1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое двигатель стерленга

Являются ли китайские ПЛ с воздухонезависимым двигателем Стирлинга инновацией

Nitrogen (N2) — азот; Oxygen (O2) — кислород; Hydrogen (H2) — водород; Fuel cell — топливный элемент; Electrolytes — электролиты; Battery — батарея; Air-independent propulsion — воздухонезависимая ЭУ; ПЛ, оснащенная воздухонезависимой энергетической установкой, может заряжать аккумуляторные батареи, не всплывая, что значительно повысит ее скрытность по сравнению с обычными дизельными ПЛ; A fuel cell — топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует водород и кислород в воду, электроэнергию и тепло.

Важнейшей характеристикой для обеспечения скрытности ПЛ является отсутствие выбросов двигателя. Все газы, необходимые для эффективной работы воздухонезависимой энергетической установки, хранятся в танках на борту лодки.

Корабль может пробыть в подводном положении примерно от двух до трех недель, что значительно повышает живучесть ПЛ. Время нахождения в подводном положении для традиционных дизель-электрических лодок составляет от 10 до 100 часов, после чего лодка должна всплыть для перезарядки аккумуляторных батарей. Однако воздухонезависимые ПЛ могут перезаряжать аккумуляторные батареи в подводном положении.

Помимо того, что воздухонезависимая энергоустановка играет роль двигателя (главного или вспомогательного), она также обеспечивает освещение, регенерацию воздуха, охлаждение и выполняет другие функции.

Двигатель, используемый на воздухонезависимых ПЛ китайской постройки, является двигателем Стирлинга, импортированным из Швеции в 1980 гг. Как заявлено, КНР сумела скопировать двигатель и монтирует на ПЛ проекта 039B собственную версию этого двигателя. КНР потратила примерно 10 лет на разработку бренда нового типа двигателя, основанного на китайской интеллектуальной собственности.

Насколько хорош бренд нового двигателя, и насколько соблюдены права интеллектуальной собственности в данном вопросе, можно только гадать. В китайских заявлениях содержится только приведенная выше информация и не более того.

Шведы используют на своих кораблях двигатель Стирлинга в качестве вспомогательного двигателя для подводного хода, при наличии на ПЛ дизелей для обеспечения хода в надводном положении.

Вопрос об использовании двигателя Стирлинга в качестве главного двигателя, вроде бы, находится в разработке для перспективной подводной лодки проекта Viking.

Таким образом, на сегодня вопрос использования анаэробных энергетических установок на неатомных ПЛ из стадии концептуального проектирования перешел на стадию постройки опытных образцов, используемых на конкретных подлодках и испытаний.

Двигатель Стирлинга

Опубликовано: 28 сентября 2012 г.

Очень тесно к современной тенденции использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) примыкает возможность реализации этой энергии в полезных целях с помощью двигателя Стирлинга. Данный двигатель представляет собой одну из вариаций двигателя внешнего сгорания и в силу этой особенности может быть легко переведен на работу от ВИЭ без вреда для экологии.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Это изобретение имеет довольно давнюю историю. Шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, который с тех пор носит его имя, еще в 1816 г., однако двигатели аналогичного принципа действия были известны и раньше – с конца XVII в. По сути, Роберт Стирлинг лишь усовершенствовал их, сделав конструкцию более энергоэффективной.

Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело расширяется и сужается в замкнутом объеме вследствие периодического нагревания и охлаждения и совершает работу за счет притока тепловой энергии из внешней среды. Та особенность, что энергия подводится к рабочему телу из внешней среды, создает возможность для работы двигателя Стирлинга не только на энергии, выделяемой при сжигании топлива, но и от любого источника тепла, в том числе от ВИЭ.

Простейший двигатель Стирлинга представляет собой герметичный цилиндр, заполненный газом или жидкостью, внутри которого размещаются вытеснительный и рабочий поршни. Поршень-вытеснитель также имеет форму цилиндра, диаметр которого меньше внутреннего диаметра большего цилиндра настолько, что между их стенками остается небольшой зазор, по которому может перетекать газ или жидкость, заполняющая цилиндр. Рабочий поршень размещается за вытеснительным и толкает маховик, с которым связаны оба поршня по принципу кривошипно-шатунного механизма. Внешний цилиндр двигателя подогревается с одного конца. При этом рабочее тело (газ, жидкость) нагревается практически при постоянном объеме, затем рабочее тело расширяется при постоянной температуре, совершая работу и толкая рабочий поршень. Рабочее тело перемещается поршнем-вытеснителем в холодную зону, где происходит охлаждение при почти постоянном объеме.

Движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При нулевом сдвиге машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение).

Если физико-химические характеристики рабочего тела и цилиндра подобраны так, что в процессе цикла «расширение-сжатие» материал рабочего тела проходит через фазовый переход, работа двигателя может быть весьма эффективной, но потребует высокого давления внутри цилиндра.
Стирлинг усовершенствовал двигатель за счет введения в него так называемого «эконома» – теплообменника-рекуператора или регенератора, который удерживает тепло в теплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Тем самым рекуператор (регенератор, эконом) повышает производительность двигателя. Рекуператор двигателя Стирлинга может представлять собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа или жидкости). Газ или жидкость рабочего тела, проходя через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдает (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (или отдает) его.

По термодинамической эффективности идеальный цикл Стирлинга не уступает циклу Карно, состоит из четырех фаз и разделен двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от теплого источника к холодному происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счет чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счет изотерм и зависит от разницы температур нагревателя и охладителя.

Рекуператор может быть внешним, а может размещаться на поршне-вытеснителе, что делает габаритные размеры и вес двигателя меньше. Роль рекуператора выполняет также зазор между вытеснителем и стенками цилиндра. При большой длине цилиндра надобность в дополнительном рекуператоре вообще исчезает, но появляются значительные потери на преодоление вязкости рабочего тела.

В зависимости от особенностей конструкции, в том числе от размещения рекуператора, различают несколько типов двигателя Стирлинга.

Типы двигателя Стирлинга

Традиционно выделяют альфа-, бета- и гамма-Стирлинг.

Альфа-Стирлинг содержит два раздельных силовых поршня (горячий и холодный) в раздельных цилиндрах. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объему достаточно велико, но высокая температура «горячего» поршня создает определенные технические проблемы.

В альфа-Стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

Читать еще:  Электронный контроллер скорости двигателя квадрокоптера схема

Работа бета-Стирлинга описана выше как пример наиболее простого двигателя Стирлинга. Цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещен с поршнем-вытеснителем.
В конструкцию гамма-Стирлинга входят два цилиндра, а также поршень и «вытеснитель». В холодном цилиндре движется поршень, с которого снимается мощность. Во втором цилиндре, горячем с одного конца и холодным с другого, движется поршень-вытеснитель. Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Существуют и другие разновидности двигателя Стирлинга. Одним из самых интересных современных решений является роторный двигатель Мухина – наиболее компактный в ряду двигателей Стирлинга. Одним из его достоинств является отказ от кривошипно-шатунного механизма.

Преимущества и недостатки

Двигатель Стирлинга в XIX в. создавался и рассматривался как взрывобезопасная альтернатива паровым двигателям. Он действительно безопасен в этом отношении, но это не единственное его преимущество.

Как все двигатели внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от любого перепада температур. Это определяет и возможность создания двигателей Стирлинга, совсем не наносящих при работе вреда экологии. Его конструкция проста, значительно проще двигателей внутреннего сгорания, предусматривающих газораспределительные системы для сжигания топлива, системы пуска двигателя и др. Двигатель Стирлинга при работе производит очень мало шума, значительно меньше, чем любые двигатели внутреннего сгорания. Безаварийный ресурс двигателя очень высок, этому способствует простота конструкции и отсутствие «уязвимых» узлов, которые, например, могут засоряться при сжигании топлива (в роторном двигателе Стирлинга, как говорилось выше, отсутствует даже кривошипно-шатунный механизм). Наконец, двигатель Стирлинга характеризуется достаточно высоким КПД.

Несмотря на указанные преимущества, двигатель Стирлинга не получил такого широкого распространения, как например, газо-поршневые или газо-турбинные двигатели внутреннего сгорания. Его недостатки перевешивали до настоящего времени вроде бы очевидные преимущества. Основным из недостатков двигателей Стирлинга считается высокая материалоемкость производства машин необходимой мощности. Рабочее тело двигателя Стирлинга необходимо охлаждать, что приводит к существенному увеличению массы и габаритных размеров установки за счет увеличенных радиаторов. Достижение характеристик двигателя уровня двигателей внутреннего сгорания требует высокого давления (свыше 100 атм) в цилиндре.
Однако в последнее время, когда большое внимание уделяется экологическим характеристикам оборудования, применение двигателей Стирлинга может значительно расшириться, причем в различных сферах.

