Принцип работы двигателя Стирлинга

Содержание:

Двигатель Стирлинга - это тепловой двигатель, который сильно отличается от двигателя внутреннего сгорания в вашем автомобиле. Изобретенный Робертом Стирлингом в 1816 году, двигатель Стирлинга обладает потенциалом быть намного более эффективным, чем бензиновый или дизельный двигатель. Но сегодня двигатели Стирлинга используются только в некоторых очень специализированных средствах, таких как подводные лодки или вспомогательные генераторы для яхт, где важна тихая работа. Хотя для двигателя Стирлинга не было успешного применения на массовом рынке, некоторые изобретатели работают над их улучшением.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания.

• Газы, используемые внутри двигателя Стирлинга, никогда не покидают двигатель. Нет выпускных клапанов, которые выпускают газы высокого давления, как в бензиновом или дизельном двигателе, и взрывов не происходит. Из-за этого двигатели Стирлинга очень тихие.

• Цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, который может быть чем угодно, от бензина до солнечной энергии и тепла, производимого разлагающимися растениями. Внутри цилиндров двигателя не происходит сгорания.

Существуют сотни способов собрать двигатель Стирлинга. В этой статье мы узнаем о цикле Стирлинга и увидим, как работают две разные конфигурации этого двигателя.

Цикл Стирлинга

Ключевой принцип двигателя Стирлинга состоит в том, что фиксированное количество газа герметизируется внутри двигателя. Цикл Стирлинга включает в себя ряд событий, которые изменяют давление газа внутри двигателя, заставляя его работать.

Существует несколько свойств газов, которые имеют решающее значение для работы двигателей Стирлинга:

• Если у вас есть фиксированное количество газа в фиксированном объеме пространства, и вы повышаете температуру этого газа, давление будет увеличиваться.

• Если у вас есть фиксированное количество газа, и вы сжимаете его (уменьшаете объем его пространства), температура этого газа будет увеличиваться.

Давайте пройдемся по каждой части цикла Стирлинга, рассматривая упрощенный двигатель Стирлинга. Наш упрощенный двигатель использует два цилиндра. Один цилиндр нагревается от внешнего источника тепла (например, огня ), а другой - от внешнего источника охлаждения (например, льда). Газовые камеры двух цилиндров соединены, а поршни механически связаны друг с другом с помощью коленчатого вала, который определяет, как они будут двигаться относительно друг друга.

В цикле Стирлинга четыре части. Два поршня в приведенной выше анимации выполняют все части цикла:

1. Тепло передается газу внутри нагретого цилиндра (слева), вызывая повышение давления. Это заставляет поршень двигаться вниз. Это та часть цикла Стирлинга, которая выполняет эту работу.

2. Левый поршень движется вверх, а правый - вниз. Это выталкивает горячий газ в охлаждаемый цилиндр, который быстро охлаждает газ до температуры источника охлаждения, понижая его давление. Это облегчает сжатие газа в следующей части цикла.

3. Поршень в охлаждаемом цилиндре (справа) начинает сжимать газ. Тепло, генерируемое этим сжатием, отводится источником охлаждения.

4. Правый поршень движется вверх, а левый - вниз. Это заставляет газ поступать в нагретый цилиндр, где он быстро нагревается, создавая давление, после чего цикл повторяется.

Двигатель Стирлинга делает полезную работу в течение первой части цикла. Существует два основных способа увеличить выходную мощность цикла Стирлинга:

• Увеличьте выходную мощность на первом этапе. В первой части цикла давление нагретого газа, толкающего поршень, выполняет работу. Увеличение давления во время этой части цикла приведет к увеличению мощности двигателя. Одним из способов повышения давления является повышение температуры газа. Когда мы посмотрим на двухпоршневой двигатель Стирлинга позже в этой статье, мы увидим, как устройство под названием регенератор может улучшить выходную мощность двигателя путем временного накопления тепла.

• Уменьшите потребление энергии на третьем этапе. В третьей части цикла поршни выполняют работу, используя часть энергии, произведенной в первой части. Понижение давления во время этой части цикла может уменьшить мощность, используемую во время этой стадии цикла (эффективно увеличивая выходную мощность двигателя). Одним из способов снижения давления является охлаждение газа до более низкой температуры.

В этом разделе описан идеальный цикл Стирлинга. Фактически работающие двигатели слегка меняют цикл из-за физических ограничений их конструкции. В следующих двух разделах мы рассмотрим несколько различных типов двигателей Стирлинга. Двигатель типа вытеснителя, вероятно, легче всего понять, поэтому мы начнем с него.

Двигатель Стирлинга дискового типа

Вместо двух поршней двигатель типа вытеснителя имеет один поршень и вытеснитель. Вытеснитель служит для управления, когда газовая камера нагревается и при охлаждении. Этот тип двигателя Стирлинга иногда используется на демонстрациях в классе. Вы даже можете купить комплект для сборки самостоятельно!

Для работы двигателя выше необходим перепад температур между верхом и низом большого цилиндра. В этом случае разницы между температурой вашей руки и воздухом вокруг нее достаточно для запуска двигателя.

На рисунке выше вы можете увидеть два поршня:

1. Силовой поршень - это меньший поршень в верхней части двигателя. Это плотно закрытый поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри цилиндра.

2. Вытеснитель - это большой поршень. Этот поршень очень свободно сидит в своем цилиндре, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретой и охлаждаемой частями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз.

• Когда вытеснитель находится вблизи верхней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя нагревается источником тепла и расширяется. Внутри двигателя создается давление, заставляющее силовой поршень подниматься вверх.

• Когда вытеснитель находится у основания большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя охлаждается и сжимается. Это приводит к падению давления, облегчая движение силового поршня и сжатие газа.

Двигатель многократно нагревает и охлаждает газ, извлекая энергию из расширения и сжатия газа. Далее мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга.

Двухпоршневой двигатель Стирлинга

В этом двигателе нагретый цилиндр нагревается от внешнего пламени. Охлаждаемый цилиндр охлаждается воздухом и имеет ребра для облегчения процесса охлаждения. Шток, идущий от каждого поршня, соединен с небольшим диском, который, в свою очередь, соединен с маховиком большего размера. Это обеспечивает движение поршней, когда двигатель не генерирует мощность.

1. В первой части цикла давление возрастает, заставляя поршень двигаться влево, выполняя работу. Охлажденный поршень остается приблизительно неподвижным, потому что он находится в точке своего вращения, где он меняет направление.

2. На следующем этапе оба поршня двигаются. Нагретый поршень перемещается вправо, а охлажденный поршень движется вверх. Это перемещает большую часть газа через регенератор и в охлаждаемый поршень. Регенератор - это устройство, которое может временно накапливать тепло - это может быть сетка из проволоки, через которую проходят нагретые газы. Большая площадь поверхности проволочной сетки быстро поглощает большую часть тепла. Это оставляет меньше тепла для удаления охлаждающих ребер.

3. Далее поршень в охлаждаемом цилиндре начинает сжимать газ. Тепло, генерируемое этим сжатием, отводится охлаждающими ребрами.

4. В последней фазе цикла оба поршня двигаются - охлажденный поршень движется вниз, а нагретый поршень движется влево. Это проталкивает газ через регенератор (где он улавливает тепло, которое хранилось там во время предыдущего цикла) и в нагретый цилиндр. В этот момент цикл начинается снова.

Почему нет массового применения двигателей Стирлинга? В следующем разделе мы рассмотрим некоторые причины этого.

Почему двигатели Стирлинга не применяются в автомобилях?

Есть несколько ключевых характеристик, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования в легковых и грузовых автомобилях.

Поскольку источник тепла является внешним, двигателю требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подаваемого на цилиндр - требуется время, чтобы тепло проходило через стенки цилиндра и нагревало газ внутри двигатель Oil Union. Это означает, что:

• Двигателю требуется некоторое время для прогрева, прежде чем он сможет вырабатывать полезную работу.

• Двигатель не может быстро изменить свою выходную мощность.

Эти недостатки почти гарантируют, что он не заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Тем не менее, гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга может быть целесообразным.

Двигатель Стирлинга принцип работы - видео

Двигатель Стирлинга с электрогенератором - видео