Статья опубликована 26.06.2014 05:56 Последняя правка произведена 26.06.2014 05:58 Двигатель внешнего сгорания Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье — «История изобретения паровых машин». А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

История создания…

Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим «экономом».

В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название — «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 % инвестировала . Поскольку двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, то в эпоху паровых машин он был широко распространён.

Суть изобретения Стирлинга

На схеме тепловой двигатель состоит из двух цилиндров компрессионного и рабочего. Левая и правая стороны удлиненного цилиндра разделены теплоизоляционной стенкой. Внутри ходит специальный вытеснительный поршень, который не соприкасается с боковыми стенками.

1. К левой стороне устройства подводится тепло, к правой – охлаждение.
2. Когда поршень движется влево, горячий воздух вытесняется в холодную правую зону и охлаждается.
3. При этом газ уменьшается объеме.
4. Рабочий поршень втягивается влево.
5. При движении вытеснительного поршня вправо холодный воздух вытесняется в горячую зону, где нагревается и расширяется.
6. Толкает рабочий поршень вправо.
7. Рабочий и вытеснительный поршни связаны между собой через коленчатый вал с углом смещения 90 градусов.

Важно: Тепловой двигатель – это механизм поршневого типа с подводом тепла от внешнего источника. Рабочее тело устройства постоянно находится в замкнутом пространстве и не подлежит замене. Для поставки необходимого количества тепла могут быть использованы следующие источники:

• электричество;
• солнце;
• ядерная энергия и пр.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью — увеличение по клику.

• Альфа-Стирлинг

— содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы. •
Бета-Стирлинг
— цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем. •
Гамма-Стирлинг
— есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Смотрите также:

• Volkswagen New Beetle
• Opel Ascona A
• Daewoo Lanos
• История дорожного знака
• BMW E65-E66
• Безвоздушные шины
• BMW Z8

Как работает тепловая машина Стирлинг

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в постоянной смене режимов – нагревание/охлаждение рабочего материала, находящегося в замкнутом пространстве. Исходя из законов физики, при нагревании газа, его объем увеличивается, а при снижении температуры, он уменьшается соответственно. Количество вырабатываемой энергии зависит от коэффициента изменения объема рабочего тела.

Под термином «рабочее тело» подразумеваются следующие вещества:

1. Воздух.
2. Пар.
3. Газ (гелий, водород, фреон, двуокись азота).
4. Жидкость (вода, сжиженный бутан или пропан).

Первые тепловые машины созданные человечеством были машинами внешнего сгорания. Они широко (для того времени) использовались в различных отраслях промышленности и на транспорте. Как правило, основой преобразования энергии газа во вращательное движение была кинематика поршневого двигателя с кривошипно-шатунным механизмом. После создания двигателей внутреннего сгорания, сфера применения двигателей с внешним подводом тепла значительно сократилась. В последнее время в связи с развитием технологии, появлением новых материалов появились перспективы реализовать потенциальные возможности двигателей внешнего сгорания. Их относительная экологическая чистота, возможность применения помимо традиционного другого разнообразного топлива или источников тепла (солнечной, ядерной энергии) меньшая шумность возродила интерес к ним.

Одним из самых конструктивно и технологически проработанным (не считая турбин) двигателем внешнего сгорания является двигатель Стирлинга, который к тому же имеет довольно высокий теоретический (до 70 %) КПД. Правда, основные модификации (альфа, бета, гамма) таких двигателей конструктивно сложны и громоздки, а схема преобразования теплоты, содержащейся в топливе, предполагает значительные потери механической энергии, и небольшую по сравнению с обычным ДВС, удельную мощность. Кроме того, сложно решить вопросы уплотнения и герметизации рабочего тела. И попытки обойти эти проблемы в существующих схемах, даже с учетом новых технологий, пока не привели к созданию конкурентоспособной с обычным ДВС силовой установки.

Авторы предлагают варианты схем построения двигателей внешнего сгорания, лишенных, на их взгляд, некоторых из вышеописанных, существенных недостатков. Такие схемы позволяют иметь высокие удельные характеристики двигателей, меньшие требования к уплотнениям, использование распространенных компонент в качестве рабочего тела и более низкие значения средних давлений цикла без потери эффективности. Тип расширительной машины и схемы построения двигателя позволяют иметь два важных свойства.

Первое – однонаправленностьпроцесса исключает потери, связанные с изменением направления движения рабочего тела. Возвратно–поступательное движение поршневой машины (большинство построенных двигателей имеет этот тип кинематики), создает и соответственное движение рабочего тела. А это, при больших паразитных объемах и на высоких частотах вращения, приводит к уменьшению перемещаемой массы рабочего тела в системе согласно тактам цикла. В существующих двигателях с возвратно поступательным движением, порции рабочего тела не могут в цикле находится более чем в двух смежных тактах. Приходится резко ограничивать объемы теплообменников и трубопроводов. Ограничение объемов теплообменников свою очередь ведет к снижению скорости теплообмена. И тогда, для построения двигателей с высокими удельными характеристиками полученных за счет значительных оборотов, надо использовать рабочее тело с большим коэффициентом теплопередачи (водород, гелий). А ограничение объемов трубопроводов приводит к большим газодинамическим потерям (уменьшение проходного сечения).

Однонаправленность, же позволяет иметь в устоявшемся режиме относительно постоянную скорость рабочего тела в системе и темне позволяет пружинить рабочим телом, что значительно уменьшает потери от паразитных объемов. Используя это свойство можно иметь в теплообменнике 2-3 «порций» рабочего тела. Отсюда, при сквозном проходе рабочего тела по закольцованному контуру, время теплообмена можно увеличить в 2-3 раза, и при этом иметь более развитую площадь теплообмена за счет больших теплообменников. А это в свою очередь увеличит и скорость теплообмена. Похожие схемы имеют двигатель Нисковских и частично Цвауэра.

Второе – параллелизм, кратно увеличивающий (при равном количестве рабочих тактов в единицу времени) время такта в цикле т.к. каждый такт в параллельных секциях происходит одновременно и синфазно, что приводит и соответственному увеличению времени теплообмена. К примеру, это время вчетверо больше, чем в существующих двигателях Стирлинга любой модификации с последовательным чередованием тактов цикла. И это качество, при равных условиях, позволяет иметь меньшую скорость рабочего тела, тем самым значительно уменьшая и газодинамические потери.

В итоге, реализуя оба свойства длительность теплообмена можно увеличить на порядок. А это – повышение удельных показателей двигателей использующих доступный газ, к примеру азот (воздух) на уровень двигателей, где в качестве рабочего тела используется вещество с большим коэффициентом передачи теплоты (водород и гелий). И поэтому появляется возможность создания относительно дешевых двигателей с высокими удельными характеристиками, с меньшими требованиями к уплотнениям, с функцией компенсации потери рабочего тела(воздух) и поддержании среднего давления цикла посредством подкачки (компрессор с независимым приводом или от двигателя, ресивер и т.д.) из атмосферы. Кроме того, более высокая масса воздуха (по сравнению с водородом), при однонаправленном движения рабочего тела, способствует накоплении энергии, чем выравниваются возникающие пульсации потока.

Естественно в качестве рабочего тела можно использовать и другие газы, а с применением водорода или гелия можно кратно увеличить удельную мощность (за счет оборотов) по отношению к существующим двигателям, до пределов механических ограничений.

Сердце данных двигателей его силовая часть, основа преобразования – роторная машина расширения (Рис.1).

Машина расширения для двигателя внешнего сгорания содержит неподвижный корпус представляющий полый цилиндр, который с торцов прикрыт крышками, ротор в виде посаженного на вал колеса и имеющего n П-образных выдвигающихся, посредством выдвижного устройства (ВУ), пластин –лопаток расположенных в спицах. Внутренняя ободная поверхность корпуса и внешняя ободная поверхность ротора образуют n синусоидальнообразных полостей с впускными и выпускными окнами каждая.

Конструктивные особенности машины расширения позволяют иметь довольно значительные объемы полостей, при небольших общих габаритах. Самым оптимальным является трехлопаточный вариант, (и при дальнейшем увеличении лопаток — кратно трем) обеспечивающий при минимальном диаметре ротора максимальное значение опорной части лопаток при их полном выдвижении, и наибольшую величину этого выдвижения.

Механизм ВУ обладает несложной кинематикой и суть вспомогательное устройство, а не элемент преобразования энергии, и служит для согласования выдвижения лопаток с углом поворота ротора. Механизм ВУ не подвергается большим динамическим нагрузкам и не является источником значительных механических потерь.

Герметизацию полостей машины расширения можно обеспечить путем лабиринтных уплотнений. В внутриободном пространстве ротора можно иметь избыточное давление без потерь КПД ( в отличии альфа модификаций, где подпоршневое давление в картере уменьшает КПД). Лопатки находятся в закрытых (изолированных от внутриободного пространства ротора) каналах расположенных в спицах с выходом только в рабочие полости и соединенных с элементами ВУ (толкателями) через легко уплотняемые штоки. Последние, в свою очередь, могут быть защищены гофрированными втулками от масла. Внутриободное пространство ротора в свою очередь должно быть отделено (не показано) от подверженного смазке около осевого пространства (где расположены элементы ВУ). В каналах лопаток (лучше с выталкивающей стороны) расположены желобки, для подвода рабочего тела к тыльной грани лопаток, что бы избежать тормозящего разряжения.

Работа машины расширения осуществляется следующим образом (Рис.2).

Рабочее тело через впускное окно подается в рабочую полость и, воздействуя на заднюю грань (по ходу вращения) лопатки, заставляет ротор вращаться. А в дальнейшем лопатка своей передней гранью выталкивает отработанное рабочее тело через выпускное окно, чем обеспечивается его прямоточное движение внутри расширительной машины.

Построение двигателя как комбинации нескольких размещенных на одном валу модулей (секций машин расширения) с подобранными объемами полостей и расположением зон нагрева и охлаждения, позволяет задать любой термодинамический цикл его работы (с учетом параметров рабочего тела, конструкционных материалов, и используемого топлива), к примеру цикл Стирлинга, Эриксона и т.д. Варианты схем построения двигателей ограниченны только рациональностью и здравым смыслом и показывают гибкость данной конструкции.

Классический цикл Стирлинга реализуется в двигателе, в котором на всех этапах цикла используется только газообразное рабочее тело с четырьмя переменными объемами и с использованием регенераторов (Рис3. схема построения).

Двигатель составлен из последовательно расположенных на одном валу секций-модулей Si (где i = 1,2…k), каждая из которых имеет N полостей определенного (условного) объема Vi. И двигатель состоит из двух четко разделенных частей. Одна – нагревается (горячая) Dh, а другая – охлаждается (холодная) Dc.. Участки корпуса и ротора, принадлежащие к разным частям, теплоизолированы друг от друга. Основные элементы Ву (кривошипы, коромысло) расположены в «холодной» части двигателя. Водило с расположенными на нем элементами, организующими качание вала выдвижного устройства, может быть общим для всех секций двигателя. А вал ВУ проходит по геометрической оси через общий полый вал роторов модулей и «поэтажно» имеет рычаги с толкателями лопаток. Этим обеспечивается синфазное выдвижение лопаток всех модулей. Каждая часть состоит из двух секций S. Соотношение объемовVполостей соответствующих секций Si (модулей), ( V1 = V2, V3 = V4для цикла Стирлинга). Выпускные окна полостей одной секции (Si)последовательно соединены трубопроводами с впускными окнами другой Si+1 (последующей по циклу). А так, как не имеет значения, из какой полости секции (Si) рабочее тело перейдет в конкретную полость следующей по циклу секции (Si+1), то можно выходы одной секции и входы следующей свести в один коллектор кольцевого типа, охватывающий двигатель и исполняющий роль теплообменника, причем значительная площадь его поверхности будет этому способствовать. В определенном месте (в соответствии с термодинамическим циклом) в разрез трубопроводов противонаправленных потоков рабочего тела вставлены вращающиеся вокруг своей оси дисковые регенераторы (регенератор) рабочеготела Rg 1. Регенераторимеет радиальное разделение его насадок на секторы теплоизоляционными продольными пластинами (в поперечном разрезе – как цитрусовые). Трубопроводы различных направлений (относительно зон нагрева и охлаждения), в разрез которых вставлен диск-кассета, чередуясь, последовательно разнесены с учетом направления вращения диска с насадками (причем на один диск могут подводится трубопроводы от нескольких полостей, или их общего коллектора). Скорость вращения диска регенератора и толщина насадок должна быть согласована со скоростью вращения ротора, с учетом привода от двигателя (возможный и независимый привод). Задавая направленность рабочего тела (подсоединением трубопроводов к соответствующим сторонам диска регенератора), можно еще использовать и резонансный эффект.

Для предотвращения потерь связанных с холостым проходом рабочего тела рабочих полостей, в модуле расширения (или в других модулях в зависимости от цикла), при нахождении лопаток в зоны перехода, нужна перекрывающая задвижка перед впускным окном соответствующего модуля. Диск регенератора также может исполнять роль запирающей задвижки, перекрывающей трубопровод в момент прохождения лопаткой зону перехода, когда соответствующий сектор будет глухо закрыт пластиной.

Нагрев рабочего тела происходит в нагревателе Hот любого источника тепла ((в представленном – горелки). Охлаждение рабочего тела в холодильнике С посредством охлаждающей жидкости с последующим отводом тепла через радиатор Rd. Нагрев и охлаждение также захватывают стенки модулей в соответствии расположении последних в определенных зонах (частях ) двигателя. Для более эффективного использования тепла рабочего тела служит и предварительный теплообменник НС 1 выравнивающий температуру отходящего и входящего потока рабочего тела. Для регулировки мощности служит золотник Z , управляемый посредством штока, и перепускной канал, соединяющий выпускной трубопровод секции S1 с впускным. Выдвигаясь, при регулировании, золотник отсекает часть потока рабочего тела выходящего из модуля «холодного» отдела и следующего в «теплый» и возвращает во входящий трубопровод данного модуля. Тем самым определяется количество рабочего тела проходящего через зону нагрева, что и соответственно влияет на изменение мощности с высокой степенью реакции.

Подвод воздуха к горелкам (для источников тепла требующих кислород) происходит посредством нагнетателя, через воздушный регенератор Rg 2( построенного аналогично Rg 1) и встроенного в противонаправленные каналы подвода воздуха и отвода отработанных газов. Тем самым идет подогрев воздуха к горелкам и уменьшаются тепловые потери. Для той же цели также используется и воздушный предварительный теплообменник НС 2. Такая обвязка позволяет максимально исключить (уменьшить) тепловые потери.

В данном исполнении термодинамический цикл, благодаря синфазности выдвижения лопаток будет более полно соответствовать теоретическому циклу Стирлинга.

Полезная работа двигателя будет

L= Pср. h (V2 –V1) – Pср.c(V3 – V4) – Lспр.

где, Pср. h — среднее давление в горячем отделе

Pср.c — среднее давление в холодном отделе

Pср. h = Pср.c *(T2 ) / (T1 ) ,

где T1 — температура (K) холодильника ( в отделе C), T2 – температура (K) нагревателя (в отделе H)

L спр. – работа сил механического, газодинамического и др. сопротивления.

Мы уже отмечали гибкость системы для построения двигателей по различным термодинамическим циклам. И, как вариант,

исключим одну малую «горячую» секцию с условным объемом V2.Образующая система с подобранными объемами V1, V3. V4. и рабочим процессом при трех тактах будет реализовывать следующий термодинамический (в теории естественно) цикл.

Это естественно, приведет к некоторой потере эффективности. Но, помимо упрощения конструкции двигателя и снижения его массогабаритных показателей, можно иметь важное преимущество. В «горячей» области в секции с условным объемом V3, давление, перед и после лопатки существенно не различимо (естественно будут определенные незначительные отклонения). Отсюда в самой термически нагруженной части двигателя значительно упрощаются требования к уплотнениям лопаток. Достаточно иметь технологические зазоры (как в турбине) между стенками рабочей полости и торцами лопатки. Это возможно, так как выдвижение лопаток согласованно с углом поворота ротора. А в оставшихся «холодной» секции с почти «комнатной» температурой, проблемы уплотнений (включая материал изготовления) решить значительно проще.

Также можно позволяют построить паровой двигатель с использованием регенераторов (общий вид рис.1).

В двигателе, в качестве рабочего тела используются две компоненты, одна постоянно пребывающая в цикле в газообразном состоянии — газовый носитель, и компоненты изменяющей свое фазовое состояние. Газовая составляющая в двухобъемном варианте, может и не является рабочим телом. Это несущая и вспомогательная субстанция позволяющая использовать регенераторы в паровой машине. И газовая составляющая изначально находится при повышенном давлении.

Для построения данного двигателя используем две секции (модуля), первая S1 с условным объемом V1 является насосом газовой составляющей, а вторая S3 с условным большим объемом V3- непосредственно машина расширения (Рис.5).

Рабочее тело (в газообразном состоянии) с газовым носителем, пройдя после расширения регенератор Rg 1, в конденсаторе-сепараторе Cs, конденсируется и становится жидкостью, а газовая составляющая попадает в малую «холодную» секцию S1 (V1).

На выходе этой секции перед регенератором или через открытый торец его обода компоненты опять смешиваются, там жидкообразная распыляется форсункой F, а газовая несущая позволяет создавать направленность потока и осуществляет перенос компоненты изменяющей фазовое состояние.

Трубопровод перед регенератором разделен камеры таким образом сначала в первой камере (по чередованию прохождения насадки) происходит смешивание компонент. Пройдя регенератор жидкая составляющая опять становится газом (паром), и поступает через нагреватель в зону расширения всекцию S3 (V3). В итоге получается паровая машина с регенераторами, где газовая составляющая является постоянной компонентой замкнутого цикла. Форсунка Fa расположенная в зоне нагрева служит для максимально быстрого изменения – акселерации (увеличения) мощности.

Если задействовать в паровой машине три секции(и более) получим более перспективное направление – двигатели, использующие смешанное двухкомпонентное рабочее тело. Здесь газовая компонента суть рабочее тело, иуже будет совершать работу, содействуя приросту КПД. Наиболее перспективным выглядит двухкомпонентный двигатель и с тремя секциями S1,S3,S4 с условными объемами V1, V3 , V4 (Рис.6).

Основным достоинством такого рабочего тела является возможность получения при существующих уровнях среднего давления рабочего тела удельной мощности, почти в 2 раза большей, чем в случае однокомпонентного газового топлива. Кроме того, процессы парообразования и конденсации, наблюдаемые при фазовом переходе компонентов, характеризуется высокими коэффициентами теплоотдачи. Поэтому процессы сжатия и расширения в большей степени приближенны к изотермическим, чем в цикле с газовым рабочим телом. Важно и то, что при этом значительно (на две-три сотни градусов) снижается максимальная температура цикла и начальное давление газообразного рабочего тела. При этом чувствительность мощности двигателя к изменению «мертвого» объема оказывается чрезвычайно низкой.

Таким образомширокий выбор вариантов построения двигателя с определенным циклом, способом организации рабочего процесса, при однонаправленном движением рабочего тела, в сочетании с простотой расширительной машины и использованием вращающихся регенераторов позволяет с помощью дешевых и доступных материалов добиться повышения КПД и удельных характеристик двигателя. Сохраняя при этом уже известные достоинства двигателей данного типа– малошумность, «всеядность», высокий крутящий момент в очень широком диапазоне частот вращения выходного вала, увеличенный ресурс и низкие затраты на обслуживание при длительной эксплуатации. А указанные способы регулирования мощности позволяют применять данный двигатель не только в качестве стационарной силовой установки, но и стать реальной альтернативой мобильным (транспортным) ДВС.

Литература.

1. Уокер Г. Пер.с англ. – М.: Машиностроение,1985.
2. Г.Т.Ридер, Ч.Хупер.. М., Наука, 1986.
3. Двигатели Стирлинга / [В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.]; под ред. М.Г. Круглова. – М.: «Машиностроение», 1977.
4. Патент РФ 2454546. Роторный преобразователь энергии и двигатель внешнего сгорания с его использованием. Чантурия И.Г., Чантурия О.Г.

О.ЧАНТУРИЯ, И.ЧАНТУРИЯ.

Сфера применения двигателей внешнего сгорания

В результате последующих усовершенствований конструкции мотора, газ нагревается/охлаждается при постоянном давлении в системе (вместо сохранения объема). Это изобретение инженера из Швеции по имени Эриксон, позволило создавать двигатели, предназначенные для использования работниками шахт, типографий, судов и пр. В пассажирских экипажах того времени тепловые двигатели не применялись, т. к. обладали сравнительно большим весом.

Двигатели внешнего сгорания часто использовались для приведения в действие генераторов в районах, где отсутствовала подача электроэнергии.

Интересно: В 1945 году изобретатели-энтузиасты компании Philips придумали обратное применение тепловых устройств. При раскручивании вала электрическим двигателем, головка цилиндра охлаждается до минус 190°С. Это дало возможность использовать усовершенствованный поршневой двигатель внешнего сгорания Стирлинга в холодильных агрегатах.

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

Скрупулёзное изучение разных подходов в генерации электричества с использованием альтернативных источников энергии вскрыли любопытную особенность. Оказывается, что при комбинации высокотемпературных солнечных концентраторов с двигателем Стирлинга, КПД системы повышается до 34%!

Начиная с 2005 года, сначала в США, затем в Испании и даже в Великобритании, начали устанавливать альтернативные генераторы электричества, для которых не требовались такие высокотехнологичные материалы как фотоэлементы. Схематично такую конструкцию можно представить как параболическое зеркало, в фокусе которой помещали генератор на двигателе Стирлинга.

Эффект был потрясающий! Такое сочетание простейших устройств практически не имело недостатков:

• Бесшумность работы;
• Отсутствие любых выбросов в атмосферу;
• Двигатели не требуют обслуживания;

Для работы в ночное время, разработчики придумали хитрую систему накопления избыточной тепловой энергии в локальных подземных теплоаккумуляторах.

Нагретый теплоноситель закачивается в небольшие подземные хранилища с высокой степенью теплоизоляции в течении светового дня. Ночью по системе изолированных трубопроводов этот теплоноситель подаётся на рабочий цилиндр генератора Стирлинга, и генерация не останавливается. Производительность снижается почти на 50%, но выработка электроэнергии идёт безостановочно круглые сутки!

Преимущество перед солнечными панелями проявлялось и в стабильности работы при переменной облачности. Ведь если Солнце закрывается облаками, то фотоэлементы резко снижаются производительность, а альтернативный генератор Стирлинга продолжает работать.

Одна такая солнечная тарелка Стирлинга на пике вырабатывает 34 кВт электроэнергии. Компания United Sun Systems с 2020 года выпустила более 20 тысяч таких устройств. Успешно функционируют серьёзные электростанции, например Imperial или Calico, которые генерируют более 800 МВт электроэнергии с самой низкой себестоимостью.

Некоторые из выпускаемых конструкцию, например SunCatcher, хорошо масштабируются, и небольшие солнечные тарелки Стирлинга мощностью 3-5 кВт устанавливаются на крышах зданий с 2010 года.

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

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.

1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
4. 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.

Водород и гелий в качестве топлива

Получение высокой мощности, конечно же, необходимо, однако нужно понимать, что использование водорода или гелия достаточно опасно. Водород, к примеру, сам по себе достаточно взрывоопасен, а при высоких температурах он создает соединения, которые называются металлогидритами. Это происходит, когда водород растворяется в металле. Другими словами, он способен разрушить цилиндр изнутри.

Кроме того, и водород, и гелий – это летучие вещества, которые характеризуются высокой проникающей способностью. Если говорить проще, то они достаточно легко просачиваются сквозь практически любые уплотнения. А потери вещества означают потери в рабочем давлении.

Недостатки

Естественно, что любое изобретение не лишено недостатков. Если говорить о минусах таких двигателей, то они заключаются в следующем:

1. Из-за того что сгорание осуществляется вне двигателя, отвод получаемого тепла происходит через стенки радиатора. Это вынуждает увеличивать габариты устройства.
2. Материалоемкость. Для того чтобы создать компактную и эффективную модель двигателя Стирлинг, необходимо иметь качественную жаропрочную сталь, которая сможет выдержать большое давление и высокую температуру. Кроме того, должна быть низкая теплопроводность.
3. В качестве смазки придется покупать специальное средство, так как обычное коксуется при высоких температурах, которые достигаются в двигателе.
4. Для получения достаточно высокой удельной мощности придется использовать либо водород, либо гелий в качестве рабочего вещества.

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована тепловая машина, названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на легковых автомобилях.

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.