Двигатель Стирлинга - это тепловой двигатель, который сильно отличается от двигателя внутреннего сгорания в вашем автомобиле. Изобретенный Робертом Стирлингом в 1816 году двигатель Стирлинга потенциально может быть намного более эффективным, чем бензиновый или дизельный двигатель. Но сегодня двигатели Стирлинга используются только в некоторых очень специализированных приложениях, таких как подводные лодки или вспомогательные генераторы энергии для яхт, где важна бесшумная работа. Хотя двигатель Стирлинга не получил успешного массового применения, над ним работают некоторые очень мощные изобретатели.
Двигатель Стирлинга используетцикл Стирлинга, который отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания.
- Газы, используемые внутри двигателя Стирлинга, никогда не покидают двигатель. Нет выпускных клапанов, выпускающих газы под высоким давлением, как в бензиновом или дизельном двигателе, и не происходит взрывов. Из-за этого двигатели Стирлинга очень тихие.
- Цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, которым может быть что угодно, от бензина до солнечной энергии и тепла, выделяемого разлагающимися растениями. Внутри цилиндров двигателя не происходит сгорания.
Существуют сотни способов собрать двигатель Стирлинга. В этой статье мы узнаем о цикле Стирлинга и посмотрим, как работают две разные конфигурации этого двигателя.
Цикл Стирлинга
Ключевой принцип работы двигателя Стирлинга заключается в том, чтовнутри двигателя находится фиксированное количество газа. Цикл Стирлинга включает ряд событий, которые изменяют давление газа внутри двигателя, заставляя его совершать работу.
Есть 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 увеличивается.
- Если у вас есть фиксированное количество газа и вы его сжимаете (уменьшаете объем пространства), температура этого газа повысится.
Давайте рассмотрим каждую часть цикла Стирлинга, рассматривая упрощенный двигатель Стирлинга. Наш упрощенный двигатель использует два цилиндра. Один цилиндр нагревается внешним источником тепла (например, огнем), а другой охлаждается внешним источником охлаждения (например, льдом). Газовые камеры двух цилиндров соединены, а поршни соединены друг с другом механически с помощью рычага, который определяет, как они будут двигаться по отношению друг к другу.
Цикл Стирлинга состоит из четырех частей. Два поршня на анимации выше выполняют все части цикла:
- К газу внутри нагретого цилиндра (слева) добавляется тепло, вызывая повышение давления. Это заставляет поршень двигаться вниз. Это часть цикла Стирлинга, которая работает.
- Левый поршень движется вверх, а правый поршень движется вниз. Это выталкивает горячий газ в охлаждаемый цилиндр, который быстро охлаждает газ до температуры источника охлаждения, снижая его давление. Это облегчает сжатие газа в следующей части цикла.
- Поршень в охлаждаемом цилиндре (справа) начинает сжимать газ. Тепло, выделяемое при этом сжатии, отводится источником охлаждения.
- Правый поршень движется вверх, а левый поршень движется вниз. Это нагнетает газ в нагретый цилиндр, где он быстро нагревается, создавая давление, после чего цикл повторяется.
Двигатель Стирлинга развивает мощность только в первой части цикла. Есть два основных способа увеличить выходную мощность цикла Стирлинга:
- Увеличить выходную мощность на первом этапе- В первой части цикла давление нагретого газа, давит на поршень, совершает работу. Повышение давления во время этой части цикла увеличивает выходную мощность двигателя. Одним из способов повышения давления является повышение температуры газа. Когда мы рассмотрим двухпоршневой двигатель Стирлинга далее в этой статье, мы увидим, как устройство, называемоерегенератором, может улучшить выходную мощность двигателя за счет временного накопления тепла.
- Уменьшение энергопотребления на третьем этапе - В третьей части цикла поршни выполняют работу с газом, используя часть мощности, произведенной в первой части. Снижение давления во время этой части цикла может снизить мощность, используемую на этой стадии цикла (эффективно увеличивая выходную мощность двигателя). Один из способов снизить давление - охладить газ до более низкой температуры.
В этом разделе описан идеальный цикл Стирлинга. Фактические работающие двигатели немного изменяют цикл из-за физических ограничений их конструкции. В следующих двух разделах мы рассмотрим несколько различных типов двигателей Стирлинга. Двигатель вытеснительного типа, вероятно, проще всего понять, поэтому мы начнем с него.
Двигатель Стирлинга вытеснительного типа
Вместо двух поршней двигатель вытеснительного типа имеет один поршень и вытеснитель.вытеснитель служит для контроля нагрева газовой камеры и ее охлаждения. Этот тип двигателя Стирлинга иногда используется в демонстрациях в классе. Вы даже можете купить набор, чтобы собрать его самостоятельно!
Для запуска вышеописанного двигателя требуетсяперепад температур между верхом и низом большого цилиндра. В этом случае разницы между температурой вашей руки и окружающего воздуха достаточно, чтобы запустить двигатель.
- Theсиловой поршень - это меньший поршень в верхней части двигателя. Это плотно закрытый поршень, который движется вверх по мере расширения газа внутри двигателя.
- вытеснитель - это большой поршень на рисунке. Этот поршень очень свободно расположен в своем цилиндре, поэтому воздух может легко перемещаться между нагретыми и охлаждаемыми частями двигателя, когда поршень движется вверх и вниз.
Вытеснитель перемещается вверх и вниз, чтобы контролировать, нагревается или охлаждается газ в двигателе. Есть две позиции:
- Когда вытеснитель находится в верхней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя нагревается источником тепла и расширяется. Внутри двигателя создается давление, заставляющее силовой поршень двигаться вверх.
- Когда вытеснитель находится в нижней части большого цилиндра, большая часть газа внутри двигателя охлаждается и сжимается. Это приводит к падению давления, что облегчает опускание 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 внешним пламенем. Охлаждаемый цилиндр имеет воздушное охлаждение и имеет ребра для облегчения процесса охлаждения. Шток, выходящий из каждого поршня, соединен с небольшим диском, который, в свою очередь, соединен с большим маховиком. Это удерживает поршни в движении, когда двигатель не вырабатывает мощность.
Пламя постоянно нагревает нижний цилиндр.
- В первой части цикла давление нарастает, заставляя поршень двигаться влево, совершая работу. Охлажденный поршень остается примерно неподвижным, потому что он находится в точке своего вращения, где он меняет направление.
- На следующем этапе двигаются оба поршня. Нагретый поршень движется вправо, а остывший поршень движется вверх. Это перемещает большую часть газа черезрегенератор 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. Благодаря этому охлаждающие ребра отводят меньше тепла.
- Далее поршень в охлаждаемом цилиндре начинает сжимать газ. Тепло, выделяемое при сжатии, отводится охлаждающими ребрами.
- В последней фазе цикла двигаются оба поршня - охлажденный поршень движется вниз, а нагретый поршень движется влево. Это направляет газ через регенератор (где он забирает тепло, накопленное там во время предыдущего цикла) и в нагретый цилиндр. В этот момент цикл начинается снова.
Возможно, вам интересно, почему до сих пор нет массового применения двигателей Стирлинга. В следующем разделе мы рассмотрим некоторые причины этого.
Почему двигатели Стирлинга менее распространены?
Есть пара ключевых характеристик, которые делают двигатели Стирлинга непрактичными для использования во многих областях, в том числе в большинстве легковых и грузовых автомобилей.
Посколькуисточник тепла является внешним, двигателю требуется некоторое время, чтобы отреагировать на изменения количества тепла, подаваемого на цилиндр - требуется время для тепло должно передаваться через стенки цилиндров в газ внутри двигателя. Это означает, что:
- Двигателю требуется некоторое время для прогрева, прежде чем он сможет вырабатывать полезную мощность.
- Двигатель не может быстро изменить выходную мощность.
Эти недостатки почти гарантируют, что он не заменит двигатель внутреннего сгорания в автомобилях. Однако гибридный автомобиль с двигателем Стирлинга вполне возможен.
Для получения дополнительной информации о двигателях Стирлинга и смежных темах перейдите по ссылкам ниже.
Часто задаваемые вопросы о двигателе Стирлинга
Для чего используется двигатель Стирлинга?
Существуют сотни способов использования двигателя Стирлинга. В настоящее время двигатели Стирлинга используются только в специализированных приложениях, таких как подводные лодки или вспомогательные электрогенераторы для яхт.
Почему не используются двигатели Стирлинга?
Двигатель Стирлинга еще не получил успешного массового применения на рынке.
Что можно привести в действие с двигателем Стирлинга?
Двигатели Стирлинга можно использовать разными способами. Хотя они обычно используются на подводных лодках и яхтах, их также можно использовать для игрушек, дровяных печей, систем кондиционирования и отопления и многого другого.
Какой тип двигателя является двигателем Стирлинга?
Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который отличается от циклов, используемых в двигателях внутреннего сгорания. В цикле Стирлинга используется внешний источник тепла, которым может быть что угодно, от бензина до солнечной энергии и тепла, выделяемого разлагающимися растениями. Внутри цилиндров двигателя не происходит сгорания.
Как долго может работать двигатель Стирлинга?
Двигатели Стирлинга могут работать много лет.