Silnik Stirling jest zasadą działania. Niskotemperaturowy silnik Stirlinga (zdjęcie)

Silnik Stirling, którego zasada działania różni się jakościowo od zwykłego silnika dla wszystkich ICE, była kiedyś ostatnią godną konkurencją. Przez chwilę zapominali o tym. Jak ten silnik jest używany dzisiaj, jaka jest zasada jego działania (w artykule znajdują się również rysunki silnika Stirlinga, które wyraźnie ilustrują jego pracę) i jakie są perspektywy przyszłego wykorzystania, czytaj poniżej.

Historia

W 1816 roku w Szkocji Robert Stirling, maszyna termiczna został opatentowany , nazwany dziś na cześć jego wynalazcy. Pierwsze silniki gorącego powietrza zostały wynalezione jeszcze przed nim. Ale Stirling dodał do urządzenia urządzenie czyszczące, które w literaturze technicznej nazywa się regeneratorem lub wymiennikiem ciepła. Dzięki temu osiągi silnika wzrosły, gdy urządzenie było ciepłe.

Silnik został uznany za najbardziej wytrzymały silnik parowy dostępny w tym czasie, ponieważ nigdy nie wybuchł. Wcześniej na takim silniku pojawił się taki problem. Pomimo szybkiego sukcesu, na początku XX wieku jego rozwój został porzucony, ponieważ stało się mniej ekonomiczne w porównaniu do silników spalinowych i silników elektrycznych. Jednak w niektórych branżach Stirling nadal był używany.

Zewnętrzny silnik spalinowy

Zasada działania wszystkich silników cieplnych polega na tym, że do wytwarzania gazu w stanie rozszerzonym potrzebne są większe siły mechaniczne niż przy prasowaniu zimnego. Na wizualną demonstrację można przeprowadzić eksperyment z dwoma naczyniami wypełnionymi zimną i gorącą wodą, a także butelkę. Ten ostatni jest opuszczany do zimnej wody, podłączony do korka, a następnie przenoszony na gorący. Jednocześnie gaz w butelce zaczyna pracować mechanicznie i wypycha korek. Pierwszy silnik spalinowy oparty był całkowicie na tym procesie. Jednak później twórca zdał sobie sprawę, że część ciepła może być użyta do ogrzewania. W ten sposób wydajność wzrosła znacznie. Ale nawet to nie pomogło w pracy silnika.

Później, Ericson, inżynier z Szwecji, poprawił projekt, proponując schłodzić i podgrzewać gaz pod stałym ciśnieniem zamiast objętości. W rezultacie wiele kopii zostało wykorzystanych do pracy w kopalniach, na statkach iw drukarniach. Ale dla załogi były zbyt ciężkie.

Silniki spalinowe firmy Philips

Silniki takie są następujące:

• Para;
• Turbina parowa;
• Stirling.

Ten ostatni nie rozwinął się ze względu na niską niezawodność, a pozostała nie najwyższa wydajność w porównaniu z innymi rodzajami agregatów, które pojawiły się. Jednak w 1938 roku Philips wznowił pracę. Silniki zaczęły służyć do napędzania generatorów w nieelektryfikowanych obszarach. W roku 1945 inżynierowie firmy stwierdzili, że są przeciwne: jeśli wał nie zostanie skręcony przez silnik elektryczny, to chłodzenie głowicy cylindra osiąga minus sto sto dziewięćdziesiąt stopni Celsjusza. Nastąpiło zdecydowanie użycie w agregatach chłodniczych ulepszonego silnika Stirlinga.

Zasada działania

Działaniem silnika jest praca nad cyklami termodynamicznymi, w których kompresja i rozciąganie odbywają się w różnych temperaturach. W tym przypadku kontrolę przepływu płynu roboczego realizuje się ze względu na zmieniającą się objętość (lub ciśnienie – w zależności od modelu). Jest to zasada działania większości takich maszyn, które mogą mieć różne funkcje i konstruktywne schematy. Silniki mogą być tłokowe lub obrotowe. Maszyny z ich zakładami działają jak pompy ciepła, lodówki, generatory ciśnienia i tak dalej.

Ponadto istnieją silniki o otwartym cyklu, w których sterowanie przepływem jest realizowane za pomocą zaworów. Są nazywane silnikami Ericksona, z wyjątkiem wspólnego imienia imienia Stirlinga. W ICE przydatne prace są wykonywane po wstępnym sprężaniu powietrza, wtrysku paliwa, ogrzewaniu uzyskanej mieszaniny przeplatającej się ze spalaniem i rozprężaniem.

Silnik Stirling ma tę samą zasadę działania: przy niskich temperaturach następuje ściskanie i przy wysokiej temperaturze. Ale inaczej, następuje ogrzewanie: ciepło jest dostarczane przez ścianę cylindra z zewnątrz. Dlatego też nazywano ją zewnętrznym silnikiem spalinowym. Stirling stosował okresową zmianę temperatury tłokiem tłocznym. Ten ostatni przenosi gaz z jednego cylindra do drugiego. Z jednej strony temperatura jest stale niska, a z drugiej – wysoka. Kiedy tłok przesuwa się w górę, gaz porusza się z gorąca do zimnej wnęki, a do dołu – powraca do gorącego. Po pierwsze, gaz daje dużo ciepła do lodówki, a następnie z grzejnika dostaje tyle, ile dał. Pomiędzy nagrzewnicą a lodówką znajduje się regenerator – wnęka wypełniona materiałem, na które gazy oddaje ciepło. Przy odwrotnym przepływie, regenerator zwraca je.

System propelentu jest połączony z tłokiem roboczym, który spręża gaz w niskich temperaturach i umożliwia jego rozszerzanie się w ciepło. Ze względu na kompresję w niższej temperaturze wykonywane są użyteczne prace. Cały system przechodzi przez cztery cykle z przerywanymi ruchami. Mechanizm korbowy zapewnia ciągłość. Dlatego nie są przestrzegane ostre granice pomiędzy etapami cyklu, a sprawność silnika Stirlinga nie jest ograniczona.

Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe wnioski sugerują, że ten silnik jest tłokową maszyną z zewnętrznym źródłem ciepła, gdzie płyn roboczy nie opuszcza zamkniętej przestrzeni i nie jest wymieniony. Rysunki silnika Stirling ilustrują urządzenie i zasadę jego działania.

Szczegóły pracy

Słońce, energia elektryczna, energia jądrowa lub inne źródła ciepła mogą dostarczać energii do silnika Stirlinga. Zasadą jego pracy jest użycie helu, wodoru lub powietrza. Idealny cykl ma termiczną maksymalną wydajność, równą trzydziestu czterdziestu procentach. Ale dzięki wydajnemu regeneratorowi będzie mógł pracować z większą wydajnością. Regeneracja, ogrzewanie i chłodzenie są zapewniane przez wbudowane wymienniki ciepła pracujące bez olejów. Należy zauważyć, że silnik wymaga bardzo niewielkiego smarowania. Średnie ciśnienie w cylindrze wynosi zazwyczaj od 10 do 20 MPa. W związku z tym wymaga doskonałego systemu uszczelniającego i możliwości dopływu oleju do wnęk roboczych.

Cechy porównawcze

W większości dzisiejszych silników tego typu stosuje się paliwo ciekłe. Jednocześnie można łatwo kontrolować ciągłe ciśnienie, co pomaga zredukować emisję. Brak zaworów zapewnia cichą pracę. Moc o masie porównywalnej do silników z turbodoładowaniem, a moc określona na wyjściu jest równa wskaźnikowi jednostki napędowej. Prędkość i moment obrotowy nie zależą od siebie.

Koszt wytworzenia silnika jest znacznie wyższy niż w przypadku ICE. Ale w działaniu uzyskuje się przeciwieństwo.

Korzyści

Każdy model silnika Stirling ma wiele zalet:

• Skuteczność w nowoczesnym projekcie może wynieść nawet siedemdziesiąt procent.
• Silnik nie jest wyposażony w wysokonapięciowy układ zapłonowy, wałek rozrządu i zawory. Nie będzie konieczne dostosowywanie ich przez cały okres eksploatacji.
• W Stirling nie ma eksplozji, jak w ICE, która w dużym stopniu napędza wał korbowy, łożyska i korbowody.
• Nie mają takiego wpływu, gdy mówią, że silnik zginął.
• Dzięki prostocie urządzenia można go używać przez długi czas.
• Może pracować zarówno na drewnie opałowym, jak iw paliwie jądrowym i innym paliwie.
• Spalanie odbywa się na zewnątrz silnika.

Wady

• Główną wadą projektu jest jej zużycie materiału.
• Ciało robocze musi być chłodzone, dzięki któremu wymiary znacznie wzrosną.
• Aby uzyskać równe cechy charakterystyczne dla ICE, konieczne jest stosowanie wysokiego ciśnienia.
• Do korpusu roboczego ciepło jest dostarczane przez ściany wymienników ciepła, w których występuje ograniczona przewodność cieplna.
• Aby zmienić moc silnika, zmień objętość buforu, średnie ciśnienie płynu roboczego, kąt fazowy między wypychaczem a tłokiem.

Zastosowanie

Obecnie silnik Stirling z generatorem jest używany w wielu dziedzinach. Jest to uniwersalne źródło energii elektrycznej w lodówkach, pompach, okrętach podwodnych i elektrowniach słonecznych. Dzięki różnym rodzajom paliwa można go używać szeroko.

Odrodzenie

Silniki te zaczęły się rozwijać dzięki Philipsowi. W połowie dwudziestego wieku podpisała umowę z General Motors. Prowadziła prace nad zastosowaniem Stirlinga w kosmicznych i podwodnych urządzeniach, na statkach i samochodach. Po nich kolejna firma z Szwecji, United Stirling, zaczęła je rozwijać, w tym możliwe do wykorzystania w samochodach osobowych.

Obecnie silnik liniowy Stirling jest używany w instalacjach urządzeń podwodnych, kosmicznych i słonecznych. Duże zainteresowanie nim jest ze względu na pilny charakter kwestii pogarszania się sytuacji środowiskowej oraz walki z hałasem. W Kanadzie i Stanach Zjednoczonych, Niemczech i Francji, a także w Japonii, są aktywne poszukiwania rozwoju i ulepszania jego wykorzystania.

Przyszłość

Oczywiste zalety tłoków tłokowych i silników obrotowych Stirlinga, które charakteryzują się dużą żywotnością, stosowaniem różnych paliw, bezgłośnością i niską toksycznością, sprawiają, że jest on obiecujący na tle silnika spalinowego. Jednak ze względu na fakt, że ICE uległa poprawie przez cały czas, nie można jej łatwo przesunąć. W ten czy inny sposób ten silnik zajmuje obecnie pozycję lidera i nie ma na celu przekazania ich w najbliższej przyszłości.