Tātad, kādas ir problēmas, veidojot Stirlinga dzinēju ar augstu efektivitāti? Stirlinga dzinējs (1 gif).

Mazāk nekā pirms simts gadiem dzinēji iekšējā degšana centās izcīnīt sev pienākošos vietu sacensībās starp citām pieejamajām mašīnām un kustīgajiem mehānismiem. Tomēr tajos laikos benzīna dzinēja pārākums nebija tik acīmredzams. Esošās mašīnas uz tvaika dzinējiem tie izcēlās ar klusumu, tā laika lieliskām jaudas īpašībām, vieglu apkopi un spēju lietot dažādi veidi degviela. Turpmākajā cīņā par tirgu iekšdedzes dzinēji savas efektivitātes, uzticamības un vienkāršības dēļ guva virsroku.

Turpmākās sacensības agregātu un piedziņas mehānismu uzlabošanai, kas tika uzsāktas 20. gadsimta vidū gāzes turbīnas un rotācijas dzinēju tipi noveda pie tā, ka, neskatoties uz benzīna dzinēja pārākumu, tika mēģināts "spēles laukā" ieviest pilnīgi jauna veida dzinēju - termisko, ko pirmo reizi 1861. gadā izgudroja skotu priesteris vārdā. Roberts Stērlings. Dzinējs saņēma tā radītāja vārdu.

Stirlinga dzinējs: problēmas fiziskā puse

Lai saprastu, kā tas darbojas galda spēkstacija Stirlingā, ir jāsaprot Galvenā informācija par siltummašīnu darbības principiem. Fiziski darbības princips ir izmantot mehānisko enerģiju, kas tiek iegūta, gāzei karsējot izplešas un tai sekojošai saspiešanai atdzesējot. Lai demonstrētu darbības principu, varam sniegt piemēru, kas balstīts uz parastu plastmasas pudeli un divām pannām, no kurām vienā ir auksts ūdens, otrā karsta.

Nolaižot pudeli aukstā ūdenī, kura temperatūra ir tuva temperatūrai, kurā veidojas ledus un gaiss plastmasas traukā ir pietiekami atdzisis, tā jāaizver ar aizbāzni. Turklāt, kad pudeli ievieto verdošā ūdenī, pēc kāda laika korķis “izšauj” ar spēku, jo šajā gadījumā Darbs, ko veica uzkarsēts gaiss, bija daudzkārt lielāks nekā dzesēšanas laikā. Ja eksperimentu atkārto vairākas reizes, rezultāts nemainās.

Pirmās mašīnas, kas tika uzbūvētas, izmantojot Stirlinga dzinēju, precīzi atkārtoja eksperimentā demonstrēto procesu. Protams, mehānismam bija nepieciešami uzlabojumi, kas sastāvēja no siltuma daļas, ko gāze zaudēja dzesēšanas procesā, turpmākai sildīšanai, ļaujot siltumu atgriezt gāzei, lai paātrinātu uzkaršanu.

Bet pat šī jauninājuma izmantošana nevarēja glābt situāciju, jo pirmie Stirlingi bija lieli un tiem bija zema jauda. Pēc tam vairāk nekā vienu reizi tika mēģināts modernizēt dizainu, lai sasniegtu 250 ZS jaudu. noveda pie tā, ka 4,2 metru diametra cilindra klātbūtnē faktiskā saražotā izejas jauda 183 kW Stirlinga spēkstacija faktiski bija tikai 73 kW.

Visi Stirlinga dzinēji darbojas pēc Stirlinga cikla principa, kas ietver četras galvenās fāzes un divas starpfāzes. Galvenie no tiem ir apkure, paplašināšana, dzesēšana un saspiešana. Pārejas posms tiek uzskatīts par pāreju uz aukstuma ģeneratoru un pāreju uz sildelementu. Noderīgais dzinēja darbs ir balstīts tikai uz temperatūras starpību starp sildīšanas un dzesēšanas daļām.

Mūsdienu Stirlinga konfigurācijas

Mūsdienu inženierija izšķir trīs galvenos šādu dzinēju veidus:

• alfa stirlings, kura atšķirība ir divi aktīvi virzuļi, kas atrodas neatkarīgos cilindros. No visiem trim variantiem šis modelis atšķiras visvairāk liela jauda, kam ir visaugstākā sildīšanas virzuļa temperatūra;
• beta stirling, pamatojoties uz vienu cilindru, kura viena daļa ir karsta, bet otra auksta;
• Gamma Stirling, kuram papildus virzulim ir arī nobīdītājs.

Stirlingas spēkstacijas ražošana būs atkarīga no dzinēja modeļa izvēles, kurā tiks ņemti vērā visi pozitīvie un negatīvās puses līdzīgs projekts.

Priekšrocības un trūkumi

Pateicoties jūsu dizaina iezīmesŠiem dzinējiem ir vairākas priekšrocības, taču tie nav bez trūkumiem.

Galddatora Stirling spēkstacija, kas nav iespējama veikalā, bet tikai starp hobijiem, kuri patstāvīgi montē šādas ierīces, ietver:

• lieli izmēri, ko izraisa nepieciešamība pēc pastāvīgas darba virzuļa dzesēšanas;
• augsta spiediena izmantošana, kas nepieciešama, lai uzlabotu dzinēja veiktspēju un jaudu;
• siltuma zudumi, kas rodas sakarā ar to, ka radītais siltums netiek nodots darba šķidrums, bet caur siltummaiņu sistēmu, kuras apkure noved pie efektivitātes zuduma;
• straujš kritums jauda prasa īpašus principus, kas atšķiras no tradicionālajiem benzīna dzinējiem.

Līdzās trūkumiem spēkstacijām, kas darbojas ar Stirlinga blokiem, ir nenoliedzamas priekšrocības:

• jebkura veida degviela, jo tāpat kā jebkurš dzinējs, kas izmanto siltumenerģiju, šis dzinējs spēj darboties dažādās temperatūrās jebkurā vidē;
• efektivitāti. Šīs ierīces var lieliski aizstāt tvaika agregātus gadījumos, kad nepieciešams apstrādāt saules enerģiju, nodrošinot par 30% lielāku efektivitāti;
• vides drošība. Tā kā galda kW elektrostacija nerada izplūdes griezes momentu, tā nerada troksni un neizdala kaitīgas vielas atmosfērā. Enerģijas avots ir parasts siltums, un degviela gandrīz pilnībā izdeg;
• struktūras vienkāršība. Stirlingam savam darbam nebūs vajadzīgas papildu detaļas vai ierīces. Tas spēj iedarbināt patstāvīgi, neizmantojot starteri;
• palielināts veiktspējas resurss. Vienkāršības dēļ dzinējs var nodrošināt simtiem stundu nepārtrauktu darbību.

Stirlinga dzinēju pielietojuma jomas

Stirlinga motors visbiežāk tiek izmantots situācijās, kad nepieciešama vienkārša siltumenerģijas pārveidošanas ierīce, savukārt citu veidu termoagregātu efektivitāte līdzīgos apstākļos ir ievērojami zemāka. Ļoti bieži šādas vienības tiek izmantotas, lai darbinātu sūknēšanas iekārtas, ledusskapjus, zemūdenes un enerģijas uzglabāšanas akumulatorus.

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

Viena no perspektīvām Stirlinga dzinēju izmantošanas jomām ir saules elektrostacijas, jo šo iekārtu var veiksmīgi izmantot saules staru enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā. Lai veiktu šo procesu, dzinējs tiek novietots spoguļa fokusa punktā, kas akumulē saules starus, kas nodrošina pastāvīgu apgaismojumu apkurei. Tas ļauj fokusēt saules enerģiju nelielā platībā. Motora degviela šajā gadījumā ir hēlijs vai ūdeņradis.

Mūsdienu automobiļu rūpniecība ir sasniegusi tādu attīstības līmeni, kurā bez fundamentālas zinātniskie pētījumi Ir gandrīz neiespējami panākt fundamentālus uzlabojumus tradicionālo iekšdedzes dzinēju konstrukcijā. Šī situācija liek dizaineriem pievērst uzmanību alternatīvie spēkstaciju projekti. Daži inženiertehniskie centri ir koncentrējuši savus centienus uz hibrīdu un hibrīdu sērijveida ražošanu un pielāgošanos tai elektriskie modeļi, citi autoražotāji investē dzinēju izstrādē, izmantojot degvielu no atjaunojamiem avotiem (piemēram, biodīzeļdegvielu izmantojot rapšu eļļu). Ir arī citi energobloku projekti, kas nākotnē varētu kļūt par jaunu standarta piedziņas sistēmu Transportlīdzeklis.

Starp iespējamajiem mehāniskās enerģijas avotiem nākotnes automašīnām jāmin dzinējs. ārējā degšana, ko 19. gadsimta vidū izgudroja skots Roberts Stērlings kā termiskās izplešanās mašīnu.

Darba shēma

Stirlinga dzinējs no ārpuses piegādāto siltumenerģiju pārvērš noderīgā mehāniskais darbs līdz darba šķidruma temperatūras izmaiņas(gāze vai šķidrums), kas cirkulē slēgtā tilpumā.

IN vispārējs skats Ierīces darbības shēma ir šāda: dzinēja apakšējā daļā darba viela (piemēram, gaiss) uzsilst un, palielinoties tilpumam, virza virzuli uz augšu. Karstais gaiss iekļūst dzinēja augšējā daļā, kur to dzesē radiators. Darba šķidruma spiediens samazinās, virzulis tiek nolaists nākamajam ciklam. Šajā gadījumā sistēma tiek noslēgta, un darba viela netiek patērēta, bet tikai pārvietojas cilindra iekšpusē.

Spēka blokiem, izmantojot Stirlinga principu, ir vairākas dizaina iespējas.

Stirlinga modifikācija "Alfa"

Dzinējs sastāv no diviem atsevišķiem jaudas virzuļiem (karstā un aukstā), no kuriem katrs atrodas savā cilindrā. Siltums tiek piegādāts cilindram ar karsto virzuli, un aukstais cilindrs atrodas dzesēšanas siltummainī.

Stirlinga modifikācija "Beta"

Cilindrs, kurā atrodas virzulis, tiek uzkarsēts vienā galā un atdzesēts pretējā galā. Cilindrā pārvietojas jaudas virzulis un bīdītājs, kas paredzēts darba gāzes tilpuma maiņai. Reģenerators veic atdzesētās darba vielas atgriešanās kustību motora karstajā dobumā.

Stirlinga modifikācija "Gamma"

Dizains sastāv no diviem cilindriem. Pirmais ir pilnīgi auksts, kurā kustas jaudas virzulis, bet otrais, karsts no vienas puses un auksts no otras, kalpo pārvietotāja pārvietošanai. Reģenerators aukstās gāzes cirkulācijai var būt kopīgs abiem baloniem vai būt daļa no pārvietošanas ierīces.

Stirlinga dzinēja priekšrocības

Tāpat kā lielākajai daļai ārējās iekšdedzes dzinēju, Stirlingam ir raksturīga iezīme vairāku degvielu: dzinējs darbojas temperatūras izmaiņu dēļ neatkarīgi no iemesliem, kas to izraisīja.

Interesants fakts! Reiz tika demonstrēta iekārta, kas darbojās ar divdesmit degvielas iespējām. Neapturot dzinēju, benzīns tika piegādāts ārējai sadegšanas kamerai, dīzeļdegviela, metāns, jēlnafta un augu eļļa - spēka agregāts turpināja darboties stabili.

Dzinējam ir dizaina vienkāršība un neprasa papildu sistēmas Un pielikumus(laiks, starteris, ātrumkārba).

Ierīces īpašības garantē ilgu kalpošanas laiku: vairāk nekā simts tūkstoši stundu nepārtraukta darbība.

Stirlinga dzinējs ir kluss, jo cilindros nenotiek detonācija un nav nepieciešams noņemt izplūdes gāzes. “Beta” modifikācija, kas aprīkota ar rombveida kloķa mehānismu, ir ideāli līdzsvarota sistēma, kurai darbības laikā nav vibrāciju.

Dzinēja cilindros nenotiek procesi, kas varētu negatīvi ietekmēt vidi. Izvēloties piemērotu siltuma avotu (piemēram, saules enerģiju), Stirlings var būt absolūti videi draudzīgs spēka agregāts.

Stirlinga dizaina trūkumi

Ar visu komplektāciju pozitīvas īpašības Stirlinga dzinēju tūlītēja masveida izmantošana nav iespējama šādus iemeslus:

Galvenā problēma ir konstrukcijas materiālu patēriņš. Darba šķidruma dzesēšanai ir nepieciešami liela apjoma radiatori, kas ievērojami palielina iekārtas izmērus un metāla patēriņu.

Pašreizējais tehnoloģiskais līmenis ļaus Stirlinga dzinēju pēc īpašībām salīdzināt ar modernajiem benzīna dzinēji tikai izmantojot sarežģītus darba šķidrumu veidus (hēliju vai ūdeņradi) zem spiediena, kas pārsniedz simts atmosfēru. Šis fakts rada nopietnus jautājumus gan materiālzinātnes jomā, gan lietotāju drošības nodrošināšanā.

Svarīga ekspluatācijas problēma ir saistīta ar metālu siltumvadītspējas un temperatūras noturības jautājumiem. Siltums tiek piegādāts darba tilpumam caur siltummaiņiem, kas rada neizbēgamus zudumus. Turklāt siltummainim jābūt izgatavotam no karstumizturīgiem metāliem, kas spēj izturēt augstu spiedienu. Piemēroti materiāliļoti dārgi un grūti apstrādājami.

Arī Stirlinga dzinēja režīmu maiņas principi kardināli atšķiras no tradicionālajiem, kas prasa īpašu vadības ierīču izstrādi. Tādējādi, lai mainītu jaudu, ir jāmaina spiediens cilindros, fāzes leņķis starp bīdītāju un jaudas virzuli vai jāietekmē dobuma kapacitāte ar darba šķidrumu.

Viens veids, kā kontrolēt vārpstas ātrumu Stirlinga dzinēja modelī, ir redzams nākamais video:

Efektivitāte

Teorētiskajos aprēķinos Stirlinga dzinēja efektivitāte ir atkarīga no darba šķidruma temperatūras starpības un var sasniegt 70% vai vairāk saskaņā ar Carnot ciklu.

Tomēr pirmie paraugi, kas realizēti metālā, bija ārkārtīgi slikti augsta efektivitātešādu iemeslu dēļ:

• neefektīvas dzesēšanas šķidruma (darba šķidruma) iespējas, kas ierobežo maksimālo apkures temperatūru;
• enerģijas zudumi detaļu berzes un dzinēja korpusa siltumvadītspējas dēļ;
• pret augstu spiedienu izturīgu būvmateriālu trūkums.

Inženiertehniskie risinājumi pastāvīgi uzlaboja ierīci spēka agregāts. Tā 20. gadsimta otrajā pusē četrcilindru auto Stirlinga dzinējs ar rombveida piedziņu testos uzrādīja 35% efektivitāti uz ūdens dzesēšanas šķidruma ar temperatūru 55 ° C. Rūpīga dizaina izstrāde, jaunu materiālu izmantošana un darba vienību precizēšana nodrošināja eksperimentālo paraugu efektivitāti 39%.

Piezīme! Mūsdienīgs benzīna dzinēji līdzīgas jaudas ir koeficients noderīga darbība 28-30% apmērā, bet dīzeļdzinējiem ar turbokompresoru 32-35% robežās.

Mūsdienīgi Stirlinga dzinēja piemēri, piemēram, amerikāņu kompānijas Mechanical Technology Inc radītais, demonstrē efektivitāti līdz 43,5%. Un, attīstoties karstumizturīgas keramikas un līdzīgu inovatīvu materiālu ražošanai, būs iespējams būtiski paaugstināt darba vides temperatūru un sasniegt 60% efektivitāti.

Automobiļu Stirlinga veiksmīgas ieviešanas piemēri

Neskatoties uz visām grūtībām, ir zināmi daudzi efektīvi Stirlinga dzinēju modeļi, kas ir piemēroti automobiļu rūpniecībai.

Interese par Stirlingu, kas piemērota uzstādīšanai automašīnā, parādījās 20. gadsimta 50. gados. Darbu šajā virzienā veica tādi koncerni kā Ford Motoru kompānija, Volkswagen grupa un citi.

Uzņēmums UNITED STIRLING (Zviedrija) izstrādāja Stirling, kas maksimāli izmantoja autoražotāju ražotos sērijveida komponentus un mezglus ( kloķvārpsta, klaņi). Iegūtā četrcilindru V veida dzinēja īpatnējais svars bija 2,4 kg/kW, kas ir salīdzināms ar kompakta dīzeļdzinēja īpašībām. Šī iekārta ir veiksmīgi pārbaudīta kā elektrostacija septiņu tonnu kravas furgons.

Viens no veiksmīgajiem paraugiem ir Nīderlandē ražotais četrcilindru Stirlinga dzinējs, modelis “Philips 4-125DA”, kas paredzēts uzstādīšanai uz mašīna. Motora darba jauda bija 173 ZS. Ar. izmēros, kas līdzīgi klasiskajam benzīna agregātam.

Inženieri ir sasnieguši ievērojamus rezultātus Ģenerālis Motori, 70. gados uzbūvējuši astoņu cilindru (4 darba un 4 kompresijas cilindri) V veida dzinējs Stirlings ar standarta kloķa mehānismu.

Līdzīga elektrostacija 1972.g aprīkots ierobežota tirāža Ford automašīnas Torino, kura degvielas patēriņš ir samazinājies par 25%, salīdzinot ar klasisko benzīnu V-veida astoņnieks.

Šobrīd vairāk nekā piecdesmit ārvalstu uzņēmumi strādā pie Stirlinga dzinēja dizaina uzlabošanas, lai to pielāgotu masveida ražošanai automobiļu rūpniecības vajadzībām. Un, ja mēs varam novērst trūkumus šāda veida dzinējiem, vienlaikus saglabājot savas priekšrocības, tad benzīna iekšdedzes dzinējus aizstās Stērlings, nevis turbīnas un elektromotori.

Stirlinga cikls tiek uzskatīts par neatņemamu Stirlinga dzinēja sastāvdaļu. Tajā pašā laikā detalizēts daudzu līdz šim izveidoto dizainu darbības principu pētījums liecina, ka ievērojamai daļai no tiem ir atšķirīgs darba cikls no Stirlinga cikla. Piemēram, alfa stirlingam ar dažāda diametra virzuļiem cikls ir vairāk līdzīgs Ericsson ciklam. Beta un gamma konfigurācijas, kurām ir diezgan liels stieņa diametrs pie pārvietošanas virzuļa, arī ieņem starpstāvokli starp Stirlinga un Ericsson cikliem.

Kad nobīdītājs pārvietojas beta konfigurācijā, darba šķidruma stāvoklis mainās nevis pa izohoru, bet gan pa slīpu līniju, kas atrodas starp izohoru un izobaru. Pie noteiktas stieņa diametra attiecības pret kopējo nobīdītāja diametru var iegūt izobaru (šī attiecība ir atkarīga no darba temperatūras). Šajā gadījumā virzulis, kas iepriekš bija strādnieks, spēlē tikai palīgfunkciju, un pārvietošanas stienis kļūst par īsto strādnieku. Šāda dzinēja īpatnējā jauda izrādās aptuveni 2 reizes lielāka nekā parastajiem Stirlinga dzinējiem, un berzes zudumi ir mazāki, jo spiediens uz virzuli ir vienmērīgāks. Attēls ir līdzīgs Alpha Stirlings ar dažādu virzuļu diametru. Dzinējam ar starpposma diagrammu var būt vienmērīgi sadalīta slodze starp virzuļiem, tas ir, starp darba virzuli un pārvietošanas stieni.

Svarīga priekšrocība dzinēja darbība saskaņā ar Ericsson ciklu vai tuvu tam ir tāda, ka izohors tiek aizstāts ar izobaru vai tam tuvu procesu. Kad darba šķidrums izplešas gar izobāru, nenotiek nekādas spiediena izmaiņas vai siltuma apmaiņa, izņemot siltuma pārnesi no rekuperatora uz darba šķidrumu. Un šī apkure uzreiz veic noderīgu darbu Izobāriskās kompresijas laikā siltums tiek nodots rekuperatoram.
Stirlinga ciklā, sildot vai atdzesējot darba šķidrumu pa izohoru, rodas siltuma zudumi izotermisku procesu dēļ sildītājā un dzesētājā.

Konfigurācija

Inženieri Stirlinga dzinējus sadala trīs daļās dažādi veidi:

• Alfa Stērlinga- satur divus atsevišķus jaudas virzuļus atsevišķos cilindros. Viens virzulis ir karsts, otrs ir auksts. Karstais virzuļa cilindrs atrodas augstākas temperatūras siltummainī, bet aukstais virzuļa cilindrs atrodas vēsākā siltummainī. Šim dzinēja tipam ir diezgan augsta jaudas un tilpuma attiecība, taču diemžēl “karstā” virzuļa augstā temperatūra rada zināmas tehniskas problēmas.

Reģenerators atrodas starp savienojošās caurules karsto daļu un auksto daļu.

• Beta Stērlinga- ir tikai viens cilindrs, vienā galā karsts, bet otrā auksts. Virzulis (no kura tiek noņemta jauda) un "pārvietotājs" pārvietojas cilindra iekšpusē, mainot karstā dobuma tilpumu. Gāze tiek sūknēta no balona aukstās daļas uz karsto daļu caur reģeneratoru. Reģenerators var būt ārējs, kā siltummaiņa daļa vai kombinēts ar pārvietošanas virzuli.

• Gamma-Stērlings- ir arī virzulis un “izspiestājs”, bet tajā pašā laikā ir divi cilindri - viens ir auksts (virzulis virzās tur, no kura tiek noņemta jauda), bet otrs ir karsts vienā galā un auksts otrs ("pārvietotājs" pārvietojas tur). Reģenerators var būt ārējs, tādā gadījumā tas savienojas karstā daļa otro cilindru ar aukstu un vienlaikus ar pirmo (auksto) cilindru. Iekšējais reģenerators ir daļa no izspiestāja.

Ir arī Stirlinga dzinēja šķirnes, kas neietilpst iepriekš minētajos trīs klasiskajos veidos:

• Rotējošais Stirlinga dzinējs- problēmas ar hermētiskumu ir atrisinātas (Muhina patents slēgtai rotācijas ievadei (GVV), sudraba medaļa starptautiskā izstāde Briselē "Eureka-96") un apjomīgums (nav kloķa mehānisma, jo motors ir rotējošs).

Trūkumi

• Materiāla intensitāte- galvenais dzinēja trūkums. Ārdedzes dzinējiem kopumā un jo īpaši Stirlinga dzinējam darba šķidrums ir jāatdzesē, un tas izraisa ievērojamu spēkstacijas svara un izmēru palielināšanos palielināto radiatoru dēļ.

• Lai iegūtu raksturlielumus, kas salīdzināmi ar iekšdedzes dzinēja īpašībām, ir jāizmanto augsts spiediens (virs 100 atm) un īpaši darba šķidruma veidi- ūdeņradis, hēlijs.

• Siltums netiek tieši piegādāts darba šķidrumam, bet tikai caur siltummaiņu sienām. Sienām ir ierobežota siltumvadītspēja, kas rada zemāku efektivitāti, nekā varētu gaidīt. Karstais siltummainis darbojas ļoti intensīvos siltuma pārneses apstākļos un ļoti augstā spiedienā, kas prasa kvalitatīvu un dārgu materiālu izmantošanu. Ir ļoti grūti izveidot siltummaini, kas atbilst pretrunīgām prasībām. Jo augstāks ir siltuma apmaiņas laukums, jo mazāki siltuma zudumi. Tajā pašā laikā palielinās siltummaiņa izmērs un darbā neiesaistītā darba šķidruma tilpums. Tā kā siltuma avots atrodas ārpusē, dzinējs lēni reaģē uz izmaiņām siltuma plūsmā uz cilindru un, iedarbinot, var nekavējoties neradīt nepieciešamo jaudu.

• Lai ātri mainītu dzinēja jaudu, tiek izmantotas metodes, kas atšķiras no iekšdedzes dzinējiem izmantotajām metodēm: mainīga tilpuma bufera tvertne, darba šķidruma vidējā spiediena izmaiņas kamerās, fāzes leņķa maiņa starp darba virzuli un pārvietotāju. Pēdējā gadījumā dzinēja reakcija uz vadītāja vadības darbību ir gandrīz acumirklīga.

Priekšrocības

Tomēr Stirlinga dzinējam ir priekšrocības, kuru dēļ tas ir jāattīsta.

• "Visēdājs" dzinējs- tāpat kā visi ārējās iekšdedzes dzinēji (vai drīzāk ārējā siltuma padeve), Stirlinga dzinējs var darboties gandrīz no jebkuras temperatūras starpības: piemēram, starp dažādiem ūdens slāņiem okeānā, no saules, no kodolenerģijas vai izotopu sildītāja, ogļu vai malkas krāsns utt.
• Dizaina vienkāršība- dzinēja konstrukcija ir ļoti vienkārša, tam nav nepieciešamas papildu sistēmas, piemēram, gāzes sadales mehānisms. Tas sākas pats, un tam nav nepieciešams starteris. Tās īpašības ļauj atbrīvoties no pārnesumkārbas. Tomēr, kā minēts iepriekš, tam ir lielāks materiālu patēriņš.
• Palielināts resurss- dizaina vienkāršība, daudzu “delikātu” vienību neesamība ļauj Stirlingam nodrošināt resursus desmitiem un simtiem tūkstošu stundu nepārtrauktas darbības, kas nav precedenta citiem dzinējiem.
• Ekonomisks- Saules enerģijas pārvēršanas elektroenerģijā gadījumā stirlinga dzinēji dažkārt nodrošina lielāku efektivitāti (līdz 31,25%) nekā tvaika siltuma dzinēji.
• Dzinēja klusums- Stirlingam nav izplūdes, kas nozīmē, ka tas nerada troksni. Beta Stirling ar rombveida mehānismu ir ideāli līdzsvarota ierīce un ar pietiekamu augstas kvalitātes ražošanā, pat nav vibrāciju (vibrācijas amplitūda ir mazāka par 0,0038 mm).
• Videi draudzīgums- Stirlingam pašam nav nekādu daļu vai procesu, kas varētu veicināt piesārņojumu vidi. Tas nepatērē darba šķidrumu. Dzinēja videi draudzīgums galvenokārt ir saistīts ar siltuma avota videi draudzīgumu. Ir arī vērts atzīmēt, ka pilnīgas degvielas sadegšanas nodrošināšana ārdedzes dzinējā ir vieglāka nekā iekšdedzes dzinējā.

Pieteikums

Stirlinga dzinējs ar lineāro ģeneratoru

Stirlinga dzinējs ir pielietojams gadījumos, kad nepieciešams kompakts, vienkāršas konstrukcijas siltumenerģijas pārveidotājs vai ja citu siltumdzinēju efektivitāte ir zemāka: piemēram, ja temperatūras starpība nav pietiekama, lai darbinātu tvaika vai gāzes turbīnu.

Termoakustika ir fizikas nozare par siltuma un akustiskās enerģijas savstarpēju transformāciju. Tā veidojās termodinamikas un akustikas krustpunktā. Līdz ar to nosaukums. Šī zinātne ir ļoti jauna. Tā radās kā neatkarīga disciplīna pagājušā gadsimta 70. gadu beigās, kad šveicietis Nikalaus Rots pabeidza darbu pie lineārās termoakustikas matemātiskajiem pamatiem. Un tomēr tas nav radies no nekurienes. Pirms tās parādīšanās tika atklāti interesanti efekti, kas mums vienkārši jāņem vērā.

KUR TAS SĀKĀS
Termoakustikai ir sena vēsture, kas aizsākās vairāk nekā pirms diviem gadsimtiem.

Pirmos oficiālos ierakstus par siltuma radītajām vibrācijām veica Higinss 1777. gadā. Viņš eksperimentēja ar atvērtu stikla cauruli, kurā akustiskās vibrācijas ierosināja noteiktā veidā novietots ūdeņraža deglis. Šī pieredze iegāja vēsturē kā "dziedošā Higinsa liesma".

1. attēls. Higinsa dziedošā liesma

Tomēr mūsdienu fiziķi ir labāk pazīstami ar citu eksperimentu, ko sauc par "Rijke cauruli". Savu eksperimentu procesā Rijke radīja jaunu mūzikas instruments no ērģeļu caurules. Viņš aizstāja Higinsa ūdeņraža liesmu ar apsildāmu stiepļu ekrānu un eksperimentāli parādīja, ka visspēcīgākā skaņa rodas, ja ekrāns atrodas ceturtdaļā no caurules no tā apakšējā gala. Svārstības apstājās, ja jūs pārklājāt augšējais gals caurules. Tas pierādīja, ka, lai radītu skaņu, ir nepieciešama gareniskā konvektīvā vilce. Higinsa un Rijkes darbs vēlāk kalpoja par pamatu degšanas zinātnes dzimšanai, kas mūsdienās tiek izmantota visur, kur šī parādība tiek izmantota no plkst.

2. attēls. Rijke caurule.

pulverbumbu sadedzināšana raķešu dzinējos. Tūkstošiem disertāciju visā pasaulē ir veltītas parādībām, kas notiek Rijke caurulē, taču interese par šo ierīci nav mazinājusies līdz pat šai dienai.

1850. gadā Sondhauss pievērsa uzmanību dīvainai parādībai, ko savā darbā novēroja stikla pūtēji. Kad karstā stikla sfēriskais izliekums iespiež gaisu stikla pūtēja caurules aukstajā galā, tiek radīta skaidra skaņa. Analizējot šo parādību, Sondhauss atklāja, ka skaņa radās, karsējot sfērisku izliekumu caurules galā. Šajā gadījumā skaņa mainās līdz ar caurules garumu. Atšķirībā no Rijke caurules, Sondhauss caurule nebija atkarīga no konvekcijas vilkmes.

3. attēls. Sondhauss caurule.

Līdzīgu eksperimentu vēlāk veica Taconis. Atšķirībā no Sondhauss viņš nesildīja caurules galu, bet atdzesēja ar kriogēno šķidrumu. Tas pierādīja, ka skaņas radīšanai nav svarīga apkure, bet gan temperatūras starpība.
Pirmo kvalitatīvo analīzi par siltuma izraisītajām svārstībām 1887. gadā sniedza lords Reils. Reileja skaidrojums par iepriekšminētajām parādībām termoakustikā tagad ir pazīstams kā Reilija princips. Tas izklausās apmēram šādi: “Ja siltums tiek nodots gāzei lielākās saspiešanas brīdī vai siltums tiek noņemts lielākā vakuuma brīdī, tas stimulē svārstības. "Neskatoties uz vienkāršību, šis formulējums pilnībā apraksta tiešo termoakustisko efektu, tas ir, siltumenerģijas pārvēršanu skaņas enerģijā.

Vortex efekts

Vortex efekts(Ranka-Hilša efekts, angļu. Ranque-Hilsch efekts) - gāzes vai šķidruma atdalīšanas efekts, virpuļojot cilindriskā vai koniskā kamerā divās frakcijās. Perifērijā veidojas virpuļojoša plūsma ar augstāku temperatūru, un centrā veidojas virpuļojoša atdzesēta plūsma, un rotācija centrā notiek pretējā virzienā nekā perifērijā. Šo efektu pirmo reizi atklāja franču inženieris Džozefs Ranks 20. gadu beigās, mērot temperatūru rūpnieciskā ciklonā. 1931. gada beigās J. Ranke iesniedza pieteikumu izgudrotajai iekārtai, ko viņš nosauca par “Vortex cauruli” (literatūrā tā dēvēta par Rankes cauruli). Patentu bija iespējams iegūt tikai 1934. gadā Amerikā (ASV patents Nr. 1952281). Šobrīd ir ieviestas vairākas ierīces, kas izmanto virpuļa efektu, vortex ierīces. Tās ir “virpuļkameras” vielu ķīmiskai atdalīšanai centrbēdzes spēku ietekmē un “virpuļcaurules”, ko izmanto kā aukstuma avotu.

Kopš 1960. gadiem virpuļu kustība ir bijusi daudzu zinātnisku pētījumu tēma. Regulāri tiek rīkotas specializētas konferences par virpuļa efektu, piemēram, Samara Aerospace University.

Vortex siltuma ģeneratori un mikrokondicionieri pastāv un tiek izmantoti.

Šajā pasaulē ir lietas, kas ir ģeniālas, nesaprotamas un pilnīgi nereālas. Tik nereāli, ka šķiet, ka tie ir artefakti no kāda paralēla Visuma. Starp šādiem artefaktiem kopā ar Stirlinga dzinēju, vakuuma radiolampu un Malēviča melno kvadrātu, t.s. "Teslas turbīna".
Vispārīgi runājot atšķirīgā iezīme no visām tādām lietām - absolūta vienkāršība. Nevis vienkāršošana, bet vienkāršība. Tas ir, tāpat kā Mikelandželo darbos - visa liekā, nav nekādu tehnisku vai semantisku “atbalstu”, tīra apziņa iemiesota “dzelzs” vai izšļakstīta uz audekla. Un ar visu šo, absolūta necirkulācija. Melnais kvadrāts ir sava veida mākslas “ort”. Nevar būt otra tāda, ko rakstījis cits mākslinieks.

Tas viss pilnībā attiecas uz Tesla turbīnu. Strukturāli tas sastāv no vairākiem (10-15) plāniem diskiem, kas uzstādīti uz turbīnas ass nelielā attālumā viens no otra un ievietoti korpusā, kas atgādina policijas svilpi.

Nav vērts paskaidrot, ka diska rotors ir tehnoloģiski daudz progresīvāks un uzticamāks pat par "Laval riteni", es nerunāju par rotoriem parastās turbīnas. Šī ir pirmā sistēmas priekšrocība. Otrais ir tas, ka atšķirībā no citiem turbīnu veidiem, kur ir jāveic īpaši pasākumi, lai laminētu darba šķidruma plūsmu. Tesla turbīnā darba šķidrums (kas var būt gaiss, tvaiks vai pat šķidrums) plūst stingri lamināri. Tāpēc zaudējumi gāzes dinamiskās berzes dēļ tajā tiek samazināti līdz nullei: turbīnas efektivitāte ir 95%.

Tiesa, jāpatur prātā, ka turbīnas efektivitāte un termodinamiskā cikla efektivitāte ir nedaudz atšķirīgas lietas. Turbīnas efektivitāti var raksturot kā enerģijas, kas pārveidota mehāniskajā enerģijā uz turbīnas rotora vārpstas, attiecību pret darba cikla enerģiju (tas ir, starpību starp darba šķidruma sākotnējo un beigu enerģiju). Tātad efektivitāte mūsdienu tvaika turbīnas ir arī ļoti augsts - 95-98%, tomēr termodinamiskā cikla efektivitāte vairāku ierobežojumu dēļ nepārsniedz 40-50%.

Turbīnas darbības princips ir balstīts uz to, ka darba šķidrums (piemēram, gāze), griežoties korpusā, berzes dēļ “velk” sev līdzi rotoru. Tajā pašā laikā, atdodot daļu enerģijas rotoram, gāze palēninās, un, pateicoties Koriolisa spēkam, kas rodas, mijiedarbojoties ar rotoru, tā kā tējas lapas “ripo” pret rotora asi, kur atrodas speciālie caurumi, caur kuriem tiek noņemts “izlietotais” darba šķidrums.
Tesla turbīna, tāpat kā Laval turbīna, pārveido darba šķidruma kinētisko enerģiju. Tas ir, potenciālās enerģijas pārveidošana (piemēram kompresēts gaiss vai pārkarsēts tvaiks) kinētikā jāveic pirms tā padeves turbīnas rotoram, izmantojot sprauslu. Tomēr Laval turbīna, kurai kopumā bija diezgan augsta efektivitāte, izrādījās ārkārtīgi neefektīva pie zemiem apgriezieniem, kas lika konstruēt pārnesumkārbas, kuru izmēri un masa daudzkārt pārsniedza pašas turbīnas izmērus un masu. Tesla turbīnas būtiskā atšķirība ir fakts, ka tā diezgan efektīvi darbojas plašā griešanās ātruma diapazonā, kas ļauj tās vārpstu savienot tieši ar ģeneratoru. Turklāt Tesla turbīnu ir viegli apgriezt atpakaļgaitā.

Interesanti, ka pats Nikola Tesla savu izgudrojumu pozicionēja kā ļoti efektīvas ģeotermālās enerģijas izmantošanas veidu, ko viņš uzskatīja par nākotnes enerģiju. Turklāt turbīnu bez jebkādām modifikācijām var pārvērst par ļoti efektīvu. Vakuuma sūknis- pietiek pagriezt tā vārpstu no citas turbīnas vai elektromotora.

Tesla turbīnas izgatavojamība ļauj tās versijas izgatavot no burtiski jebko: diska rotoru var izgatavot no veciem kompaktdiskiem vai “pankūkām” no bojāta datora cietā diska. Tajā pašā laikā šāda dzinēja jauda, ​​neskatoties uz “rotaļlietu” materiāliem un izmēriem, izrādās ļoti iespaidīga. Par izmēriem runājot: 110 ZS dzinējs. nebija lielāks par pašreizējā personālā datora sistēmas vienību.

Ierīces, kuru pamatā ir Ranque efekts

Jau no paša sākuma Ranque efekts piesaistīja izgudrotājus ar šķietamo tehniskās ieviešanas vienkāršību - patiesībā visvienkāršāko ieviešanu virpuļcaurule ir ļoti parastas caurules gabals, kurā sākotnējā plūsma tiek ievadīta tangenciāli no vienas puses, un pretējā galā ir uzstādīta gredzenveida diafragma, un atdzesētā plūsmas daļa iziet no iekšējā cauruma un karstā daļa. iznāk no spraugas starp diafragmas ārējo malu un caurules iekšējo virsmu. Tomēr patiesībā ne viss ir tik vienkārši - ne vienmēr ir iespējams panākt efektīvu atdalīšanu, un šādu iekārtu efektivitāte parasti ir manāmi zemāka par plaši izmantotajiem kompresoru siltumsūkņiem. Turklāt parasti Ranque efekta iekārtas parametrus aprēķina konkrētai jaudai, ko nosaka ieejas plūsmas ātrums un plūsmas ātrums, un, kad ieejas plūsmas parametri atšķiras no optimālajām vērtībām, virpuļcaurules efektivitāte pasliktinās. ievērojami. Neskatoties uz to, jāatzīmē, ka dažu uz Ranque efektu balstītu instalāciju iespējas iedveš cieņu - piemēram, vienā posmā sasniegtais dzesēšanas rekords ir vairāk nekā 200°C!

Taču, ņemot vērā mūsu klimatu, Ranque efekta izmantošana apkurei rada daudz lielāku interesi, un tajā pašā laikā gribētos arī neiziet ārpus “improvizēto līdzekļu” robežām.

Ranque efekta būtība

Kad gāzes vai šķidruma plūsma pārvietojas pa caurules vienmērīgi griežamo virsmu, pie tās ārējās sienas veidojas laukums augsts asinsspiediens un temperatūra, un iekšpusē (vai dobuma centrā, ja gāze tiek virpuļota pa cilindriska trauka virsmu) - zemas temperatūras un spiediena zona. Šo diezgan plaši pazīstamo parādību sauc Ranque efekts nosaukts franču inženiera Džozefa Rankē (G.J.Ranque, dažreiz rakstīts "Ranke") vārdā, kurš to atklāja 1931. gadā, vai Ranque-Hilsch efekts(Vācietis Roberts Hilšs turpināja pētīt šo efektu 40. gadu otrajā pusē un uzlaboja Ranque vortex caurules efektivitāti). Konstrukcijas, kurās izmantots Ranque efekts, ir siltumsūkņa veids, kura darbībai enerģija tiek ņemta no kompresora, kas rada darba šķidruma plūsmu pie caurules ieplūdes.

Ranque efekta paradokss ir tāds centrbēdzes spēki rotējošā plūsmā ir vērstas uz āru. Kā zināms, siltākiem gāzes vai šķidruma slāņiem ir mazāks blīvums, un tiem vajadzētu celties uz augšu, savukārt centrbēdzes spēku gadījumā vēsākiem slāņiem ir lielāks blīvums un attiecīgi jātiecas uz perifēriju. Tikmēr plkst liels ātrums Rotējošā plūsmā viss notiek tieši otrādi!

Ranque efekts izpaužas gan gāzes plūsmai, gan šķidruma plūsmai, kas, kā zināms, praktiski nav saspiežama un līdz ar to adiabātiskais kompresijas/izplešanās koeficients tai nav piemērojams. Tomēr šķidruma gadījumā Ranque efekts parasti ir daudz mazāk izteikts - iespējams, tieši šī iemesla dēļ, un ļoti īss daļiņu vidējais brīvais ceļš apgrūtina tā izpausmi. Bet tā ir taisnība, ja paliekam tradicionālās molekulārās kinētiskās teorijas ietvaros, un efektam var būt pavisam citi iemesli.

Manuprāt, uz Šis brīdis vispilnīgākais un uzticamākais Ranque efekta zinātniskais apraksts ir sniegts A. F. Gutsola rakstā (pdf formātā). Pārsteidzoši, ka viņa secinājumi par fenomena būtību sakrīt ar tiem, ko mēs ieguvām “uz pirkstiem”. Diemžēl viņš ignorē pirmo faktoru (gāzes adiabātiskā saspiešana pie ārējā rādiusa un izplešanās pie iekšējā), kas, manuprāt, ir ļoti nozīmīgs, lietojot saspiežamās gāzes, lai gan tas darbojas tikai ierīces iekšienē. Un A.F. Gutsols otro faktoru sauc par "ātro un lēno mikrotilpu atdalīšanu".

Stirlinga dzinējs– motors ar ārējo siltuma padevi. Ārējā siltuma padeve ir ļoti ērta, ja kā siltuma avotu nepieciešams izmantot nebioloģisko kurināmo. Piemēram, jūs varat izmantot saules enerģiju, ģeotermālo enerģiju, atkritumu siltumu no dažādiem uzņēmumiem.

Jauka Stirlinga cikla iezīme ir tā, ka tā efektivitāte ir vienāda ar Kārno cikla efektivitāti. Protams, īstiem Stirlinga dzinējiem ir zemāka efektivitāte un bieži vien daudz zemāka. Stirlinga dzinējs savu eksistenci sāka kā ierīce ar daudzām kustīgām daļām, piemēram, virzuļiem, klaņi, kloķvārpsta, gultņi. Turklāt griezās arī ģeneratora rotors (1. attēls).

1. attēls – Alfa tipa Stirlinga dzinējs

Apskatiet Alfa tipa Stirlinga dzinēju. Kad vārpsta griežas, virzuļi sāk destilēt gāzi no auksta uz karstu cilindru vai otrādi, no karstas uz aukstu. Bet tie ne tikai destilē, bet arī saspiež un izplešas. Termodinamiskais cikls ir pabeigts. Bildē var garīgi iedomāties, ka tad, kad vārpsta griežas tā, ka ass, uz kuras ir piestiprināti klaņi, ir augšpusē, tad tas būs gāzes lielākās saspiešanas brīdis, bet, kad apakšā, tad izplešanās. Tiesa, tas nav pilnīgi taisnība gāzes termiskās izplešanās un saspiešanas dēļ, taču aptuveni tas viss joprojām ir taisnība.

Dzinēja sirds ir tā sauktais kodols, kas sastāv no diviem siltummaiņiem - karstā un aukstā, un starp tiem atrodas reģenerators. Siltummaiņi parasti ir izgatavoti no plākšņu tipa, un reģenerators visbiežāk ir kaudze, kas izgatavota no metāla sieta. Ir skaidrs, kāpēc ir nepieciešami siltummaiņi - lai sildītu un atdzesētu gāzi, bet kāpēc mums ir vajadzīgs reģenerators? Un reģenerators ir īsts siltuma akumulators. Kad karstā gāze virzās uz auksto pusi, tā uzsilda reģeneratoru un reģenerators uzglabā siltumenerģiju. Gāzei pārejot no aukstās uz karsto pusi, reģeneratorā tiek uzkarsēta aukstā gāze un tādējādi tiek ietaupīts šis siltums, kas bez reģeneratora būtu neatgriezeniski zudis apkārtējās vides sildīšanai. Tātad, reģenerators ir ārkārtīgi nepieciešama lieta. Labs reģenerators palielina dzinēja efektivitāti aptuveni 3,6 reizes.

Hobistiem, kuri sapņo paši uzbūvēt šādu dzinēju, vēlos pastāstīt vairāk par siltummaiņiem. Vairums paštaisīti dzinēji Stirlinga dzinējiem, no tiem, ko esmu redzējis, vispār nav siltummaiņu (es runāju par alfa tipa dzinējiem). Siltummaiņi ir paši virzuļi un cilindri. Viens cilindrs uzsilst, otrs atdziest. Tajā pašā laikā siltuma apmaiņas virsmas laukums, kas saskaras ar gāzi, ir ļoti mazs. Tātad, ir iespējams ievērojami palielināt dzinēja jaudu, uzstādot siltummaiņus pie cilindru ieejas. Un pat 1. attēlā liesma ir vērsta tieši uz cilindru, kas rūpnīcas dzinējos nav pilnīgi taisnība.

Atgriezīsimies Stirlinga dzinēju attīstības vēsturē. Tātad, lai arī dzinējs daudzējādā ziņā ir labs, klātbūtne eļļas skrāpju gredzeni un gultņi samazināja dzinēja kalpošanas laiku, un inženieri cītīgi domāja, kā to uzlabot, un radās ideja.

1969. gadā Viljams Beils pētīja rezonanses efektus dzinēja darbībā un vēlāk spēja izgatavot dzinēju, kuram nebija nepieciešami klaņi vai kloķvārpsta. Virzuļu sinhronizācija radās rezonanses efektu dēļ. Šāda veida dzinējus sāka saukt par brīvā virzuļa dzinēju (2. attēls).

2. attēls – Stirlinga dzinējs ar brīvo virzuli

2. attēlā parādīts beta tipa brīvs virzuļdzinējs. Šeit gāze pārvietojas no karstā reģiona uz auksto un otrādi, pateicoties nobīdītājam (kas brīvi pārvietojas), un darba virzulis veic noderīgu darbu. Nobīdītājs un virzulis svārstās uz spirālveida atsperēm, ko var redzēt attēla labajā pusē. Grūtības ir tādas, ka to vibrācijām jābūt vienādās frekvencēs un ar fāzes starpību 90 grādi, un tas viss ir saistīts ar rezonanses efektiem. Tas ir diezgan grūti izdarāms.

Tādējādi tika samazināts detaļu skaits, bet vienlaikus tika pastiprinātas prasības aprēķinu un izgatavošanas precizitātei. Taču dzinēja uzticamība neapšaubāmi ir palielinājusies, it īpaši konstrukcijās, kur elastīgas membrānas tiek izmantotas kā izspiedējs un virzulis. Šajā gadījumā dzinējā vispār nav beržu detaļu. Ja vēlaties, elektrību no šāda dzinēja var noņemt, izmantojot lineāro ģeneratoru.

Bet inženieriem ar to nepietika, un viņi sāka meklēt veidus, kā atbrīvoties ne tikai no berzes detaļām, bet arī no kustīgām daļām kopumā. Un viņi atrada šādu ceļu.

20. gadsimta septiņdesmitajos gados Pīters Zeperli saprata, ka Stirlinga dzinēja spiediena un gāzes ātruma sinusoidālās svārstības, kā arī fakts, ka šīs svārstības ir fāzē, neticami atgādina spiediena un gāzes ātruma svārstības. ceļojošs skaņas vilnis (3. att.).

3. attēls. Spiediena un virzošā akustiskā viļņa ātruma grafiks kā laika funkcija. Parādīts, ka spiediena un ātruma svārstības ir fāzē.

Šī ideja Tseperli neienāca nejauši, jo pirms viņa termoakustikas jomā bija daudz pētījumu, piemēram, pats lords Reilijs šo parādību kvalitatīvi aprakstīja 1884. gadā.

Tādējādi viņš ierosināja pilnībā atteikties no virzuļiem un bīdītājiem un izmantot tikai akustisko viļņu, lai kontrolētu spiedienu un gāzes kustību. Tas rada dzinēju bez kustīgām daļām un teorētiski spēj sasniegt Stirlinga cikla un līdz ar to arī Kārno cikla efektivitāti. Realitātē vislabākais sniegums ir 40-50% no Carnot cikla efektivitātes (4. attēls).

4. attēls – termoakustiskā dzinēja diagramma ar ceļojošu vilni

Var redzēt, ka termoakustiskais ceļojošo viļņu dzinējs ir tieši tāds pats kodols, kas sastāv no siltummaiņiem un reģeneratora, bet virzuļu un klaņu vietā ir vienkārši cilpa caurule, ko sauc par rezonatoru. Kā darbojas šis dzinējs, ja tajā nav kustīgu daļu? Kā tas ir iespējams?

Vispirms atbildēsim uz jautājumu, no kurienes nāk skaņa? Un atbilde ir tāda, ka tas rodas pats par sevi, ja starp diviem siltummaiņiem ir pietiekama temperatūras starpība. Temperatūras gradients reģeneratorā ļauj pastiprināt skaņas vibrācijas, bet tikai ar noteiktu viļņa garumu, vienāds ar garumu rezonators. No paša sākuma process izskatās šādi: karstam siltummainim uzkarstot, parādās mikro čaukstošie trokšņi, iespējams, pat sprakšķēšana no termiskām deformācijām, tas ir neizbēgami. Šie šalkojošie trokšņi ir troksnis, kam ir plašs frekvenču diapazons. No visa šī bagātīgā skaņas frekvenču spektra dzinējs sāk pastiprināt šo skaņas vibrāciju, kuras viļņa garums ir vienāds ar caurules – rezonatora – garumu. Un neatkarīgi no tā, cik maza ir sākotnējā vibrācija, tā tiks pastiprināta līdz maksimālajai iespējamajai vērtībai. Maksimālais skaņas skaļums dzinēja iekšpusē rodas, ja skaņas pastiprināšanas jauda, ​​izmantojot siltummaiņus, ir vienāda ar zudumu jaudu, tas ir, skaņas vibrāciju vājināšanās jaudu. Un šī maksimālā vērtība dažreiz sasniedz milzīgas vērtības 160 dB. Tātad, kas ir iekšā līdzīgs dzinējs tiešām skaļi. Par laimi, skaņa nevar izkļūt ārā, jo rezonators ir noslēgts un tāpēc, stāvot blakus strādājošam dzinējam, tā ir tik tikko dzirdama.

Noteiktas skaņas frekvences pastiprināšana notiek, pateicoties tam pašam termodinamiskajam ciklam - Stirlinga ciklam, kas tiek veikts reģeneratorā.

5. attēls. Aptuveni un vienkāršoti cikla posmi.

Kā jau rakstīju, termoakustiskajā dzinējā vispār nav kustīgu detaļu, tas rada tikai akustisku vilni sevī, bet diemžēl bez kustīgām detaļām nav iespējams izņemt elektrību no dzinēja.

Parasti enerģiju iegūst no termoakustiskajiem dzinējiem, izmantojot lineāros ģeneratorus. Elastīgā membrāna vibrē zem augstas intensitātes skaņas viļņa spiediena. Iekšā vara spole ar serdi, magnēti, kas piestiprināti pie membrānas, vibrē. Tiek ražota elektrība.

2014. gadā Kīss de Bloks, Pāvels Oučareks un Moriss Fransuā no Aster Thermoacoustics parādīja, ka divvirzienu impulsu turbīna, kas savienota ar ģeneratoru, ir piemērota skaņas viļņu enerģijas pārvēršanai elektroenerģijā.

6. attēls. Impulsu turbīnas diagramma

Impulsu turbīna griežas vienā virzienā neatkarīgi no plūsmas virziena. 6. attēlā shematiski parādītas statora lāpstiņas sānos un rotora lāpstiņas vidū.
Un šādi viņu turbīna izskatās patiesībā:

7. attēls – Izskats divvirzienu impulsu turbīna

Paredzams, ka turbīnas izmantošana lineārā ģeneratora vietā ievērojami samazinās konstrukcijas izmaksas un ļaus palielināt ierīces jaudu līdz tipisku termoelektrostaciju jaudai, kas ar lineārajiem ģeneratoriem nav iespējams.

Nu, mēs turpināsim rūpīgi uzraudzīt termoakustisko dzinēju attīstību.

Izmantoto avotu saraksts

M.G. Kruglovs. Stirlinga dzinēji. Maskavas "Mašīnbūve", 1977.
G. Rēders, K. Hūpers. Stirlinga dzinēji. Maskavas "Mir", 1986.
Kīss de Bloks, Pāvels Oučareks. Akustiskā jaudas pārveidošana par elektroenerģiju, 2014.

- siltumdzinējs, kurā šķidrs vai gāzveida darba šķidrums pārvietojas slēgtā tilpumā, ārdedzes dzinēja veids. Tas ir balstīts uz periodisku darba šķidruma sildīšanu un dzesēšanu, iegūstot enerģiju no darba šķidruma tilpuma izmaiņām. Tas var darboties ne tikai no degvielas sadegšanas, bet arī no jebkura siltuma avota.

Ar dzinēju attīstību saistīto notikumu hronoloģiju 18. gadsimtā varat redzēt interesantā rakstā - “Tvaika dzinēju izgudrošanas vēsture”. Un šis raksts ir veltīts izcilajam izgudrotājam Robertam Stērlingam un viņa prāta bērnam.

Radīšanas vēsture...

Stirlinga dzinēja izgudrošanas patents, dīvainā kārtā, pieder skotu priesterim Robertam Stērlingam. Viņš to saņēma 1816. gada 27. septembrī. Pirmie “karstā gaisa dzinēji” pasaulei kļuva zināmi 17. gadsimta beigās, ilgi pirms Stērlingas. Viens no Stērlinga svarīgajiem sasniegumiem bija attīrītāja pievienošana, ko viņš pats nosauca par "ekonomiku".

Mūsdienu zinātniskajā literatūrā šim attīrītājam ir pavisam cits nosaukums - “rekuperators”. Pateicoties tam, palielinās dzinēja veiktspēja, jo tīrītājs saglabā siltumu siltajā dzinēja daļā, un tajā pašā laikā tiek atdzesēts darba šķidrums. Pateicoties šim procesam, sistēmas efektivitāte ievērojami palielinās. Rekuperators ir kamera, kas piepildīta ar stiepli, granulām un gofrētu foliju (rievojumi iet pa gāzes plūsmas virzienu). Gāze iet cauri rekuperatora pildvielai vienā virzienā, izdala (vai iegūst) siltumu, un, virzoties otrā virzienā, to atņem (atdod). Rekuperators var būt arī ārpus cilindriem, un to var novietot uz pārvietošanas virzuļa beta un gamma konfigurācijās. Mašīnas izmēri un svars šajā gadījumā ir mazāki. Zināmā mērā rekuperatora lomu pilda sprauga starp bīdītāju un cilindra sieniņām (ja cilindrs ir garš, tad šāda ierīce vispār nav nepieciešama, taču rodas ievērojami zaudējumi, jo ir viskozitāte. gāze). Alfa-stirlingā rekuperators var būt tikai ārējs. Tas ir uzstādīts virknē ar siltummaini, kurā darba šķidrums tiek uzkarsēts no aukstās virzuļa puses.

1843. gadā Džeimss Stērlings izmantoja šo dzinēju rūpnīcā, kur viņš tajā laikā strādāja par inženieri. 1938. gadā Philips investēja Stirlinga dzinējā ar jaudu vairāk nekā divsimt zirgspēku un atdevi vairāk nekā 30%. Tāpēc ka Stirlinga dzinējs ir daudz priekšrocību, tad laikmetā tvaika dzinēji tas bija plaši izplatīts.

Trūkumi.

Materiālu patēriņš ir galvenais dzinēja trūkums. Ārdedzes dzinējiem kopumā un jo īpaši Stirlinga dzinējam darba šķidrums ir jāatdzesē, un tas izraisa ievērojamu spēkstacijas svara un izmēru palielināšanos palielināto radiatoru dēļ.

Lai iegūtu raksturlielumus, kas ir salīdzināmi ar iekšdedzes dzinēja īpašībām, ir jāizmanto augsts spiediens (virs 100 atm) un īpaši darba šķidruma veidi - ūdeņradis, hēlijs.

Siltums netiek piegādāts darba šķidrumam tieši, bet tikai caur siltummaiņu sienām. Sienām ir ierobežota siltumvadītspēja, kas rada zemāku efektivitāti, nekā varētu gaidīt. Karstais siltummainis darbojas ļoti intensīvos siltuma pārneses apstākļos un ļoti augstā spiedienā, kas prasa kvalitatīvu un dārgu materiālu izmantošanu. Ir ļoti grūti izveidot siltummaini, kas atbilst pretrunīgām prasībām. Jo augstāks ir siltuma apmaiņas laukums, jo mazāki siltuma zudumi. Tajā pašā laikā palielinās siltummaiņa izmērs un darbā neiesaistītā darba šķidruma tilpums. Tā kā siltuma avots atrodas ārpusē, dzinējs lēni reaģē uz izmaiņām siltuma plūsmā uz cilindru un, iedarbinot, var nekavējoties neradīt nepieciešamo jaudu.

Lai ātri mainītu dzinēja jaudu, tiek izmantotas metodes, kas atšķiras no iekšdedzes dzinējos izmantotajām metodēm: mainīga tilpuma bufera tvertne, darba šķidruma vidējā spiediena izmaiņas kamerās, fāzes leņķa maiņa starp darba virzuli un izspiestājs. Pēdējā gadījumā dzinēja reakcija uz vadītāja vadības darbību ir gandrīz acumirklīga.

Priekšrocības.

Tomēr Stirlinga dzinējam ir priekšrocības, kuru dēļ tas ir jāattīsta.

Dzinēja "visēdājs" - tāpat kā visi ārējās iekšdedzes dzinēji (vai drīzāk ārēja siltuma padeve), Stirlinga dzinējs var darboties gandrīz no jebkuras temperatūras starpības: piemēram, starp dažādiem okeāna slāņiem, no saules, no kodolenerģijas vai izotopu sildītājs, ogļu vai malkas krāsns utt.

Dizaina vienkāršība - dzinēja konstrukcija ir ļoti vienkārša, tam nav nepieciešamas papildu sistēmas, piemēram, gāzes sadales mehānisms. Tas sākas pats, un tam nav nepieciešams starteris. Tās īpašības ļauj atbrīvoties no pārnesumkārbas. Tomēr, kā minēts iepriekš, tam ir lielāks materiālu patēriņš.

Palielināts kalpošanas laiks - dizaina vienkāršība, daudzu “delikātu” vienību neesamība ļauj Stirlingam nodrošināt desmitiem un simtiem tūkstošu stundu nepārtrauktas darbības, kas nav nebijuša citiem dzinējiem.

Ekonomiski - pārvēršot saules enerģiju elektroenerģijā, stirlinga dzinēji dažkārt nodrošina lielāku efektivitāti (līdz 31,25%) nekā tvaika siltuma dzinēji.

Kluss dzinējs - Stirlingam nav izplūdes, kas nozīmē, ka tas nerada troksni. Beta Stirling ar rombveida mehānismu ir ideāli līdzsvarota ierīce, un ar diezgan augstu ražošanas kvalitāti tai pat nav vibrāciju (vibrācijas amplitūda ir mazāka par 0,0038 mm).

Videi draudzīgs – Stirlingam pašam nav nekādu detaļu vai procesu, kas varētu veicināt vides piesārņojumu. Tas nepatērē darba šķidrumu. Dzinēja videi draudzīgums galvenokārt ir saistīts ar siltuma avota videi draudzīgumu. Ir arī vērts atzīmēt, ka pilnīgas degvielas sadegšanas nodrošināšana ārdedzes dzinējā ir vieglāka nekā iekšdedzes dzinējā.

Alternatīva tvaika dzinējiem.

19. gadsimtā inženieri mēģināja radīt drošu alternatīvu tvaika dzinēji tā laika, sakarā ar to, ka jau izgudroto dzinēju katli bieži eksplodēja, neizturot augsto tvaika spiedienu un to izgatavošanai un uzbūvei nepavisam nepiemērotus materiālus. Stirlinga dzinējs kļuva par labu alternatīvu, jo tā varēja pārvērst jebkuru temperatūras starpību darbā. Tas ir Stirlinga dzinēja darbības pamatprincips. Pastāvīga darba šķidruma sildīšanas un dzesēšanas maiņa slēgtā cilindrā iedarbina virzuli. Parasti darba šķidrums ir gaiss, bet tiek izmantots arī ūdeņradis un hēlijs. Taču eksperimenti tika veikti arī ar ūdeni. galvenā iezīme Stirlinga dzinējs ar šķidru darba šķidrumu ir maza izmēra, augsts darba spiediens un liela īpatnējā jauda. Ir arī Stirlings ar divfāžu darba šķidrumu. Arī īpatnējā jauda un darba spiediens tajā ir diezgan augsts.

Iespējams, no fizikas kursa atceraties, ka, gāzi uzkarsējot, tās tilpums palielinās, bet atdziestot – samazinās. Tieši šī gāzu īpašība ir Stirlinga dzinēja darbības pamatā. Stirlinga dzinējs izmanto Stirlinga ciklu, kas termodinamiskās efektivitātes ziņā nav zemāks par Kārno ciklu, un savā ziņā pat tam ir priekšrocības. Karno cikls sastāv no izotermām un adiabātiem, kas maz atšķiras viens no otra. Šāda cikla praktiskā īstenošana ir sarežģīta un neperspektīva. Stirlinga cikls ļāva iegūt praktiski strādājošu dzinēju pieņemamos izmēros.

Stirlinga ciklā ir četras fāzes, kuras atdala divas pārejas fāzes: sildīšana, paplašināšana, pāreja uz aukstuma avotu, dzesēšana, saspiešana un pāreja uz siltuma avotu. Pārejot no silta avota uz aukstu avotu, balonā esošā gāze izplešas un saraujas. Šī procesa laikā spiediens mainās un var iegūt noderīgu darbu. Noderīgs darbs tiek ražots tikai caur procesiem, kas notiek ar nemainīga temperatūra, tas ir, tas ir atkarīgs no temperatūras starpības starp sildītāju un dzesētāju, kā tas ir Carnot ciklā.

Konfigurācijas

Inženieri Stirlinga dzinējus iedala trīs dažādos veidos:

Priekšskatījums - noklikšķiniet, lai palielinātu.

Satur divus atsevišķus jaudas virzuļus atsevišķos cilindros. Viens virzulis ir karsts, otrs ir auksts. Karstais virzuļa cilindrs atrodas augstākas temperatūras siltummainī, bet aukstais virzuļa cilindrs atrodas vēsākā siltummainī. Jaudas un tilpuma attiecība ir diezgan augsta, taču “karstā” virzuļa augstā temperatūra rada zināmas tehniskas problēmas.

Beta Stērlinga- ir viens cilindrs, vienā galā karsts, bet otrā auksts. Virzulis (no kura tiek noņemta jauda) un "pārvietotājs" pārvietojas cilindra iekšpusē, mainot karstā dobuma tilpumu. Gāze tiek sūknēta no balona aukstās daļas uz karsto daļu caur reģeneratoru. Reģenerators var būt ārējs, kā siltummaiņa daļa vai kombinēts ar pārvietošanas virzuli.

Ir virzulis un “pārvietotājs”, bet tajā pašā laikā ir divi cilindri - viens ir auksts (kur virzulis kustas, no kura tiek noņemta jauda), bet otrs ir karsts vienā galā un auksts otrā ( kur pārvietojas “pārvietotājs”). Reģenerators var būt ārējs, tādā gadījumā tas savieno otrā cilindra karsto daļu ar auksto un vienlaikus ar pirmo (auksto) cilindru. Iekšējais reģenerators ir daļa no izspiestāja.