Alp22.ru

Промышленное строительство
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Двигатель стирлинга большой мощности своими руками высокооборотный

Двигатель стирлинга большой мощности своими руками высокооборотный

Можно, конечно купить красивые заводские модели двигателей Стирлинга, как например, в этом китайском интернет-магазине. Однако, иногда хочется творить самому и сделать вещь, пусть даже из подручных средств. На нашем сайте уже есть несколько вариантов изготовления данных моторов, а в этой публикации ознакомьтесь с совсем простым вариантом изготовления двигателя Стирлинга в домашних условиях.

Посмотрите ниже 3 варианта для самостоятельного изготовления.

Как изготовить дома работающий двигатель Стирлинга?

Дмитрий Петраков по многочисленным просьбам отснял пошаговую инструкцию по сборке мощного, относительно своих габаритов и потребляемого количества тепла двигателя Стирлинга. В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы – обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, автор подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

В этой модели задействованы доступные каждому зрителю и распространённые материалы, благодаря чему обзавестись ими способен любой желающий. Все размеры, представленные в этом ролике, подбирал на основе многолетнего опыта работы со Стирлингами такой конструкции, и для данного, конкретного экземпляра они являются оптимальными.

Посмотрите товары для изобретателей. Ссылка на магазин.

C чувством, толком и расстановкой. Мотор Стирлинга в работе с нагрузкой (водяная помпа).

Водяная помпа, собранная в качестве рабочего прототипа, предназначена для работы в паре с моторами Стирлинга. Особенность насоса заключается в небольших затратах энергии, требуемых для совершения им работы: такая конструкция задействует лишь небольшую часть динамического внутреннего рабочего объёма двигателя, и тем самым по минимуму влияет на его производительность.

Мотор Стирлинга из консервной банки

Для его изготовления вам понадобятся подручные материалы: банка из под консервов, небольшой кусок поролона, CD-диск, два болтика и скрепки.

Электроника для самоделок вкитайском магазине.

Поролон – одни из самых распространенных материалов, которые используются при изготовлении моторов Стирлинга. Из него делается вытеснитель двигателя. Из куска нашего поролона вырезаем круг, диаметр его делаем на два миллиметров меньше внутреннего диаметра банки, а высоту немного больше ее половины.


В центре крышки просверливаем отверстие, в которое вставим потом шатун. Для ровного хода шатуна делаем из скрепки спиральку и припаиваем ее к крышке.

Поролоновый круг из поролона пронизываем посередине винтиком и застопориваем его шайбой сверху и снизу шайбой и гайкой. После этого присоединяем путем пайки отрезок скрепки, предварительно распрямив ее.

Теперь втыкаем вытеснитель в сделанное заранее отверстие в крышке и герметично пайкой соединяем крышку и банку. На конце скрепки делаем небольшую петельку, а в крышке просверливаем еще одно отверстие, но чуть-чуть больше, чем первое.

Из жести делаем цилиндр, используя пайку.

Присоединяем с помощью паяльника готовый цилиндр к банке, так, чтобы не осталось щелей в месте пайки.

Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.


Из скрепок изготавливаем стойки под вал. Делаем мембрану. Для этого на цилиндр надеваем полиэтиленовую пленку, немного продавливаем ее внутрь и закрепляем на цилиндре ниткой.

Шатун который нужно будет приделать к мембране, изготавливаем из скрепки и вставляем его в обрезок резины. По длине шатун нужно сделать таким, чтобы в нижней мертвой точке вала мембрана была втянута внутрь цилиндра, а в высшей – напротив – вытянута. Второй шатун настраиваем так же.

Шатун с резиной приклеиваем к мембране, а другой присоединяем к вытеснителю.


Присоединяем паяльником ножки из скрепок к банке и на кривошип пристраиваем маховик. Например, можно использовать СД-диск.


Двигатель Стирлинга в домашних условиях сделан. Теперь осталось под банку подвести тепло – зажечь свечку. А через несколько секунд дать толчок маховику.

Материалы и приспособления

Сейчас мы разберем, что нам нужно взять для создания двигателя в домашних условиях. Что нам потребуется взять для стирлинга:

  • Воздушный шар.
  • Три баночки от колы.
  • Специальные клеммы, пять штучек (на 5А).
  • Ниппели для закрепления велосипедных спиц (две штучки).
  • Вата из металла.
  • Кусок проволоки из стали длиной в тридцать см и сечением 1 мм.
  • Кусок большой стальной или медной проволоки с диаметром от 1.6 до 2 мм.
  • Деревянный штырь с диаметром двадцать мм (длина один см).
  • Крышка от бутылочки (из пластика).
  • Электропроводка (тридцать см).
  • Специальный клей.
  • Вулканизированная резина (где-то 2 сантиметра).
  • Рыболовная леска (длина тридцать см).
  • Несколько грузил для балансировки (например, никелевые).
  • CD-диски (три штуки).
  • Специальные кнопки.
  • Жестяная баночка для создания топки.
  • Теплоустойчивый силикон и консервная банка для изготовления водного охлаждения.

Как сделать простой двигатель Стирлинга (с фотографиями и видео)

Давайте сделаем двигатель Стирлинга.

Мотор Стирлинга – это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой двигатель с рекуперативным тепловым двигателем с замкнутым циклом с постоянно газообразным рабочим телом.

Двигатели Стирлинга имеют более высокий КПД по сравнению с паровыми двигателями и могут достигать 50% эффективности. Они также способны бесшумно работать и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не путем внутреннего сгорания, как в случае двигателей с циклом Отто или дизельным циклом.

Двигатели Стирлинга совместимы с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, поскольку они могут становиться все более значительными по мере роста цен на традиционные виды топлива, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата.

Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

В этом проекте мы дадим вам простые инструкции по созданию очень простого двигателя

DIY
Стирлинга с использованием пробирки и шприца
.

Как сделать простой движок Стирлинга – Видео

Компоненты и шаги, чтобы сделать моторчик Стирлинга

1. Кусок лиственных пород или фанеры

Это основа для вашего двигателя. Таким образом, он должен быть достаточно жестким, чтобы справляться с движениями двигателя. Затем сделайте три маленьких отверстия, как показано на рисунке. Вы также можете использовать фанеру, дерево и т.д.

Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

2. Мраморные или стеклянные шарики

В двигателе Стирлинга эти шарики выполняют важную функцию. В этом проекте мрамор действует как вытеснитель горячего воздуха от теплой стороны пробирки к холодной стороне. Когда мрамор вытесняет горячий воздух, он остывает.

Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

3. Палки и винты

Шпильки и винты используются для удержания пробирки в удобном положении для свободного перемещения в любом направлении без каких-либо перерывов.

Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

4. Резиновые кусочки

Купите ластик и нарежьте его на следующие формы. Он используется для того, чтобы надежно удерживать пробирку и поддерживать ее герметичность. Не должно быть утечек в ротовой части пробирки. Если это так, проект не будет успешным.

Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

5. Шприц
Шприц является одной из самых важных и движущихся частей в простом двигателе Стирлинга. Добавьте немного смазки внутрь шприца, чтобы поршень мог свободно перемещаться внутри цилиндра. Когда воздух расширяется внутри пробирки, он толкает поршень вниз. В результате цилиндр шприца перемещается вверх. В то же время мрамор катится к горячей стороне пробирки и вытесняет горячий воздух и заставляет его остывать (уменьшать объем).

Читайте так же:
Холодное оружие из дерева своими руками

Как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях?

Пробирка Пробирка является наиболее важным и рабочим компонентом простого двигателя Стирлинга. Пробирка изготовлена ​​из стекла определенного типа (например, из боросиликатного стекла), обладающего высокой термостойкостью. Так что его можно нагревать до высоких температур.

Описание процесса создания

Этап 1. Подготовка баночек.

Вначале стоит взять 2 банки и отрезать у них верхнюю часть. Если верхушки будут отрезаться ножницами, полученные зазубрины придется сточить при помощи напильника.

Дальше надо вырезать дно баночки. Это можно выполнить с помощью ножа.

Этап 2. Изготовление диафрагмы.

В качестве диафрагмы можно взять воздушный шарик, который стоит усилить вулканизированной резиной. Шар надо разрезать и натянуть на баночку. Потом на центральную часть диафрагмы приклеим кусок специальной резины. После застывания клея, в центре диафрагмы пробьем дырочку для установки проволоки. Легче всего это выполнить при помощи специальной кнопки, которую можно оставить в дырке до момента сборки.

Этап 3. Разрезание и создание дырок в крышке.

В стенках крышки надо сделать два отверстия по два мм, они необходимы для установки поворотной оси рычагов. Еще одну дырочку надо сделать в донышке крышки, через него будет идти проволока, которая будет соединена с вытеснителем.

На последнем этапе крышку надо обрезать. Это делается для того, чтобы проволока вытеснителя не зацепилась за края крышки. Для таких работ можно взять хозяйственные ножницы.

В баночке надо просверлить две дырки для подшипников. В нашем случае это было выполнено сверлом 3.5 мм.

Этап 5. Изготовление смотрового окна.

В корпусе двигателя надо вырезать специальное окно. Теперь можно будет понаблюдать, как работают все узлы прибора.

Этап 6. Доработка клемм.

Необходимы взять клеммы и убрать с них пластиковую изоляцию. Потом возьмем дрель, и сделаем сквозные отверстия на краях клемм. Всего надо высверлить три клеммы. Оставим две клеммы, не просверленными.

Этап 7. Создание рычагов.

В качестве материала для изготовления рычагов берется медная проволока, диаметр которой всего 1.88 мм. Как именно подогнуть спицы, стоит посмотреть в интернете. Можно взять и стальную проволоку, просто с медной проволокой, удобнее работать.

Этап 8. Изготовление подшипников.

Чтобы сделать подшипники потребуется два велосипедных ниппеля. Диаметр дырок надо проверить. Автор просверлил их насквозь с помощью сверла на два мм.

Этап 9. Установка рычагов и подшипников.

Рычаги можно ставить прямо через смотровое окошко. Один кончик проволоки должен быть длинным, на нем будет лежать маховое колесо. Подшипники должны крепко сесть на нужные места. Если будет присутствовать люфт, их можно приклеить.

Этап 10. Делаем вытеснитель.

Вытеснитель делается из стальной ваты ля полировки. Для изготовления вытеснителя берется проволока из стали, на ней создается крючок, а потом на проволоку наматывается определенное количество ваты. Вытеснитель должен быть таким же по размерам, чтобы он спокойно перемещался в банке. Вся высота вытеснителя не должна быть больше пяти сантиметров.

В конце на одной стороне ваты надо сделать спираль из проволоки, чтобы она не выходила из ваты, а на второй стороне из проволоки делаем петлю. Потом к этой петле привяжем леску, которая впоследствии притянется через центральную часть диафрагмы. Вулканизированная резина должна быть в серединке емкости.

Этап 11. Изготовление резервуара под давлением

Надо вырезать дно банки определенным образом, чтобы осталось где-то 2.5 см от ее основы. Вытеснитель вместе с диафрагмой надо переместить в резервуар. После этого весь этот механизм переносится в конец банки. Диафрагму надо немножко натянуть, чтобы она не провисла.

Потом необходимо взять клемму, которая не была просверлена, и провести через нее леску. Узел надо приклеить так, чтобы он не передвигался. Проволоку надо качественно смазать маслом и при этом убедиться, что вытеснитель без труда протянет за собой леску.

Этап 12. Изготовление толкательных тяг.

Эти специальные тяги соединяют диафрагму и рычаги. Это производится с куска медной проволоки длиной пятнадцать см.

Этап 13. Создание и установка маховика

Для изготовления маховика берем три старых СД-диска. В качестве центра возьмем деревянный стержень. После установки маховика, стержень коленчатого вала загнем, так маховик уже не будет спадать.

Найдут ли двигатели Стирлинга применение в российской экономике?

Одним из перспективных путей решения этих задач является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе двигателей (машин) Стирлинга. Принцип работы таких двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая мощность равна максимальной мощности тепловых машин (цикла Карно). Он работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа при его охлаждении. Двигатель содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между «холодной» частью (обычно имеющей температуру окружающей среды) и «горячей» частью, которая нагревается за счет сжигания различного топлива или за счет других источников теплоты. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания (ДВПТ). Поскольку, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга процесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двигателя, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура и при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Необходимо отметить, что за рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят ДВС и газотурбинные установки (ГТУ). Так, двигатели Стирлинга фирм «Philips», «STM Inc.», «Daimler Benz», «Solo», «United Stirling» мощностью от 5 до 1200 кВт имеют к.п.д. более 42%, рабочий ресурс более 40 тыс. часов и удельную массу от 1,2 до 3,8 кг/кВт.

В мировых обзорах по энергопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как наиболее перспективный в XXI веке. Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на различных топливах, большой ресурс, хорошие характеристики крутящего момента — все это делает двигатели Стирлинга более конкурентоспособными в сравнении с ДВС.

Где могут применяться двигатели Стирлинга?

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) могут найти применение в регионах России, где нет запасов традиционных энергоносителей – нефти и газа. В качестве топлива можно использовать торф, древесину, сланцы, биогаз, уголь, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности. Соответственно, исчезает проблема с энергообеспечением многих регионов.

Такие энергетические установки экологически чисты, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания почти на два порядка ниже, чем у дизельных электростанций. Поэтому стирлинг-генераторы можно устанавливать в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии. Генератор мощностью 100 кВт может обеспечить электроэнергией и теплом любой населенный пункт с населением более 30-40 человек.

Читайте так же:
Тепловой двигатель своими руками

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга найдут широкое применение и в нефтегазовой промышленности РФ при освоении новых месторождений (особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ). В качестве топлива здесь можно использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ и газовый конденсат.

Сейчас в РФ ежегодно пропадает до 10 млрд. куб. м попутного газа. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава. Чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. В то же время его использование в качестве моторного топлива даст существенный экономический эффект.

Энергоустановки мощностью 3-5 кВт целесообразно использовать в системах автоматизации, связи и катодной защиты на магистральных газопроводах. А более мощные (от 100 до 1000 кВт) — для электро- и теплоснабжения больших вахтовых поселков газовиков и нефтяников. Установки свыше 1 тыс. кВт могут применяться на наземных и морских буровых объектах нефтегазовой промышленности.

Проблемы создания новых двигателей

Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массо-габаритные характеристики и низкий к.п.д. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат был разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с к.п.д. до 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» были созданы первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.

В России попытки создания отечественных двигателей Стирлинга предпринимались неоднократно, однако успеха не имели. Есть несколько основных проблем, сдерживающих их разработку и широкое применение.

Прежде всего это создание адекватной математической модели проектируемой машины Стирлинга и соответствующего метода расчета. Сложность расчета определяется сложностью реализации термодинамического цикла Стирлинга в реальных машинах, обусловленной нестационарностью тепломассового обмена во внутреннем контуре — вследствие непрерывного движения поршней.

Отсутствие адекватных математических моделей и методов расчета — главная причина неудач ряда зарубежных и отечественных предприятий в разработке как двигателей, так и холодильных машин Стирлинга. Без точного математического моделирования доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования.

Еще одна проблема заключается в создании конструкций отдельных узлов, сложностях с уплотнениями, регулированием мощности и т.д. Трудности конструктивного исполнения обусловлены применяемыми рабочими телами, в качестве которых используется гелий, азот, водород и воздух. Гелий, например, обладает сверхтекучестью, что диктует повышенные требования к уплотняющим элементам рабочих поршней, и т. д.

Третья проблема — высокий уровень технологии производства, необходимость применения жаростойких сплавов и металлов, новых методов их сварки и пайки.

Отдельный вопрос — изготовление регенератора и насадки для него для обеспечения, с одной стороны, высокой теплоемкости, а с другой — низкого гидравлического сопротивления.

Отечественные разработки машин Стирлинга

В настоящее время в России накоплен достаточный научный потенциал для создания высокоэффективных двигателей Стирлинга. Значительные результаты были достигнуты в ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии». Специалистами были проведены теоретико-экспериментальные исследования для разработки новых методов расчета высокоэффективных двигателей Стирлинга. Основные направления работ связаны с применением двигателей Стирлинга в когенерационных установках и системах использования теплоты отработанных газов, например в мини-ТЭЦ. В результате были созданы методики разработки и опытные образцы двигателей мощностью 3 кВт.

Особое внимание в ходе исследований уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Предлагаемые технические решения с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить экономическую эффективность применения новых двигателей по сравнению с традиционными преобразователями энергии.

Производство двигателей Стирлинга является экономически целесообразным с учетом практически неограниченного спроса на экологически чистое и высокоэффективное энергетическое оборудование как в России, так и за рубежом. Однако без участия и поддержки государства и крупного бизнеса проблема их серийного производства не может быть решена в полном объеме.

Как помочь производству двигателей Стирлинга в России?

Очевидно, что инновационная деятельность (особенно освоение базисных инноваций) — сложный и рискованный вид хозяйственной деятельности. Поэтому она должна опираться на механизм государственной поддержки, особенно «на старте», с последующим переходом на обычные рыночные условия.

Механизм создания в России крупномасштабного производства машин Стирлинга и энергопреобразующих систем на их основе мог бы включать:
— прямое долевое бюджетное финансирование инновационных проектов по машинам Стирлинга;
— косвенные меры поддержки за счет освобождения продукции, выпускаемой по стирлинг-проектам, от НДС и других налогов федерального и регионального уровней в течение первых двух лет, а также предоставление налогового кредита по такой продукции на последующие 2-3 года (учитывая, что издержки освоения принципиально новой продукции нецелесообразно включать в ее цену, т.е. в расходы производителя или потребителя);
— исключение из налогооблагаемой базы по налогу на прибыль вклада предприятия в финансирование стирлинг-проектов.

В дальнейшем, на этапе устойчивого продвижения энергетического оборудования на основе машин Стирлинга на внутреннем и внешнем рынках, восполнение капиталов для расширения производства, технического переоснащения и поддержки очередных проектов по производству новых типов оборудования может осуществляться за счет прибыли и продажи акций успешно освоенного производства, кредитных ресурсов коммерческих банков, а также привлечения иностранных инвестиций.

Можно предположить, что благодаря наличию технологической базы и накопленного научного потенциала в проектировании машин Стирлинга, при разумной финансовой и технической политике Россия может уже в ближайшем будущем стать мировым лидером в области производства новых экологически чистых и высокоэффективных двигателей.

Двигатель внешнего сгорания (двигатель Стирлинга)

Двигатель внешнего сгорания (двигатель Стирлинга)Двигатель Стирлинга — тепловая машина, работающая не только от сжигания топлива, но от любого источника тепла, например — солнечных лучей. В данной статье изложена история развития двигателя, показан принцип работы, а также приведены примеры использования этого двигателя.

История развития

21 сентября 1816 года в Эдинбурге, в Шотландии, Роберт Стирлинг патентует тепловую машину, которую называет economiser (сегодня она имеет название двигатель внешнего сгорания, или как ее еще называют, в честь изобретателя, двигатель Стирлинга). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «регенератор» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как воздух охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы.

Роберт Стирлинг

Рис.1 Роберт Стирлинг.

В начале ХІХ столетия двигатель Стирлинга был признан самой надежной паровой машиной, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей. И вдобавок существенным его преимуществом была бесшумность.

Читайте так же:
Изготовление экструдера своими руками

На 1908 год конструкционное совершенство двигателя Стирлинга разрешила ввести его во многих областях техники и экономики: для привода ткацких станков, вращение лопастных колес судов, подачи воздуха к церковным органам. Их применяли даже на молокозаводе во время производства сыра и в парикмахерской для вращения щипцов для завивки волос.

Несмотря на такой успех, к 20-ым годам ХХ столетия развитие Стирлинг-технологий прекратилось. Двигатели, которые выпускали в значительном количестве к первой мировой войне, в конце концов, были недостаточно экономическими, прежде всего из-за отсутствия пригодных для их изготовления материалов. Поэтому появление накануне войны электродвигателей и двигателей внутреннего сгорания (далее – ДВС), что были более экономическими и компактными, воспрепятствовала дальнейшему развитию двигателей Стирлинга. Тем не менее, модели небольших мощностей выпускали еще продолжительное время, до 50-ых годов.

На сегодня, благодаря появлению высокопрочных термостойких материалов, электронных систем управления и новых технологий производства, двигатель Стирлинга снова привлекает внимание специалистов. Теоретические расчеты довели, что сравнительно с ДВС, при условии применения современных материалов, он выиграет за экономическими и экологическими показателями. И, в конце концов, его ждет возрождение.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга – это поршневой двигатель с внешним подводом теплоты от любого источника, в котором рабочее тело находится в закрытом контуре и его химический состав, во время работы двигателя, не изменяется. Теоретическая эффективность использования теплоты в двигателе Стирлинга отвечает наилучшим образцам ДВС, но практически обеспечить высокий КПД двигателя Стирлинга возможно только при наличии эффективного регенератора, который утилизирует теплоту.

Удельная мощность двигателя Стирлинга (мощность на единицу рабочего объема) отвечает мощности дизеля. Продолжительная история развития двигателей с внешним подводом теплоты обусловила создание большого количества разновидностей этих двигателей. Одной из возможных конструкций двигателе Стирлинга – это расположения цилиндров под углом 90°, как изображено на рис. 2.

Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а второй охлаждается, например льдом. Цилиндры заполнены газом и соединены друг с другом, а их поршни механически связаны с помощью устройства, обеспечивающего определенный порядок их движения.

Горячая полость соединена с холодной через регенератор и охладитель. Регенератор является тепловым аккумулятором, предназначенным для предотвращения потерь теплоты. Он воспринимает теплоту рабочего тела при перетекании из горячей области в холодную и отдает ее при обратном перетекании рабочего тела. Материал регенератора должен иметь высокую теплоемкость и низкую теплопроводность, во избежание передачи теплоты к охладителю. Охладитель воспринимает основную часть теплоты, которая отводится от рабочего тела, которое обусловлено закрытым циклом двигателя Стирлинга. Сравнительно с дизелем, в систему охлаждения двигателя Стирлинга отводится вдвое больше теплоты, поэтому и производительность системы охлаждения должны быть вдвое высшей.

Двигатель Стирлинга

Рис. 2. Одна из возможных схем двигателя Стирлинга.

Во время движения поршня вверх происходит сжимание воздуха во всех полостях двигателя, рабочее тело через регенератор, где отбирает накопленную теплоту, перетекает в горячую полость. Теплоту к рабочему телу в горячей полости подводят извне сквозь стенки цилиндра, от продуктов сгорания, которые образовываются в камере сгорания. Нагревание рабочего тела в горячей полости предопределяет повышение его давления во всех соединенных между собой полостях двигателя. Под действием этого давления рабочий поршень перемещается вниз, осуществляя рабочий ход, а рабочее тело проходит регенератором, отдает ему часть теплоты, охлаждается в охладителе и подается к холодной полости. Через снижение температуры уменьшается давление. Дальше этот цикл повторяется.

Регулирование мощности может осуществляться в разные способы. Например, изменением дополнительного объема, для чего двигатель оборудуют дополнительным поршнем с винтовой передачей.

Перспективы применения двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга имеют весомые преимущества сравнительно с двигателями внутреннего сгорания, такие как: — незначительная затрата смазочных материалов;
— очень низкие выбросы основных вредных веществ, на порядок низшие чем ДВС, благодаря постоянному сгоранию топлива в благоприятных условиях;
— незначительная шумность двигателя Стиргинга, что объясняется отсутствием механизма газораспределения, а также плавным непрерывным процессом сгорания, в отличие от взрывоподобного сгорания в цилиндрах ДВС;
— небольшой объем технического обслуживания;
— а также независимость к конкретному веществу двигателя Стирлинга.

К недостаткам можно отнести громоздкость, так как делать компактные, надёжные и мощные теплообменники очень трудно.

На сегодня, изготовление двигателя Стирлинга нуждается в больших средствах, чем обычные ДВС, тем не менее, его эксплуатация — значительно экономичнее (но затратность производства можно объяснить неприспособленностью промышленности к изготовлению двигателей Стирлинга).

Исключительное свойство двигателей Стирлинга, что разрешает применять нетрадиционные топлива, например, биогаз, уголь и даже отходы деревообрабатывающей промышленности, а также использование любых других видов энергии делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников.

На автомобилях двигатели Стирлинга не приобрели распространение, через значительный удельный вес на единицу мощности, а также из-за сложности системы управления двигателем в быстроменяющихся эксплуатационных режимах. Хотя их и применяют в составе комбинированных энергетических установок, как утилизаторы теплоты выбросов ДВС.

Двигатель Стирлинга для яхты

Рис. 3. Двигатель Стирлинга для яхты.

А на таких транспортных средствах как яхты, атомные подводные лодки, космические корабли, двигатели Стрилинга применяются довольно широко. Поскольку в этом случае вес и габариты двигателя не являются решающими факторами, именно надежность определяет его роль как идеального кандидата для преобразования тепловой энергии в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга практически не нуждается в техническом обслуживании и регулировании, он может быть размещен в изолированной части корпуса, что важно в случае трудного доступа (на подводных лодках или космических кораблях). Например, NASA (National Aeronautics and Space Administration — Национальная Администрация Аэронавтики и Космонавтики США) вплотную занимается разработкой и усовершенствованием двигателей Стирлинга, успешно внедряет их в космических аппаратах, тем не менее детальная информация о таких разработках не распространяется.

Итак, развитие науки и техники обусловило образование новых “экологических ниш”, где с успехом может применяться двигатель Стирлинга.

Солнечная энергетическая установка

Рис. 4. Солнечная энергетическая установка.

В частности, на рис. 4 приведен пример солнечной энергетической установки. Довольно высокий КПД, простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга предопределяют эффективность его использования в таких системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (как источник тепла). Охладителем может быть окружающий атмосферный воздух. Имеем экологически чистый источник энергии, так необходимый в современном мире.

Возможное также применение обратного цикла Стирлинга. Если приводить двигатель Стирлинга в движение каким-нибудь внешним устройством, тогда “горячий” цилиндр будет охлаждаться, а “холодный” — будет разогреваться. Если при этом подогревать “горячий” цилиндр, например, окружающим воздухом, то “холодный” цилиндр будет разогреваться к высшей температуре. При этом внешняя энергия тратится не непосредственно на разогрев, а на “перекачивание” тепла из холодного места в теплее, что значительно эффективнее. Т.е. двигатель Стирлинга функционирует в режиме теплового насоса, и образовывает теплоту для целевого использования.

Криокулер Стирлинга также работает по принципу теплового насосу, но применяется как холодильная установка для получения очень низких температур. В широких масштабах их начали изготовлять уже 15-20 лет тому – преимущественно для использования в военной технике: на танках и самолетах необходимо было устанавливать высокочувствительные датчики и приемники, охлаждаемые до температуры -200°С. Для такого охлаждения и было разработано криокулери, работа которых основывается на обратном цикле Стирлинга.

Читайте так же:
Переходник hdmi скарт своими руками

Вообще и современная полупроводниковая электроника подошла в своем развитии к границе, обусловленной физическими законами. Дальнейшее повышение характеристик требует перехода к элементам, охлаждаемым к температурам -100°…-200°С. На мировых конференциях по электронике перспективынм на сегодня признано использования именно криокулеров Стирлинга. Модели криокулеров небольшой мощности выпускаются мелкими сериями и стоят $10000. 15000. При условии перехода к многосерийному производству можно ожидать, что цены уменьшатся в несколько раз, что сделает их использование коммерчески рентабельным, сначала в таких системах как файлы-серверы и большие компьютеры, а в перспективе и в бытовых компьютерах.

Искусственное сердце на двигателе Стирлинга

Рис. 5. Искусственное сердце

Одной из нетрадиционных областей применения двигателя Стирлинга есть медицина. Его применяют в системах искусственного сердца. Источником энергии в таких системах, как правило, есть радиоизотопы.

Когенерационная установка на базе двигателя Стирлинга

Рис. 6 Когенерационная установка на базе двигателя Стирлинга

Кроме упомянутых довольно экзотических областей применения двигателей Стирлинга, уже сейчас есть приемлемым их внедрения в когенерационных установках. На рис. 6 изображена такая установка с двигателем Стирлинга.

Когенерационные установки предназначены для полного использования энергии, которая высвобождается во время сгорания топлива. Часть этой энергии превращается в электроэнергию, остальная – в теплоту, которая используется для удовлетворения бытовых нужд. Т.е. двигатель производит электроэнергию, а теплота из его системы охлаждения, смазки и выпускной системы утилизируется и обеспечивает горячее водоснабжение, отопление помещений и т.п. Благодаря общему производству электрической и тепловой энергии в когенерационных установках обеспечивается значительная экономия топлива – до 30%.

Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установках.

В США и странах Европы, прежде всего Германии, уже начато серийное производство небольших теплоэлектрических установок с двигателем Стирлинга, например, для нужд одной семьи. Электрическая мощность установки составляет 2…9 кВт, тепловая – 8…24 кВт. Общий КПД установки достигает 92…94%,благодаря тому, что теплоту, которая не использована в двигателе, утилизировано в системе бытового теплоснабжения. Топливом для такого двигателя Стирлинга является природный газ. В конце 2001 года был изготовлен двигатель, топливом для которого служат отходы деревообрабатывающей промышленности. Теперь ведется разработка двигателя, топливом для которого станет биогаз.

Поскольку когенерационные установки с двигателями Стирлинга могут иметь небольшую мощность и применяют их преимущественно в частных домах, то производители ожидают, что, по крайней мере в Германии, спрос на них будет достигать 50000 установок на год. На 2002 год стоимость одной такой установки составляла 24000 $. С дальнейшим ростом спроса также ожидают уменьшения стоимости такой установки.

Запасы традиционного нефтяного топлива стремительно сокращаются. Газ, бензин, дизельное топливо дорожает. Поэтому применение альтернативных источников энергии – не просто перспективно, а единственно возможный способ выживания человечества. В развитых странах активно внедряют альтернативную энергетику. В частности, Швеция до 2020 года планирует полностью отказаться от традиционного топлива.

Все приведенные примеры применения двигателя Стирлинга реальные и практически реализованы. Тем не менее, до сих пор двигатели с внешним подводом теплоты не приобрели распространение, возможно, через стереотипность мышления, или инертность промышленного производства. Но современный мир изменяется, изменяются и приоритеты развития техники. Поэтому, целиком возможно, что вскоре двигатель Стирлинга придет почти в каждый дом, как тепловой двигатель, элемент системы отопления или составляющая домашнего компьютера.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

В наше время индустрия автомобилестроения достигла такого уровня развития, при котором без базовых научных принципов сложно достичь улучшения конструкции традиционных двигателей внутреннего сгорания. Это вынудило конструкторов всё больше обращать внимание на проекты альтернативных силовых установок. Инженерные центры и автоконцерны подошли к этому вопросу по-разному. Одни сосредоточились на создании адаптации к серийному выпуску электрических и гибридных моделей силовой установки. Другие делают вложения в разработку двигателей, потребляющих топливо из возобновляемых источников.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду. При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла. Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Читайте так же:
Самоделки из моторчика от машинки

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга: устройство, принципы работы и 3 модификации

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector