Принцип работы двигателя стирлинга кратко

Обновлено: 02.07.2024

Анимация классического двигателя Стирлинга с конфигурацией β-типа, при которой рабочий и вытеснительный поршни собраны в одном цилиндре.

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело в виде газа или жидкости движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения давления. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Поиск перспективных энергосберегающих технологий, в частности использующих альтернативные и возобновляемые виды топлива – одно из основных направлений научно-технического прогресса XXI века. Однако в поисках нового не стоит забывать прежние выдающиеся достижения инженерной мысли, обретающие в нашу цифровую эпоху второе дыхание. Яркое тому подтверждение двигатель Стирлинга.

Дитя эпохи пара

Роберт Стирлинг и его двигатель

Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.

Паровоз на базе двигателя Стирлинга

Как работает двигатель Стирлинга

Первое, что бросается в глаза – простота конструкции. В состав двигателя Стирлинга (β-типа) входят два поршня – вытеснительный и рабочий, маховик, рубашка (ребра) охлаждения и теплообменный цилиндр. Чтобы ДС работал, необходим источник тепла.

Рабочий цикл протекает в четыре этапа

Первый этап. Происходит нагрев воздуха (или другого газа) в основании цилиндра. Разогретый внутри его воздух создает давление, которое заставляет рабочий поршень двигаться вверх. Вытеснительный поршень имеет одну важную особенность – неплотное прилегание к стенкам цилиндра.

Третий этап. В камере воздух остывает и сжимается, давая возможность рабочему поршню опуститься вниз.

Четвертый этап. Вытеснительный поршень движется вверх, одновременно вытесняя охлажденный воздух в основание цилиндра, после чего цикл возобновляется.

Плюсы и минусы

Первые промышленные ДС использовались в качестве водяных насосов и машин, обеспечивающих литейное производство. К началу ХХ века на предприятиях Европы работало уже более 250 тыс. вентиляторов, приводимых в действие ДС. Их КПД достигал 18%, что почти на 10 % выше КПД паровых двигателей.

Конструкция ДС чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Как следствие этого – значительный рабочий ресурс, измеряемый иногда сотнями тысяч часов непрерывной работы.

Двигатели Стирлинга очень экономичны и малошумны, что в последствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.

Определенные сложности возникают при регулировке оборотов. В частности, чтобы регулировать частоту вращения коленчатого вала, потребуется изменять показатели температуры.

Виды двигателей

Семейство двигателей Стирлинга представлено четырьмя видами – Альфа, Бета (принцип его работы описан выше), Гамма и роторным. У каждого из них свои конструкционные особенности.

У Альфа два цилиндра, один из которых оснащен охлаждающим радиатором, а в нижней его части осуществляется нагрев. В рабочих камерах обоих цилиндров установлены поршни. Усилия от поршневой группы передаются на коленчатый вал, соединенный шарниром с поршнем и вытеснителем.

У роторного ДС отсутствует КШМ, что уменьшает габариты силового агрегата. Благодаря такой конструкции значительно улучшается герметичность рабочей камеры.

Современные области применения двигателей Стирлинга

В наши дни ДС переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам. Напомним, концентрация вредных веществ в продуктах сгорания ДС на несколько порядков ниже, чем у поршневых и газотурбинных двигателей и, что не менее важно, минимальные шумы у них не превышают 60-65 дБ. Они незаменимы там, где необходимо преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Одно из перспективных направлений современной энергетики – децентрализация энергоснабжения, которое реализуется путем строительства когенерационных установок, производящих из первичного источника топлива два или несколько видов полезной энергии.

Когенерационная установка

Использование ДС в когенерационных установках позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы. КПД некоторых современных стирлинг-генераторов доходит до 95 %.

Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.

Тепловой насос на базе ТС

ДС могут работать, как холодильные установки. Некоторые компании-производители холодильников уже готовы устанавливать на свои изделия ДС, что сделает их более экономичными, а рабочим телом станет обычный воздух.

Подводная лодка класса Никкен

Солнечная электростанция с ДС

Для приведения в действие машин и механизмов используются силовые агрегаты различной конструкции. Двигатель Стирлинга является одним из силовых агрегатов внешнего сгорания. Для того чтобы понять как работает двигатель Стирлинга необходимо разобраться в его устройстве.

История создания двигателя Стирлинга

До появления силовых агрегатов Стерлинга использовались моторы, работающие на водяном пару. Такие агрегаты могут работать на твердом топливе. Паровые двигатели имеют сложную конструкцию и требуют особого обслуживания. Двигатели Стирлинга имеют простейшую конструкцию. Выполнять ремонт силовой установки можно, не имея технических знаний и особого оборудования.

Конструкция была запатентована в 1816 году. По сравнению с паровыми двигателями мотор был безопасен в использовании и имел простую конструкцию. Главным преимуществом силового агрегата является возможность использования любого вида топлива. Мотор работает от перепадов температуры.

СПРАВКА: При одинаковом объеме рабочей камеры двигатель внутреннего сгорания обладает более высокими показателями мощности.

Виды двигателей

Существует несколько видов моторов Стирлинга отличающихся по своей конструкции:

Ниже будет подробно рассмотрена конструкция каждого из видов силового агрегата.

Альфа

Конструктивно состоит из двух цилиндров. На один из цилиндров установлен охлаждающей радиатор. Второй край этого цилиндра подвергается нагреву. В каждой рабочей камере установлен отдельный поршень. Передача усилия от поршневой группы осуществляется на коленчатый вал. Коленчатый вал с поршнем и вытеснителем соединены шарнирно.

В конструкцию входит одна рабочая камера. Она одновременно подвергается нагреву и охлаждению. Нагреву подвергается один край рабочей камеры, охлаждению – второй. Под действием изменения давления воздуха или газа находящегося в рабочей камере перемещается поршень.

Гамма

Отличием конструкции являются два рабочих цилиндра отдельно стоящие друг от друга. Одна рабочая камера постоянно подвергается нагреву. На нее устанавливают радиатор охлаждения. Вторая камера постоянно охлаждённая.

Роторный двигатель Стирлинга

Отличается отсутствием кривошипно-шатунного механизма. Это уменьшает габаритно массовые параметры силового агрегата. Конструкция роторного двигателя позволяет улучшить герметичность рабочей камеры.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Мотор преобразует энергию, получаемую от источника тепла в механическую силу. В рабочей камере находится воздух или газ. Одна часть рабочей камеры оснащена радиатором охлаждения или водяной рубашкой. Это необходимо для охлаждения воздушной массы находящейся в полости цилиндра. Вторая часть подвергается нагреву.

СПРАВКА: Для нормальной работы силового агрегата подойдет любое жидкое, твёрдое или газообразное топливо.

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

Под действием высокой температуры воздуха в полости рабочей камеры нагревается и увеличивается в объеме. Увеличение объема воздуха воздействует на поршень, перемещая его в верхнюю мертвую точку;
Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень возвращается в обратном направлении. После этого цикл повторяется.

Нагревание и охлаждение воздуха в рабочей камере осуществляется при помощи вытеснителя. Он смещает воздушную массу от горячей части цилиндра к холодной и наоборот. Вытеснитель занимает большую часть объема рабочей камеры.

Область применения

Двигатели Стирлинга, работающие от внешнего источника тепла, могут применяться для изготовления:

Генераторов. При помощи силового агрегата можно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Это очень удобно в местах, где подача электричества осуществляется с перебоями или отсутствует;
Насосов для перекачки различных жидкостей.мощности силовой установки достаточно для перекачивания различных жидкостей;
Климатического оборудования;
Автомобилей и самоходной техники.

Простота конструкции позволяет использовать силовые агрегаты для создания автомобилей и различного оборудования. Работа на любом топливе позволяет использовать такие моторы в местах, где подача электроэнергии осуществляется с перебоями или отсутствует.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга внешнего сгорания имеет ряд достоинств и недостатков.

Возможность работы на разном топливе. Для нормальной работы может быть использован абсолютно любой источник тепла. В некоторых случаях применяется солнечная энергия. Для этого солнечный свет концентрируется на поверхности цилиндра;
Простота конструкции. В силовом агрегате нет большого количества комплектующих. Это делает мотор простым в эксплуатации и ремонте. Обслуживание двигателя может проводить человек, имеющий минимальные технические знания;
Минимальный уровень шума. Двигатель Стирлинга при работе издает минимальный уровень шума. Это возможно благодаря отсутствию большого количества вращающихся деталей и воспламенения топлива в рабочей камере;
Моторесурс. Минимальное количество комплектующих позволяет использовать мотор длительное время без ремонта и дополнительного обслуживания;
Экологичность. При использовании источника тепла не загрязняющего окружающую среду мотор будет экологически чист.

Большие габаритно массовые параметры. Для увеличения мощности необходимо использовать рабочую камеру и поршень большого диаметра. Это требует применения охлаждающего радиатора увеличенных размеров;

Сложность в регулировке оборотов. Для регулировки частоты вращения коленчатого вала необходимо изменять показатели температуры;
Необходимость в использовании жаропрочных материалов. Увеличение моторесурса возможно при применении материалов устойчивых к высоким температурам.

Двигатель Стирлинга своими руками

Некоторые люди задаются вопросом, как сделать двигатель Стирлинга в домашних условиях? Существует большое количество разновидностей самодельных двигателей Стирлинга. Для того чтобы создать двигатель Стирлинга не обязательно иметь чертежи и специализированные материалы. Создать силовой агрегат дома, можно из подручных материалов, не применяя специализированное сложное оборудование.

Перед сборкой необходимо определиться какой мощности будет силовая установка. Как правило, умельцы создают изделия небольшой мощности, которой хватает для вращения маленького вентилятора. Мотор изготавливается в следующей последовательности:

Рабочая камера

Создавая двигатель Стирлинга своими руками в первую очередь, изготавливают большой цилиндр. В полости этой камеры будет перемещаться вытеснитель воздуха. Он необходим для смещения воздушной массы в рабочей камере.

Камеру изготавливают из термоустойчивых материалов. Это может быть как цельная металлическая ёмкость, так и сосуд, составленный из двух частей. Соединение частей должно быть герметичным. В верхней части камеры необходимо просверлить отверстие.

ВАЖНО: Отсутствие герметичности в рабочей камере приведет к нарушению работоспособности силового агрегата. Во избежание этого необходимо герметизировать места соединения термоустойчивым герметизирующим составом.

Если камера изготавливается из двух частей, то для соединения выбирают клей или пайку. Внутренняя поверхность камеры в месте соединения не должна иметь заусенец или выпирающих частей. Это необходимо для того, чтобы не было препятствий для движения вытеснителя воздушной массы.

Вытеснитель

Перед окончательным соединением частей рабочей камеры необходимо самостоятельно изготовить вытеснитель. Это устройство, которое будет смещать воздушную массу в камере. Размеры вытеснителя должны быть меньше диаметра рабочей камеры. Между стенками камеры и вытеснителем должен быть зазор позволяющий изделию свободно перемещаться.

Для изготовления применяется поролон или другой лёгкий материал. Толщина материала выбирается исходя из внутреннего объема камеры.

После изготовления вытеснителя необходимо закрепить на нём шток. Он изготавливается из металлической проволоки диаметром 0.5 мм. Хорошо подойдет разогнутая канцелярская скрепка. Проволоку крепят к втулке из резины или другого эластичного материала. Втулку крепят к поролоновому диску. Такая конструкция позволяет создать прочное соединение.

Перед сборкой рабочей камеры необходимо продвинуть шток вытеснителя в заранее просверленное, в верхней части камеры, отверстие. Шток должен свободно перемещаться в отверстии. После установки поролонового диска герметизируется рабочая камера.

Подставка

Изготовление подставки является необязательным. Она необходима для установки силового агрегата. В подставке предусматривается место для закладки топлива. Это может быть свеча, сухое горючее, или любой другой источник тепловой энергии.

Подставка изготавливается из термостойких материалов. Хорошо подходит металлическая банка от напитков. Верхнюю часть банки срезают. В боковой части вырезают окно для загрузки топлива. Во избежание травмирования на острые срезы банки устанавливают резиновые уплотнения.

СПРАВКА: При использовании в качестве топлива сухого горючего на дно банки устанавливают металлическую площадку. Хорошо подойдет металлическая шайба толщиной 0.5 – 1 мм. Шайба крепится ко дну банки при помощи самореза или болта.

Цилиндр

Цилиндр используется для установки у него силового поршня. Полость рабочего цилиндра сообщается с полостью камеры через просверленное отверстие в верхней крышке. Соединение цилиндра с рабочей камерой должно быть герметичным. Это необходимо для предотвращения утечки воздуха из полости рабочей камеры в атмосферу.

ВНИМАНИЕ: Герметизация осуществляется путём пайки или нанесения на место соединения герметизирующих составов.

Для изготовления цилиндра используют тонкий лист металла. Из листа вырезают полосу шириной 30-35 мм. Сворачивая полосу, изготавливают цилиндр. Место соединения стенок цилиндра герметизируют при помощи пайки.

Поршень

Поршень изготавливается из пластмассы, дерева или пробки. Для исключения утечки воздуха через зазор между поршнем и цилиндром изделие оснащают мембраной. Мембрану изготавливают из полиэтиленового пакета, воздушного шара, или медицинской перчатки.

Поршень приклеивают к мембране при помощи клея. К цилиндру мембрана крепится при помощи резинки или прочной нити. В верхней части поршня устанавливают крепление для шатуна. Его изготавливают из тонкой проволоки. Крепление выполнено в виде петли с винтом, который вкручивается в поверхность поршня. К петле при помощи болта крепится шатун.

Маховик

Работа свободнопоршневого двигателя собранного своими руками будет нестабильной. Для стабилизации оборотов силового агрегата изготавливают маховик. Он стабилизирует частоту вращения за счёт силы инерции.

Маховик изготавливают из прочного материала. Хорошо подходит металлическая крышка для консервации или CD диск. В центре маховика необходимо закрепить коленчатый вал.

ВАЖНО: Коленчатый вал необходимо крепить точно в центре маховика. Смещение точки крепления приведет к разбалансировке в работе силового агрегата.

Коленчатый вал и шатун

Коленвал изготавливают из толстой металлической или медной проволоки. На коленчатом валу выполняют два изгиба. Угол между коленами должен составлять 90 градусов. На одно колено шарнирно устанавливается шатун, второй конец которого крепится к поршню. На второе колено шарнирно устанавливается шток вытеснителя.

В качестве шарниров можно использовать клеммы для соединения проводов. Для этого необходимо предварительно удалить с них зажимающие винты. Для того чтобы провести расчёт глубины колена необходимо разделить на 2 ход поршня от верхней до нижней мертвой точки.

Держатель коленчатого вала

Держатель изготавливают из металла или пластика. Можно использовать стальную, медную проволоку, стержни, трубки и т.д. Нижняя часть держателя жёстко устанавливается на корпус рабочей камеры. Для этого его приклеивают или припаивают к поверхности. В верхней части держатель шарнирно соединяется с коленчатым валом.

Вентилятор

Вместо вентилятора может быть изготовлено любое другое устройство, которому будет передаваться крутящий момент от коленчатого вала. Вентилятор изготавливают из листа металла или пластика. Перед изготовлением вентилятора на материал наносят чертеж.

После этого вырезают деталь. Во избежание получения травм острые края, полученной детали обрабатывают наждачной бумагой.

В центре вентилятора сверлят отверстие. В него устанавливают резиновую, пробковую, или любую эластичную втулку. Изготовленную деталь крепят на коленчатый вал.

ВНИМАНИЕ: Во избежание разбалансировки необходимо крепить коленчатый вал точно по центру вентилятора. Найти центр можно при помощи циркуля.

Запуск двигателя

После проверки рабочей камеры на герметичность и сборки двигателя необходимо проверить его работоспособность. Для этого:

Подобрать источник тепловой энергии. Это может быть свеча или любое другое топливо. Можно использовать сосуд с горячей водой. Для этого нижнюю поверхность рабочей камеры необходимо установить на емкость с жидкостью;
Установить изделия на подставку. На дно подставки поместить источник тепловой энергии;
На верхнюю поверхность рабочей камеры поместить кубики льда;
Раскрутить маховик вручную.

После раскручивания маховика двигатель должен начать работу. Поршень и шток вытеснителя будут попеременно воздействовать на коленчатый вал установки. Стабильную работу будет обеспечивать сила инерции маховика.

Из вышеперечисленного следует, что двигатель Стирлинга это силовой агрегат, работающий от разницы температур рабочего тела. Мотор может работать на любом виде топлива. Модель силовой установки можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Для этого не потребуется специализированных материалов и оборудования. В качестве источника питания для модели силовой установки может использоваться свеча, сухое горючее и т.п.

Новые двигатели современного автомобилестроения почти достигли своего пика, кажется уже нечего усовершенствовать. Добавление в систему ДВС турбонаддува повышает мощность, но уменьшает ресурс двигателя, оно и понятно, объем двигателя небольшой, а из него выжимают мощь, как у мотора большего объема, но без турбины. Инженеры автоиндустрии начинают перебирать все возможные направления в развитие двигателестроения. Некоторые разрабатывают супертопливо, некоторые ищут нестандартные конструкции силового агрегата, некоторые планируют создать современный двигатель на базе двигателя Роберта Стирлинга, который был создан в 19 веке. Сейчас продаются сувениры ДВС, купить двигатель Стирлинга можно и на алиэкспресс.

Схема работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга — это устройство, которое преобразует внешнюю энергию в полезную механическую. Это достигается за счет изменения температуры жидкости или газа, циркулирующие в замкнутой системе двигателя.

Кто понимает физические законы, тому легко понять принцип работы любого двигателя. Что касается данного силового агрегата, то схема его выглядит следующим образом: внизу устройства устройства находится газ, например, воздух, который нагревается и расширяясь толкает поршень. Затем горячий воздух попадает в верхнюю часть ДВС и охлаждается радиатором. Избыточное давление, которое толкало поршень снижается, и поршень опускается, затем воздух опять нагревается и поднимает поршень. Так повторяются циклы.

Три основных варианта двигателя Стирлинга

Модификация Альфа

Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.

Модификация Бета

Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.

Модификация Гамма

Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень.

Плюсы двигателя Стирлинга

Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.

Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.

Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.

Конструкция двигателя Бета

Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.

Минусы двигателя Стирлинга

Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.

Коэффициент полезного действия

КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом.

На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.

Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.

Примеры успешного применения двигателей Стирлинга

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

расширения,
сжатия,
нагрева,
охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Простота и сложность конструкции

Некоторыми инженерами двигатели Стирлинга видятся достаточно простым исполнением. Однако в реалии это достаточно сложные конструкции, работу которых объяснить сможет далеко не каждый инженер.

Источник тепла.
Газ.
Радиатор.
Поршни.

Источник тепла – любой энергетический ресурс, от сжигания угля, до тепла солнечного зеркала. Несмотря на тот факт, что двигатели Стирлинга описываются как устройства внешнего сгорания, фактически такие системы вообще не используют функцию сжигания топлива. Такому исполнению системы необходима только разница температур между источником тепла и радиатором.

По сути, допустимо управлять небольшим двигателем Стирлинга при помощи:

тепла чашки кофе,
тепла ладони руки,
температуры кубика льда.

Энергия, которую выдаёт двигатель Стирлинга, формируется от любой разницы температур между источником тепла и радиатора. Между тем следует учитывать, что малый двигатель Стирлинга содержит лишь относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Газовая составляющая

Закрытый баллон внутри машины постоянно содержит некоторый объём газа. Газовой средой может быть:

обычный воздух,
водород,
гелий,
другой газ.

При этом вещество остаётся в газообразном состоянии при нагревании и охлаждении в течение полного цикла двигателя. Единственная цель газовой составляющей — передача тепловой энергии от источника тепла к радиатору с последующим питанием поршня, который приводит машину в движение.

Радиаторная часть конструкции

Область, где горячий газ охлаждается, прежде чем возвращается к источнику тепла. Обычно конструкция радиатора представляет собой трубчатый металл, оснащённый ребристыми гранями, отводящими отработанное тепло в атмосферу.

Поршни рабочего цикла

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но практически все имеют два поршня. Этим двигатели Стирлинга отличаются от других конструкций. В классической конструкции, называемой альфа-двигателем Стирлинга, имеются два одинаковых поршня и цилиндра. Между этими деталями движутся газовые заслонки, которые нагреваются и расширяются, затем охлаждаются и сжимаются до повторения цикла.

Имеется также рабочий поршень, плотно прилегающий к цилиндру, превращающий расширение газа в полезную работу. Более крупные конструкции двигателей Стирлинга содержат рабочий поршень, как правило, имеющий тяжёлый маховик. Маховик способствует быстрому набору оборотов и обеспечивает бесперебойный рабочий процесс.

Конструкция теплообменника двигателя Стерлинга

Теплообменник (регенератор) располагается в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, часть тепла отбирается металлом теплообменника и удерживается.

По мере возвращения газа назад, тепло вновь отбирается. Без регенератора отбираемое тепло было бы потеряно в атмосфере, то есть — потрачено впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга имеют несколько теплообменников.

Аналогично паровому или автомобильному двигателю внутреннего сгорания, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серию основных операций – режим цикла.

Практически это выглядит процессом, когда газ попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках между этими фазами перемещается от горячей стороны цилиндра к холодной стороне и обратно.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа с передачей действия на привод двигателя. Затем газ сжимается, обеспечивая повторение цикла.

Детальное описание функционала

Несмотря на то, что двигатель Стирлинга проходит цикл, заканчивающийся в точке, где начинался, имеет место несимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и откладывается в теплообменнике.

Очевидно, что горячий газ выполняет определенную работу с рабочим поршнем в момент расширения, но поршень при этом выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая в начало пути.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключаются скептические представления относительно слишком сложной конструкции. Спрашивается, для чего возиться с двумя поршнями, если можно создать простой паровой двигатель на одном? Какой смысл во всех этих отдельно взятых этапах? И нельзя ли сделать всё проще?

Наглядный пример практической реализации – двигатель Стирлинга на шестнадцать цилиндров. Оригинальная современная конструкция технологичного устройства

Вразумительные ответы на такие вопросы даёт понимание теории двигателей. Действительно эффективный двигатель перемещает газ циклом процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где отмечаются:

давление,
объём,
температура газа.

Идеальный цикл, как известно, открыл физик Карно. Французу Николя Карно удалось описать повторение цикла изотермического (с постоянной температурой) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, с последующим изотермическим и адиабатическим сжатием.

Так вот, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, демонстрирующий (в идеале):

Изотермическое сжатие: объём газа уменьшается, а давление увеличивается, тепло при этом передаётся теплообменнику.
Изоволюметрический нагрев: объём газа остается постоянным в момент прохода через регенератор. При этом восстанавливается часть предыдущего тепла.
Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объём газовой составляющей увеличивается, давление уменьшается, температура остаётся постоянной.
Изоволюметрическое охлаждение: объём газа остается постоянным за счёт прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно, демонстрирует более сложную, менее идеальную версию теоретического цикла. Следует отметить: все четыре обозначенные стадии процесса жёстко не разделены, напротив, перекрывают одна другую.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Явным преимуществом двигателя Стирлинга видится более выраженная эффективность по отношению к тем же паровым системам. Исключается необходимость котлов – опасных технологически конструкций, нет нужды запасать воду и создавать сложные системы открывания / закрывания клапанов.

Следует отметить: благодаря отсутствию сложных клапанных систем, двигатели Стирлинга работают тише паровых конструкций. Учитывая возможное применение энергии, получаемой не от источников сжигания топлива, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всевозможных видах топлива.

Среди потенциальных недостатков можно отметить относительно медленный запуск. Обычно требуется время для прогрева теплообменника и маховика, чтобы разогнать систему до рабочей скорости.

Также достаточно сложно проходят процессы остановки. Конструкции требуют радиаторов больших габаритов для эффективного отвода тепла, чем несколько ограничивается применение в отдельных случаях.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Читайте также: