Jakie są więc wyzwania związane ze stworzeniem wysokowydajnego silnika Stirlinga? Silnik Stirlinga (1 GIF).

Mniej niż sto lat temu silniki wewnętrzne spalanie starały się wywalczyć należne im miejsce w rywalizacji pośród innych dostępnych maszyn i mechanizmów ruchomych. Jednocześnie w tamtych czasach przewaga silnika benzynowego nie była tak oczywista. Istniejące maszyny na silnikach parowych wyróżniały się bezgłośnością, doskonałą charakterystyką mocy jak na tamte czasy, łatwością konserwacji, możliwością użytkowania różnego rodzaju paliwo. W dalszej walce o rynek zwyciężyły silniki spalinowe ze względu na swoją wydajność, niezawodność i prostotę.

Kolejny wyścig o doskonalenie agregatów i mechanizmów napędowych, który rozpoczął się w połowie XX wieku Turbiny gazowe i rotacyjnych odmian silników, doprowadziły do ​​tego, że pomimo dominacji silnika benzynowego podjęto próby wprowadzenia na „pole gry” zupełnie nowego typu silnika - termicznego, wynalezionego po raz pierwszy w 1861 roku przez szkockiego księdza Roberta Stirlinga. Silnik został nazwany na cześć jego twórcy.

Silnik Stirlinga: fizyczna strona problemu

Aby zrozumieć, jak to działa stacjonarna elektrownia w Stirling, należy rozumieć informacje ogólne o zasadach działania silników cieplnych. Fizycznie zasada działania polega na wykorzystaniu energii mechanicznej, którą uzyskuje się poprzez rozprężanie gazu podczas ogrzewania i jego późniejsze sprężanie podczas chłodzenia. Aby zademonstrować zasadę działania, można podać przykład oparty na zwykłej plastikowej butelce i dwóch garnkach, z których jeden zawiera zimną wodę, a drugi gorącą.

Opuszczając butelkę do zimnej wody, której temperatura jest zbliżona do temperatury tworzenia się lodu, przy wystarczającym schłodzeniu powietrza wewnątrz plastikowego pojemnika, należy zamknąć go korkiem. Ponadto po włożeniu butelki do wrzątku korek po chwili „strzela” z siłą, bo w ta sprawa Praca wykonana przez ogrzane powietrze jest wielokrotnie większa niż przez powietrze chłodzące. Gdy eksperyment powtarza się wiele razy, wynik się nie zmienia.

Pierwsze maszyny zbudowane na silniku Stirlinga wiernie odtwarzały proces zademonstrowany w eksperymencie. Naturalnie mechanizm wymagał ulepszenia, polegającego na wykorzystaniu części ciepła traconego przez gaz podczas chłodzenia do dalszego ogrzewania, co umożliwiło powrót ciepła do gazu w celu przyspieszenia ogrzewania.

Ale nawet zastosowanie tej innowacji nie mogło uratować sytuacji, ponieważ pierwsze Stirlingi były duże i miały małą moc wyjściową. W przyszłości wielokrotnie podejmowano próby modernizacji konstrukcji, aby osiągnąć moc 250 KM. doprowadziło do tego, że w obecności cylindra o średnicy 4,2 metra, rzeczywista moc wyjściowa, jaką fabryka Stirlinga o mocy 183 kW miała w rzeczywistości tylko 73 kW.

Wszystkie silniki Stirlinga działają na zasadzie cyklu Stirlinga, który obejmuje cztery fazy główne i dwie pośrednie. Główne z nich to ogrzewanie, rozprężanie, chłodzenie i sprężanie. Jako etap przejściowy rozważa się przejście do generatora zimna i przejście do elementu grzejnego. Użyteczna praca wykonywana przez silnik opiera się wyłącznie na różnicy temperatur między częściami grzewczymi i chłodzącymi.

Nowoczesne konfiguracje Stirlinga

Nowoczesna inżynieria wyróżnia trzy główne typy takich silników:

• alfa Stirling, której różnica polega na dwóch aktywnych tłokach umieszczonych w niezależnych cylindrach. Ze wszystkich trzech opcji ten model różni się najbardziej duża moc, mający najwyższą temperaturę tłoka grzewczego;
• beta stirlinga, oparta na jednym cylindrze, którego jedna część jest gorąca, a druga zimna;
• gamma-stirling, który oprócz tłoka ma również wypieracz.

Produkcja elektrowni Stirling będzie zależeć od wyboru modelu silnika, który uwzględni wszystkie pozytywne i negatywne strony podobny projekt.

Zalety i wady

Dzięki ich cechy konstrukcyjne Silniki te mają szereg zalet, ale nie są pozbawione wad.

Do stacjonarnej elektrowni Stirlinga, która jest niemożliwa w sklepie, ale tylko od amatorów, którzy samodzielnie kolekcjonują takie urządzenia, należą:

• duże rozmiary, które są spowodowane koniecznością ciągłego chłodzenia tłoka roboczego;
• stosowanie wysokiego ciśnienia, które jest wymagane do poprawy osiągów i mocy silnika;
• utrata ciepła, która występuje ze względu na fakt, że wytwarzane ciepło nie jest przekazywane do siebie ciało robocze, ale poprzez system wymienników ciepła, których ogrzewanie prowadzi do utraty wydajności;
• ostry spadek moc wymaga zastosowania specjalnych zasad, które różnią się od tradycyjnych dla silników benzynowych.

Wraz z wadami elektrownie pracujące na jednostkach Stirlinga mają niezaprzeczalne zalety:

• każdy rodzaj paliwa, ponieważ jak każdy silnik wykorzystujący energię cieplną, ten silnik zdolne do funkcjonowania przy różnicy temperatur dowolnego środowiska;
• gospodarka. Urządzenia te mogą być doskonałym zamiennikiem jednostek parowych w przypadkach, gdy konieczne jest przetwarzanie energii słonecznej, dając współczynnik sprawności o 30% wyższy;
• Bezpieczeństwo środowiska. Ponieważ elektrownia stołowa kW nie generuje momentu wydmuchu, nie generuje hałasu ani nie emituje szkodliwych substancji do atmosfery. Zwykłe ciepło działa jak źródło energii, a paliwo wypala się prawie całkowicie;
• konstruktywna prostota. Do swojej pracy Stirling nie będzie potrzebował dodatkowych części ani osprzętu. Jest w stanie uruchomić się samodzielnie bez użycia rozrusznika;
• zwiększony zasób zdolności do pracy. Dzięki swojej prostocie silnik może zapewnić ponad sto godzin ciągłej pracy.

Aplikacje dla silników Stirlinga

Silnik Stirlinga jest najczęściej stosowany w sytuacjach, w których wymagane jest urządzenie do przetwarzania energii cieplnej, co jest proste, podczas gdy sprawność innych typów jednostek cieplnych jest znacznie niższa w podobnych warunkach. Bardzo często takie jednostki są stosowane w zasilaniu urządzeń pompujących, lodówek, łodzi podwodnych, akumulatorów magazynujących energię.

Materiał wideo: YouTube.com/watch?v=fRY6rkuw3LA

Jednym z obiecujących obszarów wykorzystania silników Stirlinga są elektrownie słoneczne, ponieważ jednostka ta może być z powodzeniem wykorzystywana do przekształcania energii światła słonecznego w energię elektryczną. Aby przeprowadzić ten proces, silnik umieszcza się w ognisku lustra, które gromadzi promienie słoneczne, co zapewnia stałe oświetlenie obszaru wymagającego ogrzewania. Pozwala to na skupienie energii słonecznej na niewielkim obszarze. Paliwem dla silnika w tym przypadku jest hel lub wodór.

Współczesny przemysł motoryzacyjny osiągnął poziom rozwoju, w którym bez fundamentalnych badania naukowe osiągnięcie radykalnych ulepszeń w konstrukcji tradycyjnych silników spalinowych jest prawie niemożliwe. Ta sytuacja zmusza projektantów do zwrócenia uwagi alternatywne projekty elektrowni. Niektóre ośrodki inżynierskie skupiły swoje wysiłki na stworzeniu i przystosowaniu do seryjnej produkcji hybryd i modele elektryczne inni producenci samochodów inwestują w rozwój silników zasilanych ze źródeł odnawialnych (np. biodiesel z olejem rzepakowym). Istnieją inne projekty jednostek napędowych, które w przyszłości mogą stać się nowym standardowym napędem Pojazd.

Jednym z możliwych źródeł energii mechanicznej dla samochodów przyszłości jest silnik spalanie zewnętrzne, który został wynaleziony w połowie XIX wieku przez Szkota Roberta Stirlinga jako maszyna do rozszerzalności cieplnej.

Schemat pracy

Silnik Stirlinga przetwarza energię cieplną dostarczoną z zewnątrz na użyteczną Praca mechaniczna kosztem zmiany temperatury płynu roboczego(gaz lub ciecz) krążące w zamkniętej objętości.

W ogólna perspektywa schemat działania urządzenia jest następujący: w dolnej części silnika substancja robocza (na przykład powietrze) nagrzewa się i, zwiększając swoją objętość, popycha tłok do góry. Gorące powietrze dostaje się do górnej części silnika, gdzie jest chłodzone przez chłodnicę. Ciśnienie płynu roboczego jest zmniejszone, tłok jest opuszczany do następnego cyklu. W tym przypadku system jest uszczelniony, a substancja robocza nie jest zużywana, a jedynie przemieszcza się wewnątrz cylindra.

Istnieje kilka opcji projektowania jednostek napędowych wykorzystujących zasadę Stirlinga.

Modyfikacja Stirlinga „Alfa”

Silnik składa się z dwóch oddzielnych tłoków zasilających (gorącego i zimnego), z których każdy znajduje się we własnym cylindrze. Ciepło dostarczane jest do cylindra za pomocą gorącego tłoka, a zimny cylinder znajduje się w chłodzącym wymienniku ciepła.

Modyfikacja Stirlinga „Beta”

Cylinder zawierający tłok jest podgrzewany z jednej strony i chłodzony z przeciwnej strony. W cylindrze porusza się tłok napędowy i wypornik, których zadaniem jest zmiana objętości gazu roboczego. Ruch powrotny schłodzonej substancji roboczej do gorącej wnęki silnika jest wykonywany przez regenerator.

Modyfikacja Stirlinga „Gamma”

Konstrukcja składa się z dwóch cylindrów. Pierwsza jest całkowicie zimna, w której porusza się tłok napędowy, a druga, gorąca z jednej strony i zimna z drugiej, służy do poruszania wypornika. Regenerator do cyrkulacji zimnego gazu może być wspólny dla obu cylindrów lub może być zawarty w konstrukcji wypornika.

Zalety silnika Stirlinga

Podobnie jak większość silników spalinowych, Stirling jest nieodłączny wielopaliwowy: silnik pracuje przy różnicy temperatur, niezależnie od przyczyn, które ją spowodowały.

Interesujący fakt! Kiedyś zademonstrowano instalację, która działała na dwudziestu opcjach paliwowych. Bez zatrzymywania silnika benzyna była dostarczana do zewnętrznej komory spalania, olej napędowy, metan, ropa naftowa i olej roślinny - jednostka napędowa nadal pracowała stabilnie.

Silnik ma prostota konstrukcji i nie wymaga dodatkowe systemy I załączniki(rozrząd, rozrusznik, skrzynia biegów).

Cechy urządzenia gwarantują długą żywotność: ponad sto tysięcy godzin ciągła praca.

Silnik Stirlinga jest cichy, ponieważ w cylindrach nie dochodzi do detonacji i nie ma potrzeby usuwania spalin. Modyfikacja „Beta”, wyposażona w rombowy mechanizm korbowy, to doskonale wyważony system, który nie ma wibracji podczas pracy.

W cylindrach silnika nie zachodzą procesy, które mogłyby mieć negatywny wpływ na środowisko. Wybierając odpowiednie źródło ciepła (np. energię słoneczną), Stirling może być absolutnie przyjazny dla środowiska jednostka mocy.

Wady projektu Stirlinga

Z całym zestawem pozytywne właściwości natychmiastowe masowe użycie silników Stirlinga jest niemożliwe ze względu na następujące powody:

Główny problem tkwi w materiałochłonności konstrukcji. Chłodzenie czynnika roboczego wymaga obecności radiatorów o dużej pojemności, co znacznie zwiększa gabaryty i zużycie metalu instalacji.

Obecny poziom technologiczny pozwoli silnikowi Stirlinga porównać osiągi z nowoczesnymi silniki benzynowe tylko dzięki zastosowaniu złożonych rodzajów płynu roboczego (helu lub wodoru) pod ciśnieniem ponad stu atmosfer. Fakt ten rodzi poważne pytania zarówno w dziedzinie materiałoznawstwa, jak i bezpieczeństwa użytkowników.

Ważny problem eksploatacyjny związany jest z zagadnieniami przewodnictwa cieplnego i odporności temperaturowej metali. Ciepło dostarczane jest do objętości roboczej przez wymienniki ciepła, co prowadzi do nieuniknionych strat. Ponadto wymiennik ciepła musi być wykonany z metali żaroodpornych, które są odporne na wysokie ciśnienie. Odpowiednie materiały bardzo drogie i trudne w obróbce.

Zasady zmiany trybów pracy silnika Stirlinga również zasadniczo różnią się od tradycyjnych, co wymaga opracowania specjalnych urządzeń sterujących. Aby więc zmienić moc, konieczna jest zmiana ciśnienia w cylindrach, kąta fazowego między wypornikiem a tłokiem napędowym lub oddziaływanie na pojemność wnęki cieczą roboczą.

Jeden ze sposobów kontrolowania prędkości wału w modelu silnika Stirlinga można zobaczyć w następny film:

Efektywność

W obliczeniach teoretycznych sprawność silnika Stirlinga zależy od różnicy temperatur płynu roboczego i może osiągnąć 70% lub więcej zgodnie z cyklem Carnota.

Jednak pierwsze próbki zrealizowane w metalu miały wyjątkowo słabą wytrzymałość wysoka wydajność następujące powody:

• nieefektywne warianty chłodziwa (płynu roboczego), ograniczające maksymalną temperaturę ogrzewania;
• straty energii spowodowane tarciem części i przewodnością cieplną obudowy silnika;
• brak materiałów konstrukcyjnych odpornych na wysokie ciśnienie.

Rozwiązania inżynierskie nieustannie ulepszały urządzenie jednostka mocy. Tak więc w drugiej połowie XX wieku czterocylindrowy samochód Silnik Stirlinga z napędem rombowym wykazał w testach sprawność równą 35%. na chłodziwie wodnym o temperaturze 55 ° C. Dokładne przestudiowanie projektu, zastosowanie nowych materiałów i precyzyjne dostrojenie jednostek roboczych zapewniło wydajność próbek eksperymentalnych na poziomie 39%.

Notatka! Nowoczesny silniki benzynowe o podobnej mocy mają współczynnik pożyteczna akcja na poziomie 28-30%, a diesle z turbodoładowaniem w granicach 32-35%.

Współczesne egzemplarze silnika Stirlinga, takie jak zbudowany przez amerykańską firmę Mechanical Technology Inc, wykazują sprawność dochodzącą do 43,5%. A wraz z rozwojem produkcji ceramiki żaroodpornej i podobnych innowacyjnych materiałów możliwe będzie znaczne podniesienie temperatury środowiska pracy i osiągnięcie wydajności na poziomie 60%.

Przykłady udanych wdrożeń motoryzacyjnych Stirlingów

Pomimo wszystkich trudności istnieje wiele wykonalnych modeli silnika Stirlinga mających zastosowanie w przemyśle motoryzacyjnym.

Zainteresowanie Stirlingiem, nadającym się do montażu w samochodzie, pojawiło się w latach 50. XX wieku. Prace w tym kierunku prowadziły takie koncerny jak Ford firma motoryzacyjna, Grupa Volkswagena i inni.

UNITED STIRLING (Szwecja) opracował Stirling, który maksymalnie wykorzystał seryjne komponenty i zespoły produkowane przez producentów samochodów ( wał korbowy, korbowody). Powstały czterocylindrowy silnik w kształcie litery V miał ciężar właściwy 2,4 kg / kW, co jest porównywalne z charakterystyką kompaktowego silnika wysokoprężnego. To urządzenie zostało pomyślnie przetestowane jako elektrownia siedmiotonowy samochód dostawczy.

Jednym z udanych przykładów jest czterocylindrowy silnik Stirlinga holenderskiego modelu produkcyjnego „Philips 4-125DA”, przeznaczony do montażu na samochód. Silnik miał moc roboczą 173 litrów. Z. w wymiarach zbliżonych do klasycznej jednostki benzynowej.

Inżynierowie osiągnęli znaczące wyniki Ogólny Silniki, które zbudowały ośmiocylindrowy (4 cylindry robocze i 4 cylindry sprężające) w latach 70-tych Silnik widlasty Stirling ze standardowym mechanizmem korbowym.

Podobna elektrownia w 1972 roku wyposażony edycja limitowana samochody fordy Turyn, którego spalanie spadło o 25% w porównaniu z klasyczną benzyną Osiem w kształcie litery V.

Obecnie ponad pięćdziesiąt firm zagranicznych pracuje nad udoskonaleniem konstrukcji silnika Stirlinga w celu przystosowania go do masowej produkcji na potrzeby przemysłu motoryzacyjnego. A jeśli uda ci się wyeliminować niedociągnięcia tego typu silników, zachowując przy tym swoje zalety, to właśnie Stirling, a nie turbiny i silniki elektryczne, zastąpi benzynowy silnik spalinowy.

Cykl Stirlinga jest uważany za nieodzowne akcesorium silnika Stirlinga. Jednocześnie szczegółowe badanie zasad działania wielu dotychczas stworzonych konstrukcji pokazuje, że znaczna ich część ma cykl pracy odmienny od cyklu Stirlinga. Na przykład alfa Stirlinga z tłokami o różnych średnicach ma cykl bardziej podobny do cyklu Ericssona. Konfiguracje beta i gamma, które mają wystarczająco dużą średnicę tłoczyska wypornika, również zajmują pewną pozycję pośrednią między cyklami Stirlinga i Ericssona.

Gdy wypornik porusza się w konfiguracji beta, zmiana stanu płynu roboczego następuje nie wzdłuż izochory, ale wzdłuż nachylonej linii pośredniej między izochorem a izobarą. Przy określonym stosunku średnicy tłoczyska do całkowitej średnicy pływaka można uzyskać izobara (stosunek ten zależy od temperatur pracy). W tym przypadku tłok, który wcześniej był robotnikiem, pełni jedynie rolę pomocniczą, a tłoczysko wypornika staje się prawdziwym robotnikiem. Okazuje się, że moc właściwa takiego silnika jest około 2 razy większa niż w zwykłych Stirlingach, mniejsze straty tarcia, ponieważ nacisk na tłok jest bardziej równomierny. Podobny obraz jest w stirlingach alfa o różnych średnicach tłoka. Silnik z wykresem pośrednim może mieć obciążenie równomiernie rozłożone między tłoki, czyli między tłokiem roboczym a tłoczyskiem wypornika.

Ważna zaleta działanie silnika zgodnie z cyklem Ericssona lub zbliżonym do niego polega na tym, że izochora jest zastępowana przez izobarę lub proces zbliżony do niej. Gdy płyn roboczy rozpręża się wzdłuż izobary, nie ma zmian ciśnienia, nie dochodzi do wymiany ciepła, z wyjątkiem przekazywania ciepła z rekuperatora do płynu roboczego. I to ogrzewanie natychmiast wykonuje użyteczną pracę.Podczas kompresji izobarycznej ciepło jest przekazywane do wymiennika ciepła.
W cyklu Stirlinga, gdy płyn roboczy jest podgrzewany lub chłodzony wzdłuż izochory, występują straty ciepła w wyniku procesów izotermicznych w nagrzewnicy i chłodnicy.

Konfiguracja

Inżynierowie dzielą silniki Stirlinga na trzy różne rodzaje:

• Alfa Stirling- zawiera dwa oddzielne tłoki zasilające w oddzielnych cylindrach. Jeden tłok jest gorący, drugi zimny. Gorący cylinder tłokowy znajduje się w wymienniku ciepła o wyższej temperaturze, podczas gdy zimny cylinder tłokowy znajduje się w chłodniejszym wymienniku ciepła. Ten typ silnika ma dość wysoki stosunek mocy do objętości, ale niestety wysoka temperatura „gorącego” tłoka stwarza pewne problemy techniczne.

Regenerator znajduje się pomiędzy gorącą częścią rury łączącej a zimną częścią.

• Betę Stirling- jest tylko jeden cylinder, gorący na jednym końcu i zimny na drugim. Tłok (z którego jest odłączane zasilanie) i „wypornik” poruszają się wewnątrz cylindra, zmieniając objętość gorącej wnęki. Gaz jest pompowany z zimnej części cylindra do gorącej przez regenerator. Regenerator może być zewnętrzny, jako część wymiennika ciepła lub może być połączony z tłokiem wyporowym.

• Gamma Stirlinga- jest też tłok i "wypornik", ale jednocześnie są dwa cylindry - jeden zimny (tam porusza się tłok, z którego odłączana jest moc), a drugi z jednego końca gorący, a z drugiego zimny (przemieszcza się tam „wysiedleniec”). Regenerator może być zewnętrzny, w takim przypadku się łączy gorąca część drugi cylinder z zimnym i jednocześnie z pierwszym (zimnym) cylindrem. Wewnętrzny regenerator jest częścią wypornika.

Istnieją również odmiany silnika Stirlinga, które nie mieszczą się w powyższych trzech klasycznych typach:

• Silnik obrotowy Stirlinga- rozwiązanie problemów szczelności (patent Mukhina na hermetyczne wejście obrotowe (GVV), srebrny medal za międzynarodowa wystawa w Brukseli „Eureka-96”) i masywność (nie ma mechanizmu korbowego, ponieważ silnik jest obrotowy).

Wady

• Zużycie materiału- główna wada silnika. W przypadku silników spalinowych ogólnie, aw szczególności silnika Stirlinga, płyn roboczy musi być chłodzony, co prowadzi do znacznego wzrostu masy i wymiarów elektrowni z powodu powiększonych chłodnic.

• Aby uzyskać właściwości porównywalne z silnikiem spalinowym, konieczne jest zastosowanie wysokie ciśnienia (powyżej 100 atm) i specjalne rodzaje płynów roboczych- wodór, hel.

• Ciepło nie jest dostarczane bezpośrednio do płynu roboczego ale tylko przez ściany wymienników ciepła. Ściany mają ograniczoną przewodność cieplną, przez co wydajność jest niższa od oczekiwanej. Gorący wymiennik ciepła pracuje w bardzo obciążających warunkach wymiany ciepła i przy bardzo wysokich ciśnieniach, co wymaga użycia wysokiej jakości i drogich materiałów. Stworzenie wymiennika ciepła, który spełniałby sprzeczne wymagania, jest bardzo trudne. Im większa powierzchnia wymiany ciepła, tym mniejsze straty ciepła. Jednocześnie zwiększa się rozmiar wymiennika ciepła i objętość płynu roboczego, który nie bierze udziału w pracy. Ponieważ źródło ciepła znajduje się na zewnątrz, silnik powoli reaguje na zmiany strumienia ciepła dostarczanego do cylindra i może nie od razu wytworzyć pożądanej mocy przy rozruchu.

• Aby szybko zmienić moc silnika, stosuje się metody inne niż stosowane w silnikach spalinowych: pojemność buforowa o zmiennej objętości, zmiana średniego ciśnienia płynu roboczego w komorach, zmiana kąta fazowego pomiędzy tłokiem roboczym a wypornikiem. W tym drugim przypadku reakcja silnika na działanie sterujące kierowcy jest niemal natychmiastowa.

Zalety

Jednak silnik Stirlinga ma zalety, które wymuszają jego rozwój.

• Silnik „wszystkożerny”.- jak wszystkie silniki spalinowe (a raczej zewnętrzne źródło ciepła), silnik Stirlinga może działać przy niemal każdej różnicy temperatur: np. piec na węgiel lub drewno itp.
• Prostota projektu- konstrukcja silnika jest bardzo prosta, nie wymaga dodatkowych układów jak np. mechanizm dystrybucji gazu. Uruchamia się sam i nie potrzebuje rozrusznika. Jego charakterystyka pozwala pozbyć się skrzyni biegów. Jednak, jak wspomniano powyżej, ma większe zużycie materiału.
• Zwiększony zasób- prostota konstrukcji, brak wielu "delikatnych" jednostek pozwala Stirlingowi zapewnić niespotykane dotąd zasoby dla innych silników dziesiątek i setek tysięcy godzin ciągłej pracy.
• gospodarka- w przypadku przetwarzania energii słonecznej na energię elektryczną Stirlingi dają czasami wyższą sprawność (do 31,25%) niż parowe silniki cieplne.
• Bezgłośność silnika- Stirling nie ma wydechu, co oznacza, że ​​nie hałasuje. Stirling Beta z mechanizmem rombowym to doskonale wyważone urządzenie i ma dość wysoka jakość produkcji, nie ma nawet wibracji (amplituda drgań jest mniejsza niż 0,0038 mm).
• Przyjazność dla środowiska- Sam Stirling nie ma żadnych części ani procesów, które mogłyby przyczynić się do zanieczyszczenia środowisko. Nie zużywa płynu roboczego. Przyjazność dla środowiska silnika wynika przede wszystkim z przyjazności dla środowiska źródła ciepła. Należy również zauważyć, że w silniku o spalaniu zewnętrznym łatwiej jest zapewnić kompletność spalania paliwa niż w silniku o spalaniu wewnętrznym.

Aplikacja

Silnik Stirlinga z alternatorem liniowym

Silnik Stirlinga ma zastosowanie w przypadkach, gdy potrzebny jest kompaktowy konwerter energii cieplnej, który jest prosty w konstrukcji lub gdy sprawność innych silników cieplnych jest niższa: na przykład, gdy różnica temperatur nie jest wystarczająca do pracy turbiny parowej lub gazowej .

Termoakustyka to dziedzina fizyki zajmująca się wzajemnymi przemianami energii cieplnej i akustycznej. Powstał na styku termodynamiki i akustyki. Stąd nazwa. Ta nauka jest bardzo młoda. Jako samodzielna dyscyplina powstała pod koniec lat 70. ubiegłego wieku, kiedy Szwajcar Niklaus Rott zakończył prace nad matematycznymi podstawami termoakustyki liniowej. A jednak nie wzięło się to znikąd. Jego pojawienie się zostało poprzedzone odkryciami interesujących efektów, które po prostu musimy wziąć pod uwagę.

GDZIE SIĘ ZACZĘŁO
Termoakustyka ma długą historię sięgającą ponad dwóch wieków.

Pierwszy oficjalny zapis wibracji wywołanych ciepłem został sporządzony przez Higginsa w 1777 roku. Eksperymentował z otwartą szklaną rurką, w której wibracje akustyczne były wzbudzane przez palnik wodoru ustawiony w określony sposób. To doświadczenie przeszło do historii jako „śpiewający płomień Higginsa”.

Rysunek 1. Śpiewający płomień Higginsa

Jednak współcześni fizycy są bardziej zaznajomieni z innym eksperymentem zwanym rurą Rijkego. W trakcie swoich eksperymentów Rijke stworzył nowy instrument muzyczny z piszczałki organowej. Zastąpił płomień wodorowy Higginsa podgrzewanym drucianym ekranem i eksperymentalnie wykazał, że najsilniejszy dźwięk powstaje, gdy ekran znajduje się w odległości jednej czwartej rurki od jej dolnego końca. Wibracje ustały, gdy się przykryłeś Górny koniec rury. Dowiodło to, że do wytworzenia dźwięku niezbędny był podłużny ciąg konwekcyjny. Prace Higginsa i Rijke stały się później podstawą nauki o spalaniu, która jest obecnie stosowana wszędzie tam, gdzie wykorzystuje się to zjawisko

Rysunek 2. Rura Rijke.

spalanie granulek prochu do silników rakietowych. Tysiące prac doktorskich na całym świecie poświęconych jest zjawiskom zachodzącym w lampie Rijke, jednak zainteresowanie tym urządzeniem nie słabnie jak dotąd.

W 1850 roku Sondhauss zwrócił się ku dziwnemu zjawisku, które obserwują dmuchacze szkła w swojej pracy. Kiedy gorąca szklana kula wpycha powietrze do zimnego końca rurki dmuchawy, generowany jest czysty dźwięk. Analizując to zjawisko, Sondhauss odkrył, że dźwięk jest generowany przez ogrzewanie kulistego wybrzuszenia na końcu rury. W tym przypadku dźwięk zmienia się wraz ze zmianą długości tuby. W przeciwieństwie do rury Rijke, rura Sondhaussa nie zależała od ciągu konwekcyjnego.

Rycina 3. Rurka Sondhausa.

Podobny eksperyment przeprowadził później Taconis. W przeciwieństwie do Sondhaussa nie podgrzewał końca rurki, lecz chłodził ją cieczą kriogeniczną. Dowiodło to, że to nie ogrzewanie było ważne dla generowania dźwięku, ale różnica temperatur.
Pierwsza jakościowa analiza drgań wywołanych ciepłem została podana w 1887 roku przez Lorda Rayleigha. Wyjaśnienie Rayleigha zjawisk wymienionych powyżej jest obecnie znane termoakustyce jako zasada Rayleigha. Brzmi to mniej więcej tak: „Jeśli ciepło jest przekazywane do gazu w momencie największego sprężenia lub ciepło jest odbierane w momencie największego rozrzedzenia, to stymuluje to oscylacje. » Pomimo swojej prostoty sformułowanie to w pełni opisuje bezpośredni efekt termoakustyczny, czyli zamianę energii cieplnej na energię dźwiękową.

efekt wirowania

efekt wirowania(efekt Ranque-Hilscha) Efekt Ranque-Hilscha) - efekt rozdzielenia się gazu lub cieczy podczas wirowania w komorze cylindrycznej lub stożkowej na dwie frakcje. Na obrzeżach tworzy się przepływ wirowy o wyższej temperaturze, w środku tworzy się przepływ wirowy ochłodzony, a obrót w środku odbywa się w kierunku przeciwnym niż na obrzeżach. Efekt ten został po raz pierwszy odkryty przez francuskiego inżyniera Josepha Ranka pod koniec lat dwudziestych XX wieku podczas pomiaru temperatury w cyklonie przemysłowym. Pod koniec 1931 r. J. Rank złożył wniosek o wynalezienie urządzenia, które nazwał „rurką wirową” (w literaturze określa się ją jako rurkę Ranke’a). Uzyskanie patentu możliwe jest dopiero w 1934 roku w Ameryce (patent USA nr 1952281). Obecnie wdrożono szereg urządzeń wykorzystujących efekt wiru, urządzeń wirowych. Są to „komory wirowe” do chemicznego rozdzielania substancji pod działaniem sił odśrodkowych oraz „rurki wirowe” wykorzystywane jako źródło chłodu.

Od lat 60. XX wieku ruch wirowy był przedmiotem wielu badań naukowych. Specjalistyczne konferencje na temat efektu wiru odbywają się regularnie, na przykład na Uniwersytecie Samara Aerospace.

Generatory ciepła Vortex i mikrokondycjonery istnieją i są używane.

Na tym świecie są rzeczy genialne, niezrozumiałe i zupełnie nierealne. Tak nierealistyczne, że wydają się artefaktami z jakiegoś równoległego wszechświata. Wśród takich artefaktów, obok silnika Stirlinga, próżniowej lampy radiowej i czarnego kwadratu Malewicza, tzw. Turbina Tesli.
Ogólnie rzecz biorąc cecha wyróżniająca wszystkich takich rzeczy - absolutna prostota. Nie uproszczenie, ale prostota. To znaczy, jak w dziełach Michała Anioła - nie ma wszystkiego zbędnego, jakieś techniczne lub semantyczne „rekwizyty”, czysta świadomość, ucieleśniona „w żelazie” lub spryskana płótnem. A przy tym wszystkim absolutny brak obiegu. Czarny kwadrat to swego rodzaju „ort” sztuki. Drugi taki napisany przez innego artystę nie może być.

Wszystko to w pełni dotyczy turbiny Tesli. Konstrukcyjnie składa się z kilku (10-15) cienkich dysków montowanych na osi turbiny w niewielkiej odległości od siebie i umieszczonych w obudowie przypominającej gwizdek policyjny.

Nie warto tłumaczyć, że rotor tarczowy jest dużo bardziej zaawansowany technologicznie i niezawodny niż choćby „koło Lavala”, o wirnikach milczę konwencjonalne turbiny. To pierwsza zaleta systemu. Po drugie, w przeciwieństwie do innych typów turbin, w których należy podjąć specjalne środki w celu laminaryzacji przepływu płynu roboczego. W turbinie Tesli płyn roboczy (którym może być powietrze, para wodna lub nawet ciecz) przepływa ściśle laminarnie. Dlatego straty spowodowane tarciem gazowo-dynamicznym są zredukowane do zera: sprawność turbiny wynosi 95%.

To prawda, że ​​​​należy pamiętać, że wydajność turbiny i wydajność cyklu termodynamicznego to nieco inne rzeczy. Sprawność turbiny można scharakteryzować jako stosunek energii zamienionej na energię mechaniczną na wale wirnika turbiny do energii cyklu roboczego (czyli różnicy między energią początkową i końcową płynu roboczego). Tak więc efektywność nowoczesnych turbiny parowe jest również bardzo wysoka - 95-98%, jednak sprawność obiegu termodynamicznego ze względu na szereg ograniczeń nie przekracza 40-50%.

Zasada działania turbiny polega na tym, że ciecz robocza (powiedzmy - gaz), wirując w obudowie, pod wpływem tarcia "porywa" wirnik. Jednocześnie oddając część energii do wirnika, gaz zwalnia, a dzięki sile Coriolisa, która powstaje podczas interakcji z wirnikiem, podobnie jak liście herbaty, „toczy się” do osi wirnika, gdzie znajdują się specjalne otwory, przez które usuwany jest „odpadowy” płyn roboczy.
Turbina Tesli, podobnie jak turbina Lavala, przetwarza energię kinetyczną płynu roboczego. Czyli transformacja energii potencjalnej (np skompresowane powietrze lub para przegrzana) w kinetyczną musi być dokonana przed podaniem jej dyszą do wirnika turbiny. Jednak turbina Lavala, mająca dość wysoką sprawność ogólną, okazała się wyjątkowo niesprawna przy niskich prędkościach obrotowych, co wymusiło zaprojektowanie przekładni, których gabaryty i masa były wielokrotnie większe od wymiarów i mas samej turbiny. Podstawową różnicą pomiędzy turbiną Tesli jest fakt, że pracuje ona dość wydajnie w szerokim zakresie prędkości obrotowych, co pozwala na bezpośrednie podłączenie jej wału do generatora. Ponadto turbina Tesli jest łatwo odwracalna.

Co ciekawe, sam Nikola Tesla pozycjonował swój wynalazek jako sposób na wysoce efektywne wykorzystanie energii geotermalnej, którą uważał za energię przyszłości. Dodatkowo turbina bez żadnych przeróbek może zamienić się w wysokosprawną Pompa próżniowa- wystarczy odwinąć jego wał od innej turbiny lub silnika elektrycznego.

Możliwości produkcyjne turbiny Tesli pozwalają tworzyć jej warianty dosłownie ze wszystkiego: wirnik dysku można zrobić ze starych płyt CD lub „naleśników” z uszkodzonego „dysku twardego” komputera. Jednocześnie moc takiego silnika, pomimo „zabawkowych” materiałów i wymiarów, jest imponująca. Mówiąc o wymiarach: silnik o mocy 110 KM. nie był większy niż jednostka systemowa obecnego komputera osobistego.

Urządzenia z efektem rangi

Efekt Rank od samego początku przyciągał wynalazców pozorną prostotą jego technicznej realizacji – w rzeczywistości najprostszą implementacją rurka wirowa to fragment najpowszechniejszej rury, gdzie z jednej strony stycznie doprowadzony jest pierwotny przepływ, a na przeciwległym końcu zamontowana jest pierścieniowa membrana, z jej wewnętrznego otworu wypływa schłodzona część przepływu, a część gorąca wychodzi ze szczeliny między zewnętrzną krawędzią membrany a wewnętrzną powierzchnią rury. Jednak w rzeczywistości nie wszystko jest takie proste - osiągnięcie skutecznej separacji nie zawsze jest możliwe, a wydajność takich instalacji jest zwykle zauważalnie gorsza od rozpowszechnionych sprężarkowych pomp ciepła. Ponadto parametry elektrowni z efektem Ranque są zwykle obliczane dla określonej mocy, określonej przez prędkość i natężenie przepływu początkowego przepływu, a gdy parametry przepływu wlotowego odbiegają od wartości optymalnych, wydajność rurki wirowej znacznie się psuje. Niemniej jednak należy zauważyć, że możliwości niektórych instalacji opartych na efekcie Ranque'a budzą respekt – np. rekordowe chłodzenie, jakie osiągnięto w jednym etapie, to ponad 200°C!

Biorąc jednak pod uwagę nasz klimat, znacznie większym zainteresowaniem cieszy się wykorzystanie efektu Ranque do ogrzewania, a jednocześnie chciałbym też nie wychodzić poza „improwizowane środki”.

Istota efektu Rank

Gdy strumień gazu lub cieczy porusza się wzdłuż płynnie obracającej się powierzchni rury, w pobliżu jej zewnętrznej ściany tworzy się obszar wysokie ciśnienie krwi i temperatury, a w pobliżu wnętrza (lub w środku wnęki, jeśli gaz jest wirowany nad powierzchnią cylindrycznego naczynia) - obszar o niskiej temperaturze i ciśnieniu. To dobrze znane zjawisko to tzw Efekt rangi imieniem francuskiego inżyniera Josepha Ranque (G.J. Ranque, czasami pisane jako „Ranke”), który odkrył go w 1931 r., lub Efekt Ranque-Hilscha(Niemiec Robert Hilsh kontynuował badanie tego efektu w drugiej połowie lat czterdziestych XX wieku i poprawił wydajność rurki wirowej Rank). Konstrukcje wykorzystujące efekt Rank są rodzajem pompy ciepła, dla której energia jest pobierana z doładowania, co powoduje przepływ płynu roboczego na wlocie rury.

Paradoks efektu Rank polega na tym siły odśrodkowe w przepływie wirującym są skierowane na zewnątrz. Jak wiadomo, cieplejsze warstwy gazu lub cieczy mają mniejszą gęstość i muszą wznosić się ku górze, aw przypadku sił odśrodkowych zmierzają do środka, zimniejsze mają większą gęstość, a zatem muszą dążyć do obrzeża. Tymczasem o godz wysoka prędkość przepływ wirujący wszystko dzieje się dokładnie odwrotnie!

Efekt Ranque'a objawia się zarówno dla przepływu gazu, jak i dla przepływu cieczy, która jak wiadomo jest praktycznie nieściśliwa i dlatego współczynnik adiabatycznego sprężania/rozprężania nie ma do niej zastosowania. Jednak w przypadku cieczy efekt Ranque jest zwykle znacznie mniej wyraźny - być może właśnie z tego powodu, a bardzo mała średnia droga swobodna cząstek utrudnia jego zamanifestowanie. Ale to prawda, jeśli pozostaniemy w ramach tradycyjnej teorii kinetyki molekularnej, a efekt może mieć zupełnie inne przyczyny.

Moim zdaniem na ten moment najbardziej kompletny i rzetelny opis naukowy efektu Rank przedstawiono w artykule A.F. Gutsola (w formacie pdf). O dziwo, w swej istocie jego wnioski na temat istoty zjawiska pokrywają się z tymi, które uzyskaliśmy „na palcach”. Niestety pomija pierwszy czynnik (adiabatyczne sprężanie gazu na promieniu zewnętrznym i rozprężanie na promieniu wewnętrznym), który moim zdaniem ma bardzo duże znaczenie przy stosowaniu gazów ściśliwych, choć działa tylko wewnątrz urządzenia. A AF Gutsol nazywa drugi czynnik „oddzieleniem szybkich i wolnych mikroobjętości”.

Silnik Stirlinga– silnik z zewnętrznym doprowadzeniem ciepła. Zewnętrzne zasilanie w ciepło jest bardzo wygodne, gdy istnieje potrzeba wykorzystania paliw niekopalnych jako źródła ciepła. Na przykład możesz wykorzystać energię słoneczną, energię geotermalną, ciepło odpadowe z różnych przedsiębiorstw.

Przyjemną cechą cyklu Stirlinga jest to, że jego wydajność jest równa wydajności cyklu Carnota. Naturalnie, prawdziwe silniki Stirlinga mają niższą sprawność, a często znacznie większą. Silnik Stirlinga rozpoczął swoje istnienie od urządzenia, które posiada wiele ruchomych części, takich jak tłoki, korbowody, wał korbowy, łożyska. Ponadto obracał się również wirnik generatora (ryc. 1).

Rysunek 1 — Silnik Stirlinga typu alfa

Spójrz na silnik typu Stirling Alpha. Kiedy wał się obraca, tłoki zaczynają destylować gaz albo z zimnego do gorącego cylindra, albo odwrotnie, z gorącego do zimnego. Ale nie tylko destylują, ale także kompresują i rozszerzają. Zachodzi cykl termodynamiczny. Wyobraź sobie na obrazku, że jak wał się kręci tak, że oś do której mocowane są korbowody jest u góry to będzie moment największego sprężenia gazu, a jak będzie na dole to ekspansja. To prawda, że ​​nie jest to do końca prawdą ze względu na rozszerzalność cieplną i kompresję gazu, ale w przybliżeniu wszystko to jest prawdą.

Sercem silnika jest tzw. rdzeń, na który składają się dwa wymienniki ciepła – gorący i zimny, a pomiędzy nimi znajduje się regenerator. Wymienniki ciepła są zwykle wykonane z płyt, a regenerator to najczęściej komin wykonany z metalowej siatki. Oczywiste jest, dlaczego potrzebne są wymienniki ciepła - do ogrzewania i chłodzenia gazu, ale po co nam regenerator? A regenerator to prawdziwy akumulator ciepła. Gdy gorący gaz przemieszcza się na zimną stronę, ogrzewa regenerator, a regenerator magazynuje energię cieplną. Kiedy gaz przemieszcza się ze strony zimnej do gorącej, zimny gaz jest podgrzewany w regeneratorze, a tym samym oszczędzane jest to ciepło, które bez regeneratora zostałoby bezpowrotnie zużyte na ogrzewanie otoczenia. Regenerator jest więc wyjątkowo niezbędna rzecz. Dobry regenerator zwiększa sprawność silnika około 3,6 razy.

Dla fanów, którzy marzą o samodzielnym zbudowaniu takiego silnika, chcę opowiedzieć więcej o wymiennikach ciepła. Większość domowe silniki Stirling z tych, które widziałem, nie mają w ogóle wymienników ciepła (mówię o silnikach typu alfa). Wymienniki ciepła to same tłoki i cylindry. Jeden cylinder nagrzewa się, drugi stygnie. Jednocześnie powierzchnia wymiany ciepła stykająca się z gazem jest bardzo mała. Można więc znacznie zwiększyć moc silnika, instalując wymienniki ciepła na wlocie do cylindrów. I nawet na rysunku 1 płomień jest skierowany prosto na cylinder, co nie do końca jest prawdą w silnikach fabrycznych.

Wróćmy do historii rozwoju silników Stirlinga. Więc niech silnik będzie dobry pod wieloma względami, ale obecność pierścienie zgarniające olej i łożyska skróciły żywotność silnika, a inżynierowie intensywnie zastanawiali się, jak go ulepszyć, i wpadli na pomysł.

W 1969 roku William Bale zbadał efekty rezonansowe w działaniu silnika, a później był w stanie zbudować silnik, który nie potrzebował ani korbowodów, ani wału korbowego. Synchronizacja tłoków powstała w wyniku efektów rezonansowych. Ten typ silnika zaczęto nazywać silnikiem z wolnym tłokiem (Rysunek 2).

Rysunek 2 - Wolnotłokowy silnik Stirlinga

Rysunek 2 przedstawia silnik beztłokowy typu beta. Tutaj gaz przepływa z obszaru gorącego do obszaru zimnego i odwrotnie dzięki wypornikowi (który porusza się swobodnie), a tłok roboczy wykonuje użyteczną pracę. Pływak i tłok oscylują na sprężynach śrubowych, które można zobaczyć po prawej stronie rysunku. Trudność polega na tym, że ich oscylacje muszą mieć tę samą częstotliwość i różnicę faz 90 stopni, a wszystko to wynika z efektów rezonansowych. Jest to raczej trudne.

W ten sposób zmniejszono liczbę części, ale jednocześnie zaostrzono wymagania dotyczące dokładności obliczeń i produkcji. Ale niezawodność silnika niewątpliwie wzrosła, zwłaszcza w konstrukcjach, w których elastyczne membrany są używane jako wypornik i tłok. W tym przypadku w silniku w ogóle nie ma części trących. W razie potrzeby energię elektryczną można usunąć z takiego silnika za pomocą generatora liniowego.

Ale nawet to nie wystarczyło inżynierom i zaczęli szukać sposobów na pozbycie się nie tylko trących części, ale ogólnie ruchomych części. I znaleźli sposób.

W latach siedemdziesiątych XX wieku Peter Zeperli zdał sobie sprawę, że sinusoidalne fluktuacje ciśnienia i prędkości gazu w silniku Stirlinga oraz fakt, że te fluktuacje są w fazie, są niezwykle podobne do fluktuacji ciśnienia gazu i prędkości w przemieszczającej się fali dźwiękowej (ryc. 3). .

Rysunek 3 - Wykres ciśnienia i prędkości rozchodzącej się fali akustycznej w funkcji czasu. Pokazano, że oscylacje ciśnienia i prędkości są w fazie.

Pomysł ten przyszedł do Zeperli nie przez przypadek, ponieważ przed nim było wiele badań z zakresu termoakustyki, na przykład sam Lord Rayleigh w 1884 roku jakościowo opisał to zjawisko.

Zaproponował więc całkowite zrezygnowanie z tłoków i wyporników i użycie jedynie fali akustycznej do kontrolowania ciśnienia i ruchu gazu. Skutkuje to silnikiem bez ruchomych części i teoretycznie zdolnym do osiągnięcia sprawności cyklu Stirlinga, a zatem Carnota. W rzeczywistości najlepsze osiągi to 40-50% wydajności cyklu Carnota (Rysunek 4).

Rysunek 4 - Schemat silnika termoakustycznego z falą biegnącą

Można zauważyć, że silnik termoakustyczny z falą biegnącą to dokładnie ten sam rdzeń, składający się z wymienników ciepła i regeneratora, ale zamiast tłoków i korbowodów jest po prostu zapętlona rura, która nazywa się rezonatorem. Ale jak ten silnik działa, jeśli nie ma w nim ruchomych części? Jak to jest możliwe?

Najpierw odpowiedzmy sobie na pytanie, skąd pochodzi dźwięk? A odpowiedź brzmi, że dzieje się to samo, gdy istnieje wystarczająca różnica temperatur między dwoma wymiennikami ciepła. Gradient temperatury w regeneratorze pozwala na wzmocnienie drgań dźwiękowych, ale tylko o określonej długości fali, równa długości rezonator. Od samego początku proces wygląda tak: podczas podgrzewania gorącego wymiennika ciepła pojawiają się mikro szelesty, być może nawet trzaski od odkształceń termicznych, jest to nieuniknione. Te szelesty to hałas o szerokim spektrum częstotliwości. Z całego tego bogatego spektrum częstotliwości dźwiękowych silnik zaczyna wzmacniać tę wibrację dźwiękową, której długość fali jest równa długości tuby - rezonatora. I bez względu na to, jak małe będzie początkowe wychylenie, zostanie ono wzmocnione do maksymalnej możliwej wartości. Maksymalne natężenie dźwięku wewnątrz silnika występuje, gdy moc wzmocnienia dźwięku za pomocą wymienników ciepła jest równa mocy strat, czyli mocy tłumienia drgań dźwiękowych. I ta maksymalna wartość czasami osiąga ogromne wartości 160 dB. Więc co jest w środku podobny silnik naprawdę głośno. Na szczęście dźwięk nie może się wydobyć, ponieważ rezonator jest uszczelniony i dlatego stojąc obok pracującego silnika jest ledwo słyszalny.

Wzmocnienie określonej częstotliwości dźwięku następuje z powodu tego samego cyklu termodynamicznego - cyklu Stirlinga, który odbywa się w regeneratorze.

Rysunek 5 - Etapy cyklu z grubsza i w uproszczeniu.

Jak już pisałem w silniku termoakustycznym w ogóle nie ma ruchomych części, generuje on w sobie tylko falę akustyczną, ale niestety nie da się odprowadzić prądu z silnika bez ruchomych części.

Zwykle energia jest pozyskiwana z silników termoakustycznych za pomocą generatorów liniowych. Elastyczna membrana oscyluje pod wpływem fali dźwiękowej o dużym natężeniu. Wewnątrz zwój Miedziany z rdzeniem, magnesy zamocowane na membranie wibrują. Wytwarzana jest energia elektryczna.

W 2014 roku Kees de Blok, Paweł Owczarek i Maurice Francois z Aster Thermoacoustics wykazali, że dwukierunkowa turbina impulsowa podłączona do generatora nadaje się do przekształcania energii fali dźwiękowej w energię elektryczną.

Rysunek 6 - Schemat turbiny impulsowej

Turbina impulsowa obraca się w tym samym kierunku, niezależnie od kierunku przepływu. Rycina 6 przedstawia schematycznie łopatki stojana po bokach i łopaty wirnika pośrodku.
A tak turbina wygląda w rzeczywistości:

Rysunek 7 - Wygląd dwukierunkowa turbina impulsowa

Oczekuje się, że zastosowanie turbiny zamiast generatora liniowego znacznie obniży koszt projektu i zwiększy moc urządzenia do mocy typowych elektrociepłowni, co jest niemożliwe w przypadku generatorów liniowych.

Cóż, będziemy nadal uważnie śledzić rozwój silników termoakustycznych.

Lista wykorzystanych źródeł

MG Krugłow. Silniki Stirlinga. Moskwa „Inżynieria”, 1977.
G. Reeder, C. Hooper. Silniki Stirlinga. Moskwa „Mir”, 1986.
Kees de Blok, Paweł Owczarek. Konwersja energii akustycznej na elektryczną, 2014.

- silnik cieplny, w którym ciekły lub gazowy płyn roboczy porusza się w zamkniętej objętości, rodzaj silnika spalinowego. Polega na okresowym podgrzewaniu i schładzaniu płynu roboczego z wydobyciem energii z wynikającej z tego zmiany objętości płynu roboczego. Może pracować nie tylko ze spalania paliwa, ale także z dowolnego źródła ciepła.

Chronologię wydarzeń związanych z rozwojem silników XVIII wieku można prześledzić w ciekawym artykule – „Historia wynalezienia parowozów”. A ten artykuł jest poświęcony wielkiemu wynalazcy Robertowi Stirlingowi i jego pomysłowi.

Historia stworzenia...

Co dziwne, patent na wynalazek silnika Stirlinga należy do szkockiego księdza Roberta Stirlinga. Otrzymał go 27 września 1816 r. Pierwsze „silniki na ogrzane powietrze” stały się znane światu pod koniec XVII wieku, na długo przed Stirlingiem. Jednym z ważnych osiągnięć Stirlinga jest dodanie oczyszczacza, nazwanego przez niego „gospodynią”.

We współczesnej literaturze naukowej ten środek czyszczący ma zupełnie inną nazwę - „rekuperator”. Dzięki niemu zwiększa się wydajność silnika, ponieważ środek czyszczący zatrzymuje ciepło w ciepłej części silnika, a jednocześnie chłodzi się płyn roboczy. Dzięki temu procesowi znacznie zwiększa się wydajność systemu. Rekuperator to komora wypełniona drutem, granulatem, folią falistą (pofałdowania biegną wzdłuż kierunku przepływu gazu). Gaz przepływając przez wlew rekuperatora w jednym kierunku oddaje (lub odbiera) ciepło, a poruszając się w drugim kierunku odbiera (oddaje) ciepło. Rekuperator może być zewnętrzny w stosunku do cylindrów i może być umieszczony na tłoku wypornika w konfiguracjach beta i gamma. Wymiary i waga maszyny w tym przypadku są mniejsze. W pewnym stopniu rolę rekuperatora pełni szczelina między wypornikiem a ściankami cylindra (jeśli cylinder jest długi, to takie urządzenie w ogóle nie jest potrzebne, ale pojawiają się znaczne straty ze względu na lepkość gaz). W alfa Stirling wymiennik ciepła może być tylko zewnętrzny. Montowany jest szeregowo z wymiennikiem ciepła, w którym od strony zimnego tłoka podgrzewany jest płyn roboczy.

W 1843 roku James Stirling użył tego silnika w fabryce, w której pracował wówczas jako inżynier. W 1938 roku Philips zainwestował w silnik Stirlinga o mocy ponad dwustu koni mechanicznych i zwrocie przekraczającym 30%. Ponieważ Silnik Stirlinga ma wiele zalet, a następnie w epoce silniki parowe był powszechny.

Wady.

Zużycie materiału jest główną wadą silnika. W przypadku silników spalinowych ogólnie, aw szczególności silnika Stirlinga, płyn roboczy musi być chłodzony, co prowadzi do znacznego wzrostu masy i wymiarów elektrowni z powodu powiększonych chłodnic.

Aby uzyskać charakterystyki porównywalne z silnikiem spalinowym konieczne jest zastosowanie wysokich ciśnień (powyżej 100 atm) oraz specjalnych rodzajów płynu roboczego - wodór, hel.

Ciepło nie jest dostarczane bezpośrednio do płynu roboczego, ale tylko przez ściany wymienników ciepła. Ściany mają ograniczoną przewodność cieplną, przez co wydajność jest niższa od oczekiwanej. Gorący wymiennik ciepła pracuje w bardzo obciążających warunkach wymiany ciepła i przy bardzo wysokich ciśnieniach, co wymaga użycia wysokiej jakości i drogich materiałów. Stworzenie wymiennika ciepła, który spełniałby sprzeczne wymagania, jest bardzo trudne. Im większa powierzchnia wymiany ciepła, tym mniejsze straty ciepła. Jednocześnie zwiększa się rozmiar wymiennika ciepła i objętość płynu roboczego, który nie bierze udziału w pracy. Ponieważ źródło ciepła znajduje się na zewnątrz, silnik powoli reaguje na zmiany strumienia ciepła dostarczanego do cylindra i może nie od razu wytworzyć pożądanej mocy przy rozruchu.

Do szybkiej zmiany mocy silnika stosuje się metody inne niż stosowane w silnikach spalinowych: zbiornik buforowy o zmiennej pojemności, zmianę średniego ciśnienia płynu roboczego w komorach, zmianę kąta fazowego między tłok i wypornik. W tym drugim przypadku reakcja silnika na działanie sterujące kierowcy jest niemal natychmiastowa.

Zalety.

Jednak silnik Stirlinga ma zalety, które wymuszają jego rozwój.

„Wszystkożerność” silnika - podobnie jak wszystkie silniki o spalaniu zewnętrznym (a raczej zewnętrzne dostarczanie ciepła), silnik Stirlinga może działać przy prawie każdej różnicy temperatur: na przykład między różnymi warstwami oceanu, od słońca, od atomu lub grzejnik izotopowy, piec węglowy lub opalany drewnem itp.

Prostota konstrukcji - konstrukcja silnika jest bardzo prosta, nie wymaga dodatkowych układów, takich jak mechanizm dystrybucji gazu. Uruchamia się sam i nie potrzebuje rozrusznika. Jego charakterystyka pozwala pozbyć się skrzyni biegów. Jednak, jak wspomniano powyżej, ma większe zużycie materiału.

Zwiększone zasoby - prostota konstrukcji, brak wielu „delikatnych” jednostek pozwala Stirlingowi zapewnić niespotykane dotąd zasoby dla innych silników dziesiątek i setek tysięcy godzin ciągłej pracy.

Opłacalność – w przypadku zamiany energii słonecznej na energię elektryczną Stirlingi dają czasami większą sprawność (nawet o 31,25%) niż parowe silniki cieplne.

Bezgłośność silnika - Stirling nie ma wydechu, co oznacza, że ​​nie hałasuje. Beta Stirling z rombowym mechanizmem jest urządzeniem doskonale wyważonym i przy dość wysokiej jakości wykonania nie posiada nawet wibracji (amplituda drgań jest mniejsza niż 0,0038 mm).

Przyjazny dla środowiska - samo Stirling nie ma żadnych części ani procesów, które mogłyby przyczynić się do zanieczyszczenia środowiska. Nie zużywa płynu roboczego. Przyjazność dla środowiska silnika wynika przede wszystkim z przyjazności dla środowiska źródła ciepła. Należy również zauważyć, że w silniku o spalaniu zewnętrznym łatwiej jest zapewnić kompletność spalania paliwa niż w silniku o spalaniu wewnętrznym.

Alternatywa dla silników parowych.

W XIX wieku inżynierowie próbowali stworzyć bezpieczniejszą alternatywę silniki parowe tamtych czasów, z uwagi na fakt, że bojlery wynalezionych już silników często eksplodowały, nie mogąc wytrzymać wysokiego ciśnienia pary wodnej oraz materiałów, które wogóle nie nadawały się do ich wykonania i budowy. Silnik Stirlinga stał się dobrą alternatywą, ponieważ mógł zamienić każdą różnicę temperatur na pracę. Jest to podstawowa zasada silnika Stirlinga. Stała zmiana ogrzewania i chłodzenia płynu roboczego w zamkniętym cylindrze wprawia tłok w ruch. Zwykle powietrze działa jako płyn roboczy, ale stosuje się również wodór i hel. Ale eksperymenty przeprowadzono również z wodą. główna cecha Silnik Stirlinga z cieczą roboczą ma niewielkie rozmiary, wysokie ciśnienie robocze i dużą gęstość mocy. Jest też Stirling z dwufazowym płynem roboczym. Moc właściwa i ciśnienie robocze w nim są również dość wysokie.

Być może pamiętasz z kursu fizyki, że gdy gaz jest podgrzewany, jego objętość wzrasta, a gdy jest schładzany, maleje. To właśnie ta właściwość gazów leży u podstaw działania silnika Stirlinga. Silnik Stirlinga wykorzystuje cykl Stirlinga, który nie ustępuje cyklowi Carnota pod względem wydajności termodynamicznej, aw pewnym sensie ma nawet przewagę. Cykl Carnota składa się z nieco innych izoterm i adiabatów. Praktyczna realizacja takiego cyklu jest złożona i mało obiecująca. Cykl Stirlinga pozwolił uzyskać praktycznie działający silnik o akceptowalnych wymiarach.

W sumie w cyklu Stirlinga są cztery fazy, oddzielone dwiema fazami przejściowymi: ogrzewanie, rozprężanie, przejście do źródła zimna, ochłodzenie, sprężanie i przejście do źródła ciepła. Podczas przemieszczania się z ciepłego źródła do zimnego, gaz w butli rozszerza się i kurczy. Podczas tego procesu można uzyskać zmiany ciśnienia i pracę użyteczną. Użyteczna praca jest wytwarzana tylko przez procesy zachodzące z stała temperatura, to znaczy zależy od różnicy temperatur między grzejnikiem a chłodnicą, jak w cyklu Carnota.

Konfiguracje.

Inżynierowie dzielą silniki Stirlinga na trzy różne typy:

Podgląd - Kliknij, aby powiększyć.

Zawiera dwa oddzielne tłoki zasilające w oddzielnych cylindrach. Jeden tłok jest gorący, drugi zimny. Cylinder z gorącym tłokiem znajduje się w wymienniku ciepła o wyższej temperaturze, a cylinder z zimnym tłokiem w chłodniejszym wymienniku ciepła. Stosunek mocy do objętości jest dość duży, ale wysoka temperatura „gorącego” tłoka stwarza pewne problemy techniczne.

Betę Stirling- jeden cylinder, gorący na jednym końcu i zimny na drugim. Tłok (z którego jest odłączane zasilanie) i „wypornik” poruszają się wewnątrz cylindra, zmieniając objętość gorącej wnęki. Gaz jest pompowany z zimnej części cylindra do gorącej przez regenerator. Regenerator może być zewnętrzny, jako część wymiennika ciepła lub może być połączony z tłokiem wyporowym.

Jest tłok i „wypornik”, ale jednocześnie dwa cylindry – jeden zimny (tam porusza się tłok, z którego odłączane jest zasilanie), a drugi z jednego końca gorący, a z drugiego zimny (tzw. przemieszcza się tam „wysiedleniec”). Regenerator może być zewnętrzny, wtedy łączy gorącą część drugiego cylindra z zimną i jednocześnie z pierwszym (zimnym) cylindrem. Wewnętrzny regenerator jest częścią wypornika.