Применение и перспективы

В настоящее время рядом зарубежных фирм (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45 %), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. ч и мощность от 3 до 1200 кВт.

С 60-х гг. прошлого века двигатели Стирлинга начали применять на подводных лодках. Пионером на этом направлении выступила Швеция. В настоящее время шведские кораблестроители уже отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок путем врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Двигатели Стирлинга позволяют подводным лодкам находиться под водой без всплытия до 20 суток. Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках.

Одно из важнейших и самых перспективных применений двигателей Стирлинга – выработка электроэнергии. В данном случае большое значение имеет универсальность этих двигателей в отношении источника энергии и возможность работать при перепадах температур в таких диапазонах, где двигатели внутреннего сгорания применяться не могут. В частности, рассматриваются варианты применения двигателей Стирлинга для выработки электроэнергии в космосе. Такой двигатель, работающий на радиоактивных изотопах, разработан в NASA.
Большие надежды возлагаются на использование двигателей Стирлинга для преобразования солнечной энергии в электрическую. В этой установке солнечной электростанции двигатель Стирлинга устанавливается в фокусе параболического зеркала таким образом, чтобы отраженные лучи солнца постоянно фокусировались на зоне нагрева. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела для таких двигателей Стирлинга используется водород или гелий. Эффективность выработки электроэнергии на этих установках (Sandia) достигает 31,25 %.

Компания Stirling Solar Energy строит в Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию, представляющую собой батарею из параболических солнечных установок, оснащенных двигателями Стирлинга. Выпускаются также и небольшие солнечные электростанции с двигателями Стирлинга, которыми могут пользоваться даже туристы. Фирмой Alisson разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт (КПД 37,5 %). В качестве источника теплоты используется параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, создающий в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения устанавливается тепловой аккумулятор, отдающий тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Такая установка долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли типа Gemini. В России РКК «Энергия», РНЦ им. Келдыша разрабатывали солнечную энергетическую установку для МКС «Альфа» на основе ДС мощностью 10 кВт и 36-лепесткового солнечного концентратора диаметром 10 м. Двигатель Стирлинга был создан и испытан на одном из предприятий Санкт-Петербурга в 2001 г.

Просматриваются интересные перспективы применения двигателя Стирлинга в тепловых насосах. Обычно в состав теплонасосной установки включается циркуляционный насос, который перекачивает теплоноситель по контуру, имеющему значительную протяженность. Агрегат, совмещающий двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга («стирлинг-стирлинг»), может изменить ситуацию. Двигатель Стирлинга отдает в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. В теплонасосе «стирлинг-стирлинг» совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, применяются непосредственно для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением. Согласно проведенным расчетам тепловой насос «стирлинг-стирлинг» в идеале должен на каждую калорию сожженного газа добавлять еще 3–10 кал из ВИЭ. При испытаниях эта величина оказалась меньше, и пока опыты по использованию таких устройств прекращены.

Поскольку двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любого вида теплоты, для России значительный интерес представляет возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с двигателями Стирлинга, работающими на местных видах топлив, в том числе и на биомассе. В данном случае в качестве местного топлива могут использоваться торф, уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности и др.

В настоящее время рядом компаний (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные установки. Эти двигатели характеризуются КПД до 45 %, удельной массой от 3,8 до 1,2 кг/кВт, рабочим ресурсом до 40 тыс. ч и мощностью от 3 до 1200 кВт.

Читать еще:  Гранулятор какие обороты двигателя

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям с внешним подводом тепла. Техническим результатом является повышение эффективности теплопередачи. Сущность изобретения заключается в том, что двигатель Стирлинга содержит корпус, вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга. Рабочая часть (1) является смежной с вытеснителем для поглощения тепла и окружена блоком (14, 20) из меди или алюминия. Существенная часть блока представляет собой облицовку из слоя (18) нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Двигатель Стирлинга, содержащий корпус, содержащий вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения друг относительно друга, рабочую часть, смежную с вытеснителем для поглощения тепла, причем рабочая часть окружена блоком из меди или алюминия, при этом часть, которая принимает тепло, излучаемое источником тепла, составляет облицовка из слоя нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. 2. Двигатель по п. 1, в котором блок имеет максимальное расстояние от самой внешней поверхности до ближайшей части корпