Двигатель внутреннего сгорания википедия: Недопустимое название — Minecraft Wiki

Как работают двигатели Стирлинга?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 28 мая 2021 г.

Двигатели используются в нашем мире с тех пор, как Промышленная революция: сначала грязные паровые машины на угле, затем более чистые и эффективные бензиновые двигатели, а в последнее время реактивные двигатели в самолетах.Основная концепция двигателя — то, что использует разницу между высокой и низкой температурой. один — не изменился за пару сотен лет, хотя иногда люди все же придумывают незначительные улучшения, которые сделайте процесс немного быстрее или эффективнее. Один двигатель ты возможно, в последнее время много слышал о двигателе Стирлинга, что немного похоже на паровой двигатель, который не использует пар! Вместо этого он нагревает, охлаждает и рециркулирует тот же воздух или газ. снова, чтобы произвести полезную мощность, которая может управлять машиной.В команде Благодаря солнечной энергии и другим новым технологиям, двигатели Стирлинга кажутся передовыми технологиями, но они действительно существуют с 1816 года. Давайте подробнее рассмотрим, как они работают!

Фото: Двигатели Стирлинга становятся все более популярными для использования Возобновляемая энергия. На этом фото вы видите массив зеркал. концентрация солнечного тепла на двигателе Стирлинга, вырабатывающем электричество. Двигатель Стирлинга установлен на крайнем правом рычаге. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Что такое двигатель?

Двигатели транспортных средств или заводских машин являются примерами того, что ученые называют тепловыми двигателями. Они горят богатое энергией топливо (уголь, бензин или что-то еще) для выпуска тепловая энергия, которая используется для производства газ расширяется и охлаждается, толкает поршень, поверните колесо и заведите машину. Двигатели бывают двух основных типов: двигатели внешнего сгорания (например, паровые двигатели) горят топливо в одном месте и производить энергию в другой части такая же машина; двигатели внутреннего сгорания (например, автомобильные) сжигать топливо и производить мощность в одном и том же месте (в автомобиле все происходит в сверхпрочных металлических цилиндрах).Оба типы двигателей полагаются на тепловую энергию, заставляя газ расширяться, а затем остыть. Чем больше разница температур (между газом при самый горячий и самый холодный), тем лучше работает двигатель. Теория того, как двигатель работает на основе науки термодинамики (буквально «как движется тепло») и теоретической модели того, как идеальные двигатели расширяются, сжимаются, нагреваются и охлаждаются. газ в серии шагов, называемых циклом.

Хорошие и плохие двигатели

Прежде, чем мы узнаем, что такого хорошего в Двигатели Стирлинга, это помогает, если мы знаем, что в них такого плохого Паровые двигатели.Как они работают? У вас есть угольный огонь, который нагревает вода, пока она не закипит и не станет паром. Пар движется по трубе к цилиндру через открытый входной клапан, где он толкает поршень и водит колесо. Затем входной клапан закрывается, а выходной клапан открывается. Импульс колеса заставляет поршень вернуться в цилиндр, где он выталкивает охлажденный нежелательный пар через выход и прочь вверх по дымовой трубе (дымоходу).

Фото: Паровозы, такие как в этом локомотиве, являются примерами. двигателей внешнего сгорания.Огонь, который обеспечивает энергию за счет горения (1), находится снаружи (вне) цилиндр, в котором тепловая энергия превращается в механическую энергию (3). Между ними есть бойлер (2), преобразующий тепловую энергию в пар. Пар действует как теплоноситель, толкая поршень (4), который перемещает колеса с помощью кривошипа (5) и приводит в движение поезд (6). Пар и тепловая энергия постоянно выбрасывается из дымовой трубы (7), что делает этот способ питания движущейся машины особенно неэффективным и неудобным.Но это было нормально в те дни, когда угля было в изобилии, и никого не волновало нанесение ущерба планете.

Проблем со steam много двигателей, но вот четыре наиболее очевидных. Во-первых, котел что заставляет пар работать под высоким давлением и есть риск что он может взорваться (взрывы котла были серьезной проблемой с очень ранней паровой двигатели). Во-вторых, котел вообще какой-то расстояние от цилиндра, поэтому энергия теряется на получение тепла от один к другому.В-третьих, пар, выходящий из дымовой трубы, все еще достаточно горячий, поэтому он содержит потерянную энергию. В-четвертых, потому что пар выбрасывается из цилиндр каждый раз, когда поршень толкает, двигатель должен потреблять огромные количества воды, а также топлива. (Вот почему у паровозов постоянно останавливаться у бортовых цистерн с водой.)

Что такое двигатель Стирлинга?

Можем ли мы разработать двигатель, который преодолеет эти проблемы? Допустим, мы избавимся от котла (что решит проблему риск взрыва) и использовать тепло от огня для питания двигатель напрямую.Тогда вместо использования пара для передачи тепловой энергии от огня к цилиндру, почему бы не поставить цилиндр ближе к огонь и используйте обычный воздух (или какой-то другой простой газ), чтобы переместить тепло энергия между ними? (Вот почему двигатели Стирлинга иногда называется двигатели горячего воздуха ). Если мы запечатаем этот воздух в закрытой трубе, то один и тот же воздух снова и снова движется вперед и назад, собирая энергию от огня и выпустив его в баллон, решаем проблему двигателя, нуждающегося в постоянной подаче воды.Наконец, почему бы и нет добавить какой-нибудь теплообменник, чтобы горячий воздух проходил обратно и далее, его энергия сохраняется внутри машины и перерабатывается в повысить общую эффективность. Это основные способы, которыми Двигатель Стирлинга лучше парового двигателя. Иногда ты увидишь Двигатели Стирлинга описываются как «замкнутый цикл регенеративного тепла. двигателей «, что является очень кратким выражением того, что мы только что сказали: замкнутый цикл означает, что они используют запечатанный объем газа для отвода тепла обратно и вперед, снова и снова, через серию бесконечно повторяющихся шагов; регенеративный просто означает, что они используйте теплообменники, чтобы сохранить часть тепла, которое в противном случае теряться в каждом цикле (бесполезно взорваться в дымовую трубу, как в паровом двигателе).

Простой или сложный?

Некоторые говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то это так же, как и великие уравнения физики (например, E = mc2) просты: они просты на поверхности, но они будут более богатыми, сложными и потенциально очень запутанными, пока вы их не разберетесь. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: много очень плохих видео на YouTube. покажите, как легко их «объяснить» очень неполным и неудовлетворительным образом.На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто построив его или наблюдая за тем, как он работает снаружи: вам нужно хорошо подумать о цикле шагов, которые он проходит, что происходит с газом внутри и чем он отличается. от того, что происходит в обычном паровом двигателе.

В любом случае, давайте посмотрим, сможем ли мы объяснить двигатель Стирлинга должным образом, сначала посмотрев на компоненты, которые он содержит, затем подумав о том, что они делают, и, наконец, посмотрим на более сложную (термодинамическую) теорию.

Фото: Маленькие компактные двигатели Стирлинга, подобные этому, могут работать от крошечных перепады тепла — даже если положиться на чьи-то руки и отвести тепло, которое они содержат. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Какие основные части двигателя Стирлинга?

Существует довольно много различных конструкций двигателей Стирлинга, и мы рассмотрим один конкретный тип, известный как вытеснительный (или вытеснительный) двигатель Стирлинга (также известный как бета-двигатель Стирлинга).Это ключевые части:

Источник тепла

Источник тепла — это источник энергии, от которого двигатель получает всю свою энергию, и это может быть что угодно, например, уголь. огонь в солнечное зеркало, концентрирующее тепло Солнца (как на нашем верхнем фото). Хотя двигатели Стирлинга описываются как двигатели внешнего сгорания, они не должны вообще использовать сжигание (фактическое сжигание топлива): они просто нужна разница в температуре источника тепла (откуда берется энергия) и радиатор (где он попадает).

Вы можете управлять маленьким двигателем Стирлинга с теплом от чашки кофе, теплая ладонь чьей-то руки или даже (к полному изумлению многих) кубик льда: энергия, которую выделяет двигатель, исходит от любой разницы в температуре между источником тепла и теплом раковина. Сказав это, стоит помнить, что с крошечным двигателем Стирлинга, приводимым в движение что-то вроде чашки кофе просто потому, что он содержит относительно небольшое количество энергии, которая очень быстро расходуется.

Иллюстрация: Основные части вытеснительного двигателя Стирлинга.

Газ

Внутри машины в закрытом баллоне постоянно находится объем газа. Это может быть обычный воздух, водород, гелий или другое легкодоступное вещество, которое остается газом, поскольку он нагревается и охлаждается в течение полного цикла двигателя (повторяющаяся серия операции, через которые он проходит). Его единственная цель — переместить тепловую энергию от источника тепла к радиатору, питая поршень, который приводит в движение машину, а затем снова вернуться к подобрать еще.Газ, передающий тепло, иногда называют рабочим телом.

Радиатор

Место, где горячий газ охлаждается перед возвратом в источник тепла. Обычно это какой-то радиатор (кусок металла с прикрепленными ребрами), который отводит отработанное тепло в атмосферу.

Поршни

Существуют различные типы двигателей Стирлинга, но я считаю, что все они имеют два поршня — это один из наиболее очевидных вещей, которые отличает их от других двигателей.В общем дизайне под названием двухпоршневой (или альфа) двигатель Стирлинга, есть два одинаковых поршня и цилиндра, а газовые челноки назад и вперед между ними, нагревание и расширение, затем охлаждение и сжатие, прежде чем цикл повторится.

В другой конструкции, показанной здесь, называемой объемным (или бета) двигателем Стирлинга, есть один полностью внутренний поршень, называемый вытеснителем (зеленого цвета), задача которого заключается в перемещении газа между источником тепла и радиатором. В отличие от обычного поршня в паровом двигателе, буйковый уровнемер устанавливается очень свободно (с небольшим свободным пространством между край поршня и стенка цилиндра), и газ обтекает его снаружи, когда он движется вперед и назад.Также есть рабочий поршень (темно-синего цвета), который плотно входит в цилиндр и превращает расширение газа в полезную работу, которая приводит в движение независимо от того, какой двигатель работает. В более крупных двигателях Стирлинга рабочий поршень обычно имеет тяжелый маховик прикреплен для наращивания импульс и поддерживать бесперебойную работу машины. Рабочий поршень и поршень буйка постоянно движутся, но они не совпадают (одна четверть цикла или 90 ° по фазе) друг с другом; они приводятся в действие одним и тем же колесом, но поршень буйка всегда на одну четверть цикла (90 °) опережает рабочего поршня.

Теплообменник

Также известный как регенератор, теплообменник находится в закрытой камере между источником тепла и радиатором. Когда горячий газ проходит мимо регенератора, он отдает часть своего тепла, за которую держится регенератор. Когда газ движется обратно, он снова улавливает это тепло. Без регенератора это тепло было бы потеряно в атмосферу и впустую. Теплообменник значительно повышает эффективность и мощность двигателя. Некоторые двигатели Стирлинга иметь несколько теплообменников.

Как работает двигатель Стирлинга?

Итого

Как паровой двигатель или двигатель внутреннего сгорания, Стирлинг двигатель преобразует тепловую энергию в механическую энергию (работу), повторяя серия основных операций, известная как ее цикл. Рассмотрим упрощенный двигатель Стирлинга буйкового типа. На самом деле это довольно запутанно и трудно понять, пока вы не поймете, что происходит именно из-за того, что газ внутри попеременно расширяется и сжимается, а в промежутках движется от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно.Работа темно-синего рабочего поршня состоит в том, чтобы использовать энергию расширения газа для приведения в действие механизма, приводимого в действие двигателем, а затем сжимать газ, чтобы цикл мог повторяться. Работа зеленого поршня буйка заключается в перемещении газа от горячей стороны цилиндра (слева) к холодной стороне (справа) и обратно. Работая в команде, два поршня гарантируют, что тепловая энергия многократно перемещается от источника к раковине и преобразуется в полезную механическую работу.

Подробнее

1. Охлаждение и сжатие: Большая часть газа (показана синими квадратами) заканчивается справа на более холодном конце цилиндра.По мере того, как он охлаждается и сжимается, отдавая часть своего тепла, которое отводится радиатором, оба поршня перемещаются внутрь (к центру).
2. Передача и регенерация: Поршень буйка перемещается вправо, а охлажденный газ перемещается вокруг него к более горячей части цилиндра слева. Объем газа остается постоянным, когда он проходит обратно через регенератор (теплообменник), чтобы забрать часть тепла, которое он ранее выделял.
3. Нагрев и расширение: Большая часть газа (показана красными квадратами) теперь находится слева в горячем конце цилиндра.Он нагревается огнем (или другим источником тепла), поэтому его давление повышается, и он расширяется, поглощая энергию. Когда газ расширяется, он толкает рабочий поршень вправо, который приводит в движение маховик и все, что приводится в действие двигателем. В этой части цикла двигатель преобразует тепловую энергию в механическую (и работает).
4. Передача и охлаждение: Поршень буйка перемещается влево, а горячий газ перемещается вокруг него к более холодной части цилиндра справа. Объем газа остается постоянным, когда он проходит через регенератор (теплообменник), отдавая часть своей энергии по пути.Теперь цикл завершен и готов к повторению.

Хотя двигатель проходит цикл, возвращаясь к тому месту, где он был запущен, это не симметричный процесс: энергия постоянно отводится от источника и откладывается в приемнике. Это происходит потому, что горячий газ объем работы над рабочим поршнем, когда он расширяется, но поршень выполняет меньше работы, сжимая охлажденный газ и возвращая его в исходное положение.

Теоретически

Теперь вы можете подумать: «Это все очень сложно! Зачем возиться с двумя поршнями, если простой паровой двигатель может обойтись только одним? Почему все эти отдельные ступени? Почему бы не упростить все это?» Чтобы правильно ответить на эти вопросы, вам необходимо понять теорию двигателей: эффективный двигатель перемещает газ через цикл процессов в соответствии с законами газа (основные законы классической физики, которые описывают, как давление, объем и температура газа относятся к).Самый известный идеализированный цикл называется циклом Карно и включает в себя повторение цикла изотермического (постоянная температура) и адиабатического (сохранение тепла) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.

Двигатель Стирлинга использует другой цикл, который (в идеале) состоит из:

1. Изотермическое (при постоянной температуре) сжатие: наш этап (1) выше, где объем газа уменьшается, а давление увеличивается, поскольку он отдает тепло в сток.
2. Изометрический (постоянный объем) нагрев: наш этап (2), описанный выше, на котором объем газа остается постоянным, поскольку он проходит обратно через регенератор и восстанавливает часть своего предыдущего тепла.
3. Изотермическое (при постоянной температуре) расширение: наш этап (3) выше, на котором газ поглощает энергию из источника, его объем увеличивается, а его давление уменьшается, в то время как температура остается постоянной.
4. Изометрическое (постоянный объем) охлаждение: наш этап (4) выше, на котором объем газа остается постоянным, когда он проходит через регенератор и охлаждается.

Настоящий двигатель Стирлинга работает по более сложной, менее идеальной версии этого цикла, которая выходит за рамки данной статьи. Достаточно просто отметить, что четыре этапа не разделены жестко, а сливаются друг с другом. Если вам интересно, об этом можно прочитать в статье Википедии о цикле Стирлинга.

Некоторые альтернативные анимации

• В Википедии есть еще одна анимация двигателя Стирлинга бета-типа (хотя и красиво нарисован, за ним трудно проследить, потому что этапы рядом не поясняются).
• MIT также имеет приятную небольшую анимацию, но сопровождающее объяснение довольно минимально.
• Лучшее из всех: на сайте есть отличная анимация и объяснение. Animated Engines, превосходный веб-сайт с множеством понятных и простых страниц, посвященных всем другим движкам, которые стоит изучить. Мне нравится, что все движки нарисованы в одном простом стиле, поэтому вы можете легко их сравнить.

Для чего можно использовать двигатели Стирлинга?

Фото: Хотя инженеры пытались установить на автомобили двигатели Стирлинга, эксперименты не увенчались успехом.Двигателю Стирлинга нужно время, чтобы набрать скорость, и он не справляется с остановкой и запуском, что делает его менее подходящим для привода автомобиля чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Мы вряд ли увидим дальнейший прогресс на этом направлении: автомобили будущего, скорее всего, будут приводиться в действие электродвигателями или топливными элементами. Фото любезно предоставлено Исследовательским центром Гленна НАСА.

Двигатели Стирлинга лучше всего работают в машинах, требующих непрерывно производить энергию, используя разницу между чем-то горячее и что-то холодное.Они идеально подходят для солнечных электростанций, где тепло Солнца играет на зеркале, которое действует как источник тепла, и высокоэффективные теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), которым необходимо обеспечивать стабильные поставки электроэнергии. Недавно пионер Segway Дин Камен помог возродить интерес к двигателям Стирлинга. используя их как основу для компактного домашнего электроснабжения генератор, названный Beacon 10, размером с бытовую стиральную машину.

В обычном двигателе Стирлинга тепло нагревается до горячий конец машины (источник тепла) и получить механическую работу и меньше тепла от другого, более холодного конца (радиатора).Как только электродвигатели могут быть реверсивно использованы как генераторы, так что вы можете поставить энергии в двигатель Стирлинга и запустить его назад, эффективно отвод тепла от радиатора и отвод его на источник. Это превращает двигатель Стирлинга в «криокулер» — очень эффективное охлаждающее устройство. Охладители двигателя Стирлинга используются в сверхпроводимость и электронное исследование.

Достоинства и недостатки двигателей Стирлинга

Фотография: Чистые, экологичные, безопасные, эффективные и компактные двигатели Стирлинга имеют множество преимущества.Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).

Самым большим преимуществом двигателей Стирлинга является то, что они намного эффективнее паровых двигателей (в основном из-за замкнутый цикл и регенеративный теплообменник). У них нет котлы, которые могут взорваться, не нуждаются в воде и не имеют сложную систему открытия и закрытия клапанов, которые пар двигатели требуют. Это одна из причин, почему они намного тише, чем паровые двигатели, и потому что они не обязательно предполагают сжигание топлива, они могут быть намного чище.В отличие от паровых двигателей, которые обычно сжигают уголь до кипения воды, двигатели Стирлинга могут работать от всех видов разные виды топлива.

С другой стороны, двигатели Стирлинга запускаются не мгновенно (это требуется время для разогрева важнейшего теплообменника и для того, чтобы маховик набирают скорость), и они не так хорошо работают в режиме остановки-старта (в отличие от внутреннего сгорания двигатели). Им также нужны большие радиаторы, способные отводить отработанное тепло, что делает их непригодными для некоторых приложений.

Кто изобрел двигатели Стирлинга?

Изображение: Эта иллюстрация оригинального двигателя Роберта Стирлинга (на основе его патента 1827 года). напоминает обычный паровой двигатель, но он более сложен.Два больших чугунные «воздушные сосуды» слева горячие внизу и холодные вверху (источник тепла и радиатор) и поршни буйка перемещаются внутри них вперед и назад. Сзади можно увидеть рабочий поршень и маховик. Произведение искусства из истории и прогресса парового двигателя Галлоуэя и Хеберта. Томас Келли, 1832 г., стр. 667.

Неудивительно, что Стирлинг двигатели были изобретены шотландским священником по имени Роберт Стирлингом в 1816 году. Он надеялся создать двигатель, который был бы более безопасным и более совершенным. эффективнее паровых двигателей, которые были разработаны примерно за столетие до этого Томас Ньюкомен (а позже улучшил Джеймсом Ваттом и другими).Рост объемов внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные двигатели) привел к Двигатели Стирлинга не использовались, хотя Компания Philips в середине 20 века. Совсем недавно они становятся популярными на солнечных электростанциях и других формах возобновляемых источников энергии. энергии, где ценится их более высокая эффективность. Технология получил новый импульс в 1980-х, когда Иво Колин из Загребского университета и Джеймс Сенфт из Висконсинского университета разработали новый, очень компактная конструкция двигателя Стирлинга, который может производить мощность с небольшими различиями между источник тепла и радиатор.

Узнать больше

На сайте

Статьи

Новости

• Металлический порошок: новое безуглеродное топливо? Александр Хеллеманс, IEEE Spectrum, 16 декабря 2015 г. Как двигатели Стирлинга топливо) может сыграть свою роль в чистом, зеленом будущем.
• Дин Камен думает, что его новый двигатель Стирлинга избавит вас от сети менее чем за 10 тысяч долларов от Кристофера Хелмана. Forbes, 2 июля 2014 г. Краткое знакомство с генератором Камена Beacon 10.
• Новый ядерный двигатель может способствовать исследованию дальнего космоса Адам Манн. Wired, 27 ноября 2012 г. НАСА исследует ядерный двигатель Стирлинга, который может приводить в действие космические зонды в местах, где солнечный свет (и солнечная энергия) недоступен.
• Ford Motors испытывает потенциальный двигатель будущего, Ричард Уиткин. The New York Times, 3 ноября 1975 года. Отчет из архива Times о первых испытаниях двигателей Стирлинга Фордом.
• Empire Off The Grid Салли Ади. IEEE Spectrum, 31 июля 2009 г.Как двигатели Стирлинга и возобновляемые источники энергии помогают Дину Камену жить автономно на его собственном частном острове.

Больше академического

• Двигатель Стирлинга Грэма Уокера, Scientific American, Vol. 229, № 2 (август 1973 г.), стр. 80–87. Хорошие иллюстрации различных конфигураций Стирлинга, включая Ванкеля, Ринию и другие варианты.
• Двигатель Стирлинга: «Циклическая жизнь» старой технологии Райнхольда Бауэра, Icon, Vol. 15 (2009), стр.108–118. Почему двигатели Стирлинга так и не получили коммерческого успеха? Перспективы для них сейчас лучше?

Книги

Двигатели Стирлинга

Термодинамика двигателя

• Двигатели: Введение Джона Лиска Ламли. Cambridge University Press, 1999. Хотя здесь основное внимание уделяется двигателям внутреннего сгорания, это будет интересно, если вы ищете термодинамический подход к анализу двигателей.
• «Термодинамика для чайников» Майка Паукена.Джон Вили и сыновья. Простое введение в теорию термодинамики и ее практическое применение в таких вещах, как двигатели.

Видео

• Пример двигателя Стирлинга: 2-минутная демонстрация реального двигателя Стирлинга бета-типа, подобного показанному в моей анимации выше.
Двигатель Стирлинга
• : разбираем один: Дэн Рохас разбирает двигатель Стирлинга и показывает вам различные детали внутри. Это видео станет еще более понятным, если вы поймете теорию двигателей Стирлинга.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2012, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Сохранить или поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом своим друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2012) Двигатели Стирлинга. Получено с https://www.explainthatstuff.com/how-stirling-engines-work.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

— — Wiki English

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который приводится в действие за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочая жидкость ) при различных температурах, что приводит к чистому преобразованию тепла. энергия на механическую работу. ^{[1] [2]} Более конкретно, двигатель Стирлинга является регенеративным тепловым двигателем замкнутого цикла с постоянной газообразной рабочей жидкостью. Замкнутый цикл в данном контексте означает термодинамическую систему, в которой рабочая жидкость постоянно содержится в системе, а регенеративная описывает использование внутреннего теплообменника и накопителя тепла определенного типа, известного как регенератор . . Строго говоря, включение регенератора — это то, что отличает двигатель Стирлинга от других двигателей с горячим воздухом замкнутого цикла. ^[3]

Первоначально задуманный в 1816 году Робертом Стирлингом ^[4] как промышленный первичный двигатель, способный конкурировать с паровым двигателем, его практическое использование в основном ограничивалось маломощными бытовыми приложениями на протяжении более века. ^[5] Однако современные инвестиции в возобновляемые источники энергии, особенно солнечную, повысили эффективность концентрированной солнечной энергии.

История

Ранние двигатели с горячим воздухом

Роберт Стирлинг считается одним из отцов двигателей горячего воздуха, несмотря на некоторых более ранних предшественников — особенно Гийома Амонтона ^[6] — которому в 1699 году удалось построить первый работающий двигатель горячего воздуха. ^{[ необходима ссылка ]}

Позже за Стирлингом последовал Кэли. ^[7] Этот тип двигателя был из тех, в которых огонь был замкнутым и питался воздухом, закачиваемым под решетку в количестве, достаточном для поддержания горения, в то время как большая часть воздуха попадает над огнем, чтобы быть с подогревом и расширением; все вместе с продуктами сгорания затем воздействует на поршень и проходит через рабочий цилиндр; и операция представляет собой только простую смесь, поверхность нагрева металла не требуется, воздух, который необходимо нагреть, приводится в непосредственный контакт с огнем. ^{[необходима ссылка ]}

Стирлинг разработал первый воздушный двигатель в 1816 году. ^[8] Принцип действия воздушного двигателя Стирлинга отличается от принципа работы сэра Джорджа Кэли (1807), в котором воздух нагнетается. через топку и откачивается, тогда как в двигателе Стирлинга воздух работает по замкнутому контуру. Именно ей изобретатель уделял больше всего внимания. ^{[необходима ссылка ]}

Двигатель мощностью 2 лошадиных силы (1,5 кВт), построенный в 1818 году для откачки воды в карьере Эйршира, продолжал работать некоторое время, пока неосторожный помощник не позволил обогревателю перегреться.Этот эксперимент доказал изобретателю, что из-за доступного низкого рабочего давления двигатель может быть адаптирован только для малых мощностей, на которые в то время не было спроса. ^{[необходима ссылка ]}

Патент Стирлинга 1816 ^[9] также был посвящен «экономайзеру», который является предшественником регенератора. В этом патенте (№ 4081) он описывает технологию «экономайзера» и несколько приложений, в которых такая технология может быть использована. Из них вышло новое устройство для двигателя горячего воздуха. ^{[необходима ссылка ]}

Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом в 1827 году запатентовал второй двигатель горячего воздуха. добавили насос сжатого воздуха, чтобы давление воздуха внутри могло быть увеличено примерно до 20 стандартных атмосфер (2000 кПа). ^{[необходима ссылка ]}

Вскоре после (1828 г.) за двумя братьями Стирлинг последовали Паркинсон и Кроссли ^[11] и Арнотт ^[12] в 1829 году. ^{[необходима ссылка ]}

Эти предшественники, к которым следует добавить Ericsson ^[13] , принесли миру технологию двигателей с горячим воздухом и их огромные преимущества по сравнению с паровыми двигателями. У каждого из них была своя собственная технология, и хотя двигатель Стирлинга и двигатели Паркинсона и Кроссли были очень похожи, Роберт Стирлинг отличился изобретением регенератора. ^{[необходима ссылка ]}

Паркинсон и Кросли ввели принцип использования воздуха большей плотности, чем плотность атмосферы, и таким образом получили двигатель большей мощности в том же компасе.Джеймс Стирлинг последовал этой же идее, когда построил знаменитый двигатель Данди. ^[14]

Патент Стирлинга 1827 года лег в основу третьего патента Стирлинга 1840 года. ^[15] Изменения по сравнению с патентом 1827 года были незначительными, но существенными, и этот третий патент привел к созданию двигателя Данди. ^[16]

Джеймс Стирлинг представил свой двигатель Институту инженеров-строителей в 1845 году. ^[17] Первый двигатель такого типа, который после различных модификаций был эффективно сконструирован и подогрет, имел цилиндр 30 сантиметров. (12 дюймов) в диаметре, с длиной хода 60 сантиметров (2 фута) и совершал 40 движений или оборотов в минуту (40 об / мин).Этот двигатель перемещал все оборудование на заводах Dundee Foundry Company в течение восьми или десяти месяцев, и ранее было обнаружено, что он способен поднимать 320 000 кг (700 000 фунтов) 60 см (2 фута) за минуту, что составляет примерно 16 киловатт (21 лошадиную силу). ). ^{[необходима ссылка ]}

Обнаружив, что этой мощности недостаточно для своих работ, Dundee Foundry Company построила второй двигатель с цилиндром диаметром 40 сантиметров (16 дюймов), ходом 1,2 метра (4 фута), и совершает 28 ударов в минуту.Когда этот двигатель проработал в непрерывном режиме более двух лет, он не только наиболее удовлетворительно выполнял работу литейного цеха, но и был испытан (с помощью фрикционного тормоза на третьем двигателе) до степени подъема почти 687 тонн (1 500 000 фунтов), мощность около 34 киловатт (45 лошадиных сил). ^{[необходима ссылка ]}

Это дает потребление 1,2 килограмма (2,7 фунта) на каждую лошадиную силу в час; но когда двигатель не был полностью нагружен, потребление было значительно меньше 1.1 килограмм (2,5 фунта) на каждую лошадиную силу в час. Эта производительность была на уровне лучших паровых машин, КПД которых составлял около 10%. После Джеймса Стирлинга такая эффективность была возможна только благодаря использованию экономайзера (или регенератора). ^{[необходима ссылка ]}

Изобретение и ранняя разработка

Двигатель Стирлинга (или воздушный двигатель Стирлинга, как его называли в то время) был изобретен и запатентован в 1816 году. ^[18] Он последовал за более ранними попытками сделать пневматический двигатель, но, вероятно, он был первым, кто нашел практическое применение, когда в 1818 году двигатель, построенный Стирлингом, использовался для перекачивания воды в карьере. ^[19] Основным предметом первоначального патента Стирлинга был теплообменник, который он назвал «экономайзером» за повышение экономии топлива в различных областях применения. В патенте также подробно описано использование одной из форм экономайзера в его уникальной конструкции воздушного двигателя замкнутого цикла ^[20] , в которой он теперь широко известен как «регенератор». Последующая разработка Робертом Стирлингом и его братом Джеймсом, инженером, привела к получению патентов на различные улучшенные конфигурации исходного двигателя, включая наддув, который к 1843 году имел достаточно увеличенную выходную мощность, чтобы приводить в действие все механизмы на чугунолитейном заводе в Данди. ^[21]

В документе, представленном Джеймсом Стирлингом в июне 1845 года Институту инженеров-строителей, говорилось, что его цели заключались не только в экономии топлива, но и в создании более безопасной альтернативы паровым двигателям того времени, ^{[22 ]} , котлы которого часто взрывались, что приводило к множеству травм и смертей. ^{[23] [24]} Однако это оспаривается. ^[25]

Необходимость в двигателях Стирлинга работать при очень высоких температурах для максимизации мощности и эффективности выявила ограничения в материалах того времени, и несколько двигателей, которые были построены в те первые годы, терпели неприемлемо частые отказы (хотя и гораздо менее катастрофические последствия, чем взрывы котлов). ^[26] Например, литейный двигатель в Данди был заменен паровым после трех отказов горячего цилиндра за четыре года. ^[27]

Позже девятнадцатого века

После замены литейного двигателя Данди нет никаких свидетельств того, что братья Стирлинги в дальнейшем участвовали в разработке пневматических двигателей, а двигатель Стирлинга больше никогда не конкурировал с паром в качестве промышленного двигателя. масштабный источник питания. (Паровые котлы становились безопаснее, например.грамм. паровой котел Hartford ^[28] и паровые двигатели более эффективны, таким образом представляя меньшую цель для конкурирующих первичных двигателей). Однако, начиная примерно с 1860 года, двигатели меньшего размера типа Стирлинга / горячего воздуха производились в значительном количестве для применений, в которых требовались надежные источники малой и средней мощности, такие как перекачка воздуха для церковных органов или подъем воды. ^[29] Эти двигатели меньшего размера обычно работали при более низких температурах, чтобы не облагать налогом доступные материалы, и поэтому были относительно неэффективными.Их аргумент заключался в том, что, в отличие от паровых двигателей, ими мог безопасно управлять любой, кто способен справиться с пожаром. В каталоге Rider-Ericsson Engine Co. 1906 года утверждалось, что «любой садовник или рядовой домработник может управлять этими двигателями, и никаких лицензированных или опытных инженеров не требуется». ^{[ необходима цитата ]} Несколько типов оставались в производстве после конца века, но, за исключением нескольких незначительных механических усовершенствований, конструкция двигателя Стирлинга в целом в течение этого периода не развивалась. ^[30]

Возрождение 20-го века

В начале 20-го века роль двигателя Стирлинга как «домашнего двигателя» ^[31] постепенно перешла к электрическому двигатели и малые двигатели внутреннего сгорания. К концу 1930-х годов о нем почти забыли, и его производили только для игрушек и нескольких небольших вентиляторов. ^[32]

Примерно в то время Philips стремилась расширить продажи своих радиоприемников в те части мира, где электросеть и батареи не были постоянно доступны.Руководство Philips решило, что предложение портативного генератора малой мощности будет способствовать таким продажам, и попросило группу инженеров исследовательской лаборатории компании в Эйндховене оценить альтернативные способы достижения этой цели. После систематического сравнения различных первичных двигателей команда решила продолжить разработку двигателя Стирлинга, сославшись на его тихую работу (как на слух, так и с точки зрения радиопомех) и способность работать от различных источников тепла (обычное масло для ламп — » дешево и доступно везде »- пользовались большим успехом). ^[33] Они также знали, что, в отличие от паровых двигателей и двигателей внутреннего сгорания, в течение многих лет практически не проводились серьезные опытно-конструкторские работы по двигателю Стирлинга, и они утверждали, что современные материалы и ноу-хау должны способствовать значительным улучшениям. ^[34]

К 1951 году генераторная установка мощностью 180/200 Вт, обозначенная как MP1002CA (известная как «Комплект бунгало»), была готова к производству, и планировалась первая партия в 250 штук, но вскоре стало ясно, что они не могут производиться по конкурентоспособной цене.Кроме того, появление транзисторных радиоприемников и их гораздо более низкое энергопотребление означало, что первоначальное обоснование для этого набора исчезло. В итоге было произведено около 150 таких наборов. ^[35] Некоторые из них поступили на инженерные факультеты университетов и колледжей по всему миру, давая поколениям студентов ценное представление о двигателе Стирлинга; письмо от марта 1961 года от Research and Control Instruments Ltd. London WC1 техническому колледжу Северного Девона, предлагающее «оставшиеся запасы»…. таким организациям, как вы … по специальной цене 75 фунтов стерлингов «. ^{[ цитата: ]}

Параллельно с набором Bungalow Philips разработала экспериментальные двигатели Стирлинга для самых разных применений и продолжила работать в этой области до конца 1970-х годов, но достигли коммерческого успеха только с криокулером с «реверсивным двигателем Стирлинга». Однако они зарегистрировали большое количество патентов и накопили большой объем информации, которую они передали другим компаниям по лицензии и которая сформировала основу многих разработок в современную эпоху. ^[36]

В 1996 году шведский флот принял в эксплуатацию три подводные лодки типа «Готланд». На поверхности эти лодки приводятся в движение судовыми дизельными двигателями. Однако, когда они погружены в воду, они используют генератор с приводом Стирлинга, разработанный шведским судостроителем Kockums, для подзарядки батарей и обеспечения электрической энергией для движения. ^[37] Подача жидкого кислорода предназначена для поддержки сжигания дизельного топлива для питания двигателя. Двигатели Стирлинга также устанавливаются на шведские подводные лодки класса Södermanland, подводные лодки класса Archer, находящиеся на вооружении в Сингапуре, и лицензированные Kawasaki Heavy Industries для японских подводных лодок класса Sōryū.Преимущество двигателя Стирлинга в подводной лодке состоит в том, что он работает исключительно тихо. ^{[необходима ссылка ]}

Основной компонент микрогенераторов тепла и электроэнергии (ТЭЦ) может быть образован двигателем цикла Стирлинга, поскольку они более эффективны и безопасны, чем сопоставимые паровые двигатели. К 2003 году блоки ТЭЦ были коммерчески установлены в бытовых приложениях. ^[38]

На рубеже 21 века двигатели Стирлинга использовались в антенной версии систем Concentrated Solar Power.Зеркальная тарелка, похожая на очень большую спутниковую тарелку, направляет и концентрирует солнечный свет на тепловом приемнике, который поглощает и собирает тепло и с помощью жидкости передает его в двигатель Стирлинга. Полученная механическая энергия затем используется для запуска генератора или генератора переменного тока для производства электроэнергии. ^[39]

В 2013 году была опубликована статья о законах масштабирования свободнопоршневых двигателей Стирлинга на основе шести характеристических безразмерных групп. ^[40]

Название и классификация

Роберт Стирлинг запатентовал первый практический пример двигателя горячего воздуха с замкнутым циклом в 1816 году, и еще в 1884 году Флиминг Дженкин предложил, чтобы все такие двигатели назывались в общем виде. Двигатели Стирлинга.Это предложение по названию не нашло особой поддержки, и различные типы, представленные на рынке, продолжали быть известны по именам их отдельных конструкторов или производителей, например, двигатель Райдера, Робинсона или (горячий) воздушный двигатель Хейнрици. В 1940-х годах компания Philips искала подходящее название для своей собственной версии «воздушного двигателя», который к тому времени испытывался с рабочими жидкостями, отличными от воздуха, и в апреле 1945 года остановила свой выбор на «двигателе Стирлинга». ^{[ 41]} Однако почти тридцать лет спустя Грэм Уокер все еще имел повод оплакивать тот факт, что такие термины, как двигатель горячего воздуха остались взаимозаменяемыми с двигателем Стирлинга , который сам по себе применялся широко и без разбора, ^[42] ситуация это продолжается. ^[43]

Как и паровой двигатель, двигатель Стирлинга традиционно классифицируется как двигатель внешнего сгорания, поскольку вся теплопередача к рабочему телу и от него происходит через твердую границу (теплообменник), таким образом изолируя процесс сгорания и любые загрязнения, которые он может выделять из рабочих частей двигателя. Это контрастирует с двигателем внутреннего сгорания, в котором подвод тепла происходит за счет сгорания топлива в теле рабочего тела. Большинство из множества возможных вариантов реализации двигателя Стирлинга относятся к категории поршневых двигателей с возвратно-поступательным движением. ^{[необходима ссылка ]}

Теория

Идеализированный цикл Стирлинга состоит из четырех термодинамических процессов, действующих на рабочую жидкость:

1. Изотермическое расширение. В пространстве расширения и связанном с ним теплообменнике поддерживается постоянная высокая температура, и газ подвергается почти изотермическому расширению, поглощая тепло от горячего источника.
2. Отвод тепла постоянного объема (известный как изоволюметрический или изохорный). Газ проходит через регенератор, где он охлаждается, передавая тепло регенератору для использования в следующем цикле.
3. Изотермическое сжатие. В пространстве сжатия и соответствующем теплообменнике поддерживается постоянная низкая температура, поэтому газ подвергается почти изотермическому сжатию, отводя тепло в холодный сток.
4. Подвод тепла с постоянным объемом (известный как изоволюметрический или изохорный). Газ проходит обратно через регенератор, где он восстанавливает большую часть тепла, переданного в процессе 2, нагреваясь на пути к пространству расширения.

Двигатель сконструирован таким образом, что рабочий газ обычно сжимается в более холодной части двигателя и расширяется в более горячей части, что приводит к чистому преобразованию тепла в работу. ^[2] Внутренний регенеративный теплообменник увеличивает тепловой КПД двигателя Стирлинга по сравнению с более простыми двигателями с горячим воздухом, в которых эта функция отсутствует.

Двигатель Стирлинга использует разницу температур между горячим и холодным концом, чтобы установить цикл с фиксированной массой газа, нагретого и расширяемого, охлажденного и сжатого, таким образом преобразуя тепловую энергию в механическую. Чем больше разница температур между горячим и холодным источниками, тем выше термический КПД.Максимальный теоретический КПД эквивалентен циклу Карно, но КПД реальных двигателей меньше этого значения из-за трения и других потерь. ^{[необходима ссылка ]}

Поскольку двигатель Стирлинга является замкнутым циклом, он содержит фиксированную массу газа, называемого «рабочей жидкостью», чаще всего воздух, водород или гелий. В нормальном режиме работы двигатель герметичен, газ не попадает и не выходит; клапаны не требуются, в отличие от других типов поршневых двигателей.Двигатель Стирлинга, как и большинство тепловых двигателей, проходит через четыре основных процесса: охлаждение, сжатие, нагрев и расширение. Это достигается перемещением газа вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками, часто с регенератором между нагревателем и охладителем. Горячий теплообменник находится в тепловом контакте с внешним источником тепла, таким как топливная горелка, а холодный теплообменник находится в тепловом контакте с внешним теплоотводом, например с воздушными ребрами. Изменение температуры газа вызывает соответствующее изменение давления газа, а движение поршня заставляет газ попеременно расширяться и сжиматься. ^{[необходима ссылка ]}

Газ следует поведению, описанному законами газа, которые описывают, как связаны давление, температура и объем газа. Когда газ нагревается, давление повышается (поскольку он находится в герметичной камере), и это давление затем действует на силовой поршень, создавая рабочий ход. Когда газ охлаждается, давление падает, и это падение означает, что поршню требуется меньше работы для сжатия газа на обратном ходе. Разница в работе между ходами дает чистую положительную выходную мощность. ^{[необходима ссылка ]}

Когда одна сторона поршня открыта для атмосферы, работа немного отличается. Когда герметичный объем рабочего газа соприкасается с горячей стороной, он расширяется, выполняя работу как с поршнем, так и с атмосферой. Когда рабочий газ контактирует с холодной стороной, его давление падает ниже атмосферного, и атмосфера давит на поршень и воздействует на газ. ^{[необходима ссылка ]}

Компоненты

1 — Стенка горячего цилиндра

2 — Стенка холодного цилиндра

3 — Впускные и выпускные трубы охлаждающей жидкости

4 — Теплоизоляция, разделяющая два конца цилиндра

6 — Силовой поршень

7 — Коленчатый вал и маховики

Вследствие работы по замкнутому циклу тепло, приводящее в действие двигатель Стирлинга, должно передаваться от источника тепла к рабочей жидкости через теплообменники и, наконец, к радиатору. Система двигателя Стирлинга имеет по крайней мере один источник тепла, один радиатор и до пяти теплообменников. Некоторые типы могут сочетать или обходиться без некоторых из них. ^{[необходима ссылка ]}

Источник тепла

Источником тепла может быть сгорание топлива, поскольку продукты сгорания не смешиваются с рабочей жидкостью и, следовательно, не контактируют с внутренними частями Двигатель Стирлинга может работать на топливе, которое может повредить внутренние детали других типов двигателей, например, на свалочном газе, который может содержать силоксан, который может вызвать осаждение абразивного диоксида кремния в обычных двигателях. ^[44]

Другие подходящие источники тепла включают концентрированную солнечную энергию, геотермальную энергию, ядерную энергию, отходящее тепло и биоэнергию. Если в качестве источника тепла используется солнечная энергия, можно использовать обычные солнечные зеркала и солнечные тарелки. Использование линз и зеркал Френеля также пропагандировалось, например, при исследовании поверхности планет. ^[45] Двигатели Стирлинга, работающие на солнечной энергии, становятся все более популярными, поскольку они предлагают экологически безопасный вариант производства энергии, а некоторые конструкции экономически привлекательны для проектов развития. ^[46]

Теплообменники

Проектирование теплообменников двигателя Стирлинга — это баланс между высокой теплопередачей с низкими вязкостными насосными потерями и малым мертвым пространством (непромокаемый внутренний объем). Двигатели, которые работают при высоких мощностях и давлениях, требуют, чтобы теплообменники на горячей стороне были сделаны из сплавов, которые сохраняют значительную прочность при высоких температурах и не подвержены коррозии и ползучести. ^{[необходима ссылка ]}

В небольших двигателях малой мощности теплообменники могут просто состоять из стенок соответствующих горячих и холодных камер, но там, где требуется большая мощность, требуется большая площадь поверхности для передачи достаточного количества тепла.Типичные реализации — это внутренние и внешние ребра или несколько трубок с малым диаметром для горячей стороны и охладитель, использующий жидкость (например, воду) для холодной стороны. ^{[необходима ссылка ]}

Регенератор

В двигателе Стирлинга регенератор представляет собой внутренний теплообменник и временный накопитель тепла, расположенный между горячим и холодным пространством, так что рабочая жидкость проходит через него сначала в одном направлении, а затем через другой, забирая тепло от жидкости в одном направлении и возвращая его в другом.Он может быть таким же простым, как металлическая сетка или пенопласт, и имеет большую площадь поверхности, высокую теплоемкость, низкую проводимость и низкое трение потока. ^[47] Его функция состоит в том, чтобы удерживать в системе то тепло, которое в противном случае передавалось бы с окружающей средой при температурах, промежуточных между максимальной и минимальной температурами цикла, ^[48] , таким образом, обеспечивая тепловой КПД цикла (хотя и не любого практического двигателя ^[49] ), чтобы приблизиться к предельному КПД Карно. ^{[необходима ссылка ]}

Первичный эффект регенерации в двигателе Стирлинга состоит в повышении теплового КПД за счет «рециркуляции» внутреннего тепла, которое в противном случае необратимо прошло бы через двигатель. В качестве вторичного эффекта повышенный термический КПД приводит к более высокой выходной мощности от данного набора теплообменников горячего и холодного конца. Обычно они ограничивают тепловыделение двигателя. На практике эта дополнительная мощность не может быть полностью реализована, поскольку дополнительное «мертвое пространство» (непромокаемый объем) и насосные потери, присущие практическим регенераторам, уменьшают потенциальный выигрыш в эффективности от регенерации. ^{[необходима ссылка ]}

Задача конструкции регенератора двигателя Стирлинга состоит в том, чтобы обеспечить достаточную теплопередающую способность без введения слишком большого дополнительного внутреннего объема («мертвого пространства») или сопротивления потоку. Эти внутренние конфликты конструкции являются одним из многих факторов, ограничивающих эффективность практических двигателей Стирлинга. Типичная конструкция представляет собой пакет тонких металлических проволочных сеток с низкой пористостью, чтобы уменьшить мертвое пространство, и с осями проволоки, перпендикулярными потоку газа, чтобы уменьшить проводимость в этом направлении и максимизировать конвективную теплопередачу. ^[50]

Регенератор — это ключевой компонент, изобретенный Робертом Стирлингом, и его присутствие отличает настоящий двигатель Стирлинга от любого другого двигателя с горячим воздухом замкнутого цикла. Многие небольшие «игрушечные» двигатели Стирлинга, особенно типы с низкотемпературным перепадом (LTD), не имеют отдельного компонента регенератора и могут считаться двигателями горячего воздуха; однако небольшая регенерация обеспечивается за счет поверхности самого буйка и ближайшей стенки цилиндра или, аналогичным образом, канала, соединяющего горячий и холодный цилиндры двигателя с альфа-конфигурацией. ^{[необходима ссылка ]}

Радиатор

Чем больше разница температур между горячей и холодной секциями двигателя Стирлинга, тем выше эффективность двигателя. Радиатор обычно представляет собой среду, в которой работает двигатель, при температуре окружающей среды. В двигателях средней и большой мощности требуется радиатор для передачи тепла от двигателя в окружающий воздух. Преимущество судовых двигателей заключается в использовании прохладной морской, озерной или речной воды, которая обычно холоднее окружающего воздуха.В случае комбинированных теплоэнергетических систем охлаждающая вода двигателя прямо или косвенно используется для обогрева, повышая эффективность. ^{[необходима ссылка ]}

В качестве альтернативы, тепло может подаваться при температуре окружающей среды, а теплоотвод поддерживается при более низкой температуре с помощью таких средств, как криогенная жидкость (см. Экономия жидкого азота) или ледяная вода. ^{[необходима ссылка ]}

Буйковый уровнемер

Буйковый уровнемер представляет собой поршень специального назначения, используемый в двигателях Стирлинга типа Beta и Gamma для перемещения рабочего газа вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками.В зависимости от конструкции двигателя буйковый уровнемер может быть или не быть прилегающим к цилиндру; то есть, это может быть неплотная посадка внутри цилиндра, позволяющая рабочему газу проходить вокруг него, когда он движется, чтобы занять часть цилиндра за его пределами. Двигатель типа Alpha имеет высокую нагрузку на горячую сторону, поэтому так мало изобретателей начали использовать гибридный поршень для этой стороны. Гибридный поршень имеет герметичную часть, как и обычный двигатель типа Alpha, но он имеет присоединенную к буйку часть меньшего диаметра, чем цилиндр вокруг него.Степень сжатия немного меньше, чем в оригинальных двигателях типа Alpha, но коэффициент нагрузки на герметичные детали довольно низкий. ^{[необходима ссылка ]}

Конфигурации

Три основных типа двигателей Стирлинга различаются тем, как они перемещают воздух между горячей и холодной зонами: ^{[требуется ссылка ]}

1. alpha Конфигурация имеет два силовых поршня, один в горячем цилиндре, другой в холодном цилиндре, и газ перемещается между двумя поршнями; Обычно он имеет V-образную форму с поршнями, соединенными в одной точке на коленчатом валу.
2. Конфигурация beta имеет один цилиндр с горячим концом и холодным концом, содержащий силовой поршень и «вытеснитель», который перемещает газ между горячим и холодным концом. Обычно он используется с ромбическим приводом для достижения разности фаз между буйком и силовыми поршнями, но они могут быть соединены на 90 градусов не по фазе на коленчатом валу.
3. Конфигурация gamma имеет два цилиндра: один содержит вытеснитель с горячим и холодным концом, а другой — для силового поршня; они соединены, образуя единое пространство, поэтому в цилиндрах создается одинаковое давление; поршни обычно параллельны и соединены на 90 градусов не по фазе на коленчатом валу.

Alpha

Alpha Stirling, содержащий два силовых поршня в отдельных цилиндрах, один горячий и один холодный. Горячий цилиндр расположен внутри высокотемпературного теплообменника, а холодный цилиндр — внутри низкотемпературного теплообменника.Этот тип двигателя имеет высокое отношение мощности к объему, но имеет технические проблемы из-за обычно высокой температуры горячего поршня и долговечности его уплотнений. ^[51] На практике этот поршень обычно имеет большую изолирующую головку для отвода уплотнений от горячей зоны за счет некоторого дополнительного мертвого пространства. Угол поворота коленчатого вала имеет большое влияние на эффективность, и зачастую наилучший угол должен быть найден экспериментально. Угол 90 ° часто блокируется. ^{[необходима ссылка ]}

Четырехэтапное описание процесса выглядит следующим образом:

1. Большая часть рабочего газа находится в горячем цилиндре и имеет больший контакт со стенками горячего цилиндра.Это приводит к общему нагреву газа. Его давление увеличивается, и газ расширяется. Поскольку горячий цилиндр имеет максимальный объем, а холодный цилиндр находится в верхней части своего хода (минимальный объем), объем системы увеличивается за счет расширения в холодный цилиндр.
2. Система работает с максимальным объемом, и газ больше контактирует с холодным цилиндром. Это охлаждает газ, понижая его давление. Из-за импульса маховика или других пар поршней на одном валу горячий цилиндр начинает движение вверх, уменьшая объем системы.
3. Почти весь газ теперь находится в холодном баллоне, и охлаждение продолжается. Это продолжает снижать давление газа и вызывать сжатие. Поскольку горячий цилиндр имеет минимальный объем, а холодный цилиндр имеет максимальный объем, объем системы дополнительно уменьшается за счет сжатия холодного цилиндра внутрь.
4. Система имеет минимальный объем, и газ имеет больший контакт с горячим цилиндром. Объем системы увеличивается за счет расширения горячего цилиндра.

Beta

A beta Стирлинга имеет единственный силовой поршень, расположенный в том же цилиндре на том же валу, что и поршень буйка. Поршень буйка имеет неплотную посадку и не извлекает энергию из расширяющегося газа, а только служит для перемещения рабочего газа между горячим и холодным теплообменниками.Когда рабочий газ проталкивается к горячему концу цилиндра, он расширяется и толкает силовой поршень. Когда его толкают к холодному концу цилиндра, он сжимается, и импульс машины, обычно усиливаемый маховиком, толкает силовой поршень в другую сторону, чтобы сжать газ. В отличие от альфа-типа, бета-тип позволяет избежать технических проблем, связанных с горячим движением уплотнений, поскольку силовой поршень не контактирует с горячим газом. ^[52]

1. Силовой поршень (темно-серый) сжал газ, поршень буйка (светло-серый) переместился так, что большая часть газа прилегает к горячему теплообменнику.
2. Давление нагретого газа увеличивается и толкает силовой поршень к самому дальнему пределу рабочего хода.
3. Поршень буйка перемещается, направляя газ к холодному концу цилиндра.
4. Охлажденный газ теперь сжимается движением маховика. Это требует меньше энергии, так как его давление падает при охлаждении.

Gamma

Гамма Стирлинга — это просто бета-версия Стирлинга с силовым поршнем, установленным в отдельном цилиндре рядом с поршневым цилиндром буйка, но все же подключенным к тому же маховику.Газ в двух цилиндрах может свободно течь между ними и оставаться единым корпусом. Эта конфигурация обеспечивает более низкую степень сжатия из-за объема соединения между ними, но механически проще и часто используется в многоцилиндровых двигателях Стирлинга. ^{[необходима ссылка ]}

Другие типы

Другие конфигурации Стирлинга продолжают интересовать инженеров и изобретателей. ^{[необходима ссылка ]}

• Роторный двигатель Стирлинга стремится преобразовывать мощность цикла Стирлинга непосредственно в крутящий момент, подобно роторному двигателю внутреннего сгорания. Практический двигатель еще не построен, но был выпущен ряд концепций, моделей и патентов, таких как квазитурбинный двигатель. ^[53]
• Гибрид поршневой и поворотной конфигурации — это двигатель двойного действия. Эта конструкция вращает вытеснители по обе стороны от силового поршня.Помимо большой вариативности конструкции в области теплопередачи, такая компоновка устраняет все, кроме одного внешнего уплотнения на выходном валу и одного внутреннего уплотнения на поршне. Кроме того, обе стороны могут находиться под высоким давлением, поскольку они уравновешивают друг друга. ^{[необходима ссылка ]}
• Другой альтернативой является двигатель Fluidyne (или тепловой насос Fluidyne), в котором для реализации цикла Стирлинга используются гидравлические поршни. Работа двигателя Fluidyne заключается в перекачивании жидкости.В простейшем виде двигатель содержит рабочий газ, жидкость и два обратных клапана. ^{[необходима ссылка ]}
• Концепция двигателя Ringbom, опубликованная в 1907 году, не имеет поворотного механизма или рычажного механизма для вытеснителя. Вместо этого он приводится в движение небольшим вспомогательным поршнем, обычно толстым стержнем буйка, с ограничением движения с помощью упоров. ^{[54] [55]}
• Инженер Энди Росс изобрел двухцилиндровый двигатель Стирлинга (расположенный под углом 0 °, а не 90 °), соединенный с помощью специальной вилки. ^{[56] [ продвижение? ]}
• Двигатель Franchot — это двигатель двойного действия, изобретенный Шарлем-Луи-Феликсом Франшо в девятнадцатом веке. В двигателе двойного действия давление рабочей жидкости действует с обеих сторон поршня. Одна из простейших форм машины двойного действия, двигатель Franchot состоит из двух поршней и двух цилиндров и действует как две отдельные альфа-машины. В двигателе Franchot каждый поршень действует в двух газовых фазах, что позволяет более эффективно использовать механические компоненты, чем в альфа-машине одностороннего действия.Однако недостатком этой машины является то, что один шатун должен иметь скользящее уплотнение на горячей стороне двигателя, что затруднительно при работе с высокими давлениями и температурами. ^[57]

Двигатели со свободным поршнем

Свободнопоршневые двигатели Стирлинга включают двигатели с жидкостными поршнями и двигатели с диафрагмами в качестве поршней. В устройстве со свободным поршнем энергия может добавляться или сниматься электрическим линейным генератором переменного тока, насосом или другим коаксиальным устройством.Это устраняет необходимость в рычажном механизме и уменьшает количество движущихся частей. В некоторых конструкциях трение и износ практически исключаются за счет использования бесконтактных газовых подшипников или очень точной подвески с помощью плоских пружин. ^{[необходима ссылка ]}

Четыре основных этапа цикла двигателя Стирлинга со свободным поршнем: ^{[требуется ссылка ]}

1. Приводной поршень выталкивается наружу расширяющимся газом, таким образом выполняя свою работу. Гравитация не играет роли в круговороте.
2. Объем газа в двигателе увеличивается и, следовательно, давление снижается, что вызывает перепад давления на стержне буйка, заставляя его двигаться к горячему концу. Когда вытеснитель движется, поршень почти неподвижен, и поэтому объем газа почти постоянен. Этот шаг приводит к процессу охлаждения постоянного объема, который снижает давление газа.
3. Пониженное давление теперь останавливает движение поршня наружу, и он снова начинает ускоряться к горячему концу и по своей собственной инерции сжимает теперь холодный газ, который в основном находится в холодном пространстве.
4. По мере увеличения давления достигается точка, в которой перепад давления на стержне буйка становится достаточно большим, чтобы начать толкать шток буйка (а, следовательно, и буйковый уровнемер) к поршню, тем самым сжимая холодное пространство и передавая холод, сжатый газ по направлению к горячей стороне в процессе почти постоянного объема. Когда газ поступает на горячую сторону, давление увеличивается и начинает перемещать поршень наружу, чтобы инициировать стадию расширения, как объяснено в (1).

В начале 1960-х годов Уильям Т. Бил из Университета Огайо, расположенного в Афинах, штат Огайо, изобрел свободнопоршневую версию двигателя Стирлинга, чтобы преодолеть трудности со смазкой кривошипно-шатунного механизма. ^[58] В то время как изобретение базового двигателя Стирлинга со свободным поршнем обычно приписывается Билу, независимые изобретения аналогичных типов двигателей были сделаны Э. Кук-Ярборо и К. Уэст в лабораториях Харвелла, Великобритания, AERE. ^[59] G.M. Бенсон также внес важный вклад и запатентовал множество новых конфигураций со свободным поршнем. ^{[60] [61]}

Первое известное упоминание о цикловой машине Стирлинга, использующей свободно движущиеся компоненты, — это раскрытие британского патента в 1876 году. ^[62] Эта машина была задумана как холодильник (т. Е. обратный цикл Стирлинга). Первым потребительским продуктом, в котором использовалось устройство Стирлинга со свободным поршнем, был портативный холодильник, произведенный японской корпорацией Twinbird и предложенный в США компанией Coleman в 2004 году. : 10 — Горячий цилиндр.11 — Объем горячего цилиндра. 12 — В объем горячего цилиндра. 17 — Тёплая поршневая диафрагма. 18 — Теплоноситель. 19 — Поршневой шток. 20 — Холодный цилиндр. 21 — Объем холодного цилиндра. 22 — B Объем холодного цилиндра. 27 — Диафрагма холодного поршня. 28 — охлаждающая среда. 30 — Рабочий цилиндр. 31 — Объем рабочего цилиндра. 32 — В объем рабочего цилиндра. 37 — Рабочая поршневая диафрагма. 41 — Регенератор массы А объема. 42 — Регенератор массы объема Б. 48 — Тепловой аккумулятор. 50 — Теплоизоляция.60 — Генератор. 63 — Магнитная цепь. 64 — Электрическая обмотка. 70 — Канал, соединяющий теплый и рабочий цилиндры.

Конструкция плоского двигателя Стирлинга двустороннего действия решает проблему привода буйка за счет того, что площади горячего и холодного поршней буйка различны. ^{[необходима ссылка ]}

Привод делает это без какой-либо механической передачи. ^{[необходима ссылка ]} Использование диафрагм устраняет трение и необходимость в смазочных материалах. ^{[необходима ссылка ]}

Когда вытеснитель находится в движении, генератор удерживает рабочий поршень в крайнем положении, что приближает рабочий цикл двигателя к идеальному циклу Стирлинга. ^{[ необходима ссылка ]} Отношение площади теплообменников к объему машины увеличивается за счет реализации плоской конструкции. ^{[ цитирование ]}

Плоская конструкция рабочего цилиндра приближает тепловой процесс расширения и сжатия к изотермическому. ^{[ цитата необходима ]}

Недостатком является большая площадь теплоизоляции между горячим и холодным пространством. ^[63]

Термоакустический цикл

Термоакустические устройства сильно отличаются от устройств Стирлинга, хотя индивидуальный путь, пройденный каждой молекулой рабочего газа, действительно соответствует реальному циклу Стирлинга. Эти устройства включают термоакустический двигатель и термоакустический холодильник. Акустические стоячие волны большой амплитуды вызывают сжатие и расширение, аналогично силовому поршню Стирлинга, в то время как сдвинутые по фазе акустические бегущие волны вызывают смещение вдоль градиента температуры, аналогично поршню буйка Стирлинга.Таким образом, термоакустическое устройство обычно не имеет вытеснителя, как у бета- или гамма-излучения Стирлинга. ^{[необходима ссылка ]}

Другие разработки

НАСА рассмотрело двигатели Стирлинга с подогревом от ядерного распада для расширенных миссий за пределами Солнечной системы. ^[64] В 2018 году НАСА и Министерство энергетики США объявили, что они успешно испытали новый тип ядерного реактора под названием KRUSTY, что означает «реактор киловысокой мощности с использованием технологии Стирлинга» и который разработан, чтобы иметь возможность приведение в действие космических аппаратов и зондов, а также экзопланетных лагерей. ^[65]

В 2012 году на выставке Cable-Tec Expo, организованной Обществом инженеров кабельной связи, Дин Камен вышел на сцену вместе с техническим директором Time Warner Cable Майком Ладжой, чтобы объявить о новой инициативе между его компанией Deka Research и SCTE. Камен называет его двигателем Стирлинга. ^{[66] [67]}

Эксплуатационные соображения

Размер и температура

Созданы двигатели очень малой мощности, которые работают при разнице температур всего 0.5 K. ^[68] Буйковый двигатель Стирлинга имеет один поршень и один буйковый уровнемер. Для работы двигателя требуется разница температур между верхней и нижней частью большого цилиндра. В случае малотемпературного двигателя (LTD) Стирлинга разницы температур между рукой и окружающим воздухом может быть достаточно для запуска двигателя. ^[69] Силовой поршень в двигателе Стирлинга буйкового типа плотно закрыт и управляется движением вверх и вниз по мере расширения газа внутри.С другой стороны, вытеснитель установлен очень свободно, так что воздух может свободно перемещаться между горячей и холодной секциями двигателя при движении поршня вверх и вниз. Вытеснитель перемещается вверх и вниз, заставляя большую часть газа в цилиндре буйка либо нагреваться, либо охлаждаться. ^{[необходима цитата ]}

Двигатели Стирлинга, особенно те, которые работают при небольших перепадах температур, довольно велики для того количества энергии, которое они производят (т. Е. Имеют низкую удельную мощность).Это в первую очередь связано с коэффициентом теплопередачи газовой конвекции, который ограничивает тепловой поток, который может быть достигнут в типичном холодном теплообменнике, примерно до 500 Вт / (м ² · K), а в горячем теплообменнике примерно до 500–5000 Вт / (м ² · К). ^[70] По сравнению с двигателями внутреннего сгорания, это усложняет для разработчиков двигателей передачу тепла в рабочий газ и из него. Из-за теплового КПД необходимая теплопередача растет с меньшим перепадом температур, а площадь теплообменника (и стоимость) для мощности 1 кВт увеличивается на (1 / ΔT) ² .Следовательно, удельная стоимость двигателей с очень низким перепадом температур очень высока. Увеличение перепада температур и / или давления позволяет двигателям Стирлинга производить больше мощности, при условии, что теплообменники рассчитаны на повышенную тепловую нагрузку и могут обеспечивать необходимый конвектируемый тепловой поток.

Двигатель Стирлинга не запускается мгновенно; его буквально нужно «разогреть». Это верно для всех двигателей внешнего сгорания, но время прогрева может быть больше для Стирлингса, чем для других двигателей этого типа, таких как паровые двигатели.Двигатели Стирлинга лучше всего использовать в качестве двигателей с постоянной частотой вращения.

Выходная мощность Стирлинга обычно постоянна, и для ее регулировки иногда может потребоваться тщательная конструкция и дополнительные механизмы. Как правило, изменения мощности достигаются путем изменения рабочего объема двигателя (часто за счет использования устройства с наклонной шайбой на коленчатом валу), или путем изменения количества рабочей жидкости, или путем изменения фазового угла поршня / буйка, или в некоторых случаях просто путем изменение нагрузки двигателя. Это свойство является меньшим недостатком в гибридной электрической силовой установке или генерации энергосистем с «базовой нагрузкой», где фактически желательна постоянная выходная мощность.

Выбор газа

Используемый газ должен иметь низкую теплоемкость, чтобы заданное количество передаваемого тепла приводило к значительному увеличению давления. Учитывая эту проблему, гелий был бы лучшим газом из-за его очень низкой теплоемкости. Воздух — это жизнеспособная рабочая жидкость, ^[71] , но кислород в воздушном двигателе с высоким давлением может вызвать несчастные случаи со смертельным исходом из-за взрыва смазочного масла. ^[72] После одной такой аварии Philips впервые применила другие газы, чтобы избежать такого риска взрыва.