルギーを抽出することに基づいています。燃料の燃焼だけでなく、あらゆる熱源でも作動します。

18 世紀のエンジンの開発に関連した出来事の年表は、興味深い記事「蒸気エンジンの発明の歴史」で見ることができます。そしてこの記事は、偉大な発明家ロバート・スターリングと彼の発案者に捧げられています。

創作の歴史…

奇妙なことに、スターリングエンジンの発明の特許は、スコットランドの神父ロバートスターリングに属しています。彼はそれを 1816 年 9 月 27 日に受け取りました。最初の「熱風エンジン」は、スターリングよりずっと前の 17 世紀末に世界に知られるようになりました。スターリングの重要な業績の 1 つは、彼自身が「エコノミー」と名付けた浄化装置の追加でした。

現代の科学文献では、この浄化器は「回復器」というまったく異なる名前を持っています。そのおかげで、クリーナーがエンジンの暖かい部分の熱を保持し、同時に作動流体が冷却されるため、エンジンのパフォーマンスが向上します。このプロセスのおかげで、システムの効率が大幅に向上します。復熱器は、ワイヤー、顆粒、および波形フォイル (波形はガスの流れの方向に沿って走っています) で満たされたチャンバーです。ガスはレキュペレーターのフィラーを一方向に通過し、熱を放出（または取得）し、反対方向に移動するときに熱を奪います（熱を与えます）。復熱器はシリンダーの外部に設置することもでき、ベータおよびガンマ構成のディスプレーサピストン上に配置することもできます。この場合の機械の寸法と重量は小さくなります。ある程度、レキュペレータの役割はディスプレーサとシリンダ壁の間の隙間によって行われます（シリンダが長い場合、そのような装置はまったく必要ありませんが、ディスプレーサの粘性により大幅な損失が発生します）。ガス）。アルファスターリングでは、回収熱交換器は外部にのみ設置できます。熱交換器と直列に取り付けられ、作動流体が冷たいピストン側から加熱されます。

1843 年、ジェームススターリングは、当時エンジニアとして働いていた工場でこのエンジンを使用しました。 1938 年、フィリップスは 200 馬力以上の出力と 30% 以上の利益をもたらすスターリングエンジンに投資しました。なぜなら スターリングエンジン多くの利点がありますが、その時代には蒸気機関それは広まりました。

欠陥。

エンジンの主な欠点は材料の消費量です。一般に外燃機関、特にスターリングエンジンでは作動流体を冷却する必要があり、ラジエーターの大型化により発電装置の重量と寸法が大幅に増加します。

内燃機関と同等の特性を得るには、高圧 (100 気圧以上) と特殊な種類の作動流体 (水素、ヘリウム) を使用する必要があります。

熱は作動流体に直接供給されず、熱交換器の壁を通してのみ供給されます。壁の熱伝導率は限られているため、予想よりも効率が低くなります。高温熱交換器は、非常に激しい熱伝達条件および非常に高い圧力下で動作するため、高品質で高価な材料の使用が必要です。相反する要件を満たす熱交換器を作成することは非常に困難です。熱交換面積が大きいほど、熱損失は少なくなります。同時に、熱交換器のサイズと仕事に関与しない作動流体の体積が増加します。熱源が外部にあるため、エンジンはシリンダーへの熱流の変化に反応するのが遅く、始動時に必要な出力をすぐに生成できない場合があります。

エンジン出力を迅速に変更するために、内燃エンジンで使用される方法とは異なる方法が使用されます。つまり、可変容積バッファタンク、チャンバー内の作動流体の平均圧力の変化、作動ピストンと作動流体の間の位相角の変化です。ディスプレーサ。後者の場合、ドライバーの制御アクションに対するエンジンの応答はほぼ瞬時に行われます。

利点。

しかし、スターリングエンジンには開発が必要な利点がある。

エンジンの「雑食性」 - すべての外燃エンジン (またはむしろ外部熱供給) と同様に、スターリングエンジンは、ほぼあらゆる温度差でも動作できます。たとえば、海洋の異なる層間、太陽、原子力、またはアイソトープヒーター、石炭または薪ストーブなど。

設計のシンプルさ - エンジンの設計は非常にシンプルで、ガス分配機構などの追加システムを必要としません。自動的に始動するため、スターターは必要ありません。その特性により、ギアボックスを取り除くことができます。ただし、上で述べたように、材料の消費量が多くなります。

耐用年数の延長 - 設計がシンプルで、多くの「繊細な」ユニットがないため、スターリングは他のエンジンでは前例のない、数万時間、数十万時間の連続運転の耐用年数を提供できます。

経済的 - 太陽エネルギーを電気に変換する場合、スターリングエンジンは蒸気熱エンジンよりも優れた効率 (最大 31.25%) を発揮することがあります。

静かなエンジン - スターリングには排気がないため、騒音がありません。菱形機構を備えたベータスターリングは、完全にバランスの取れた装置であり、かなり高品質の製造により、振動すらありません (振動振幅は 0.0038 mm 未満)。

環境に優しい - スターリング自体には、環境汚染につながる可能性のある部品やプロセスがありません。作動液を消費しません。エンジンの環境への優しさは、主に熱源の環境への優しさによるものです。外燃エンジンでは内燃エンジンよりも燃料を完全に燃焼させるのが容易であることも注目に値します。

蒸気エンジンの代替手段。

19 世紀、エンジニアは安全な代替品を作ろうとしました。蒸気機関当時、すでに発明されたエンジンのボイラーは高い蒸気圧に耐えられず、製造や構造にまったく適していない材料が原因で爆発することがよくありました。 スターリングエンジンあらゆる温度差を仕事に変換できるため、優れた代替品となりました。これがスターリングエンジンの基本動作原理です。閉じたシリンダー内の作動流体の加熱と冷却が絶えず繰り返されることで、ピストンが動き始めます。通常、作動流体は空気ですが、水素やヘリウムも使用されます。しかし、実験は水でも行われました。主な特徴液体の作動流体を使用するスターリングエンジンは、サイズが小さく、動作圧力が高く、比出力が高くなります。二相作動流体を使用するスターリングもあります。比出力と作動圧力も非常に高いです。

物理学の授業で、気体を加熱すると体積が増加し、冷却すると体積が減少することを覚えているかもしれません。スターリングエンジンの動作の基礎となるのは、このガスの特性です。 スターリングエンジンスターリングサイクルは熱力学的効率の点でカルノーサイクルに劣らず、ある意味では有利ですらあります。カルノーサイクルは、互いにほとんど異なる等温線と断熱線で構成されます。このようなサイクルを実際に実行するのは複雑で、期待できません。スターリングサイクルにより、許容可能な寸法で実際に動作するエンジンを得ることが可能になりました。

スターリングサイクルには 4 つの段階があり、加熱、膨張、冷熱源への移行、冷却、圧縮、熱源への移行という 2 つの移行段階で区切られています。暖かい源から冷たい源に移動すると、シリンダー内のガスが膨張および収縮します。このプロセス中に圧力が変化し、有用な仕事が得られます。有用な作品は、以下のプロセスを通じてのみ生み出されます。一定の温度つまり、カルノーサイクルのように、ヒーターとクーラーの間の温度差に依存します。

構成

エンジニアはスターリングエンジンを 3 つの異なるタイプに分類します。

プレビュー - クリックして拡大します。

別々のシリンダーに 2 つの別々のパワーピストンが含まれています。一方のピストンは熱く、もう一方のピストンは冷たいです。高温のピストンシリンダーは高温の熱交換器内にあり、低温のピストンシリンダーは低温の熱交換器内にあります。出力対容積比は非常に高いですが、「熱い」ピストンの高温により特定の技術的問題が発生します。

ベータ・スターリング- シリンダーが 1 つあり、一方の端は熱く、もう一方の端は冷たくなっています。ピストン (動力が取り除かれる) と「ディスプレーサ」がシリンダー内で動き、高温のキャビティの容積を変化させます。ガスはシリンダーの低温部分から再生器を通って高温部分にポンプで送られます。再生器は熱交換器の一部として外部に設置することも、ディスプレーサピストンと組み合わせることもできます。

ピストンと「ディスプレーサ」がありますが、同時に 2 つのシリンダーがあります - 1 つは冷たく (ピストンが動き、そこから動力が取り除かれます)、もう 1 つは一方の端が熱く、もう一方の端が冷たくなっています ( 「ディスプレーサ」が動く場所）。再生器は外部に設置することもでき、その場合、2 番目のシリンダーの高温部分を低温部分に接続し、同時に最初の (低温) シリンダーにも接続します。内部再生器はディスプレーサの一部です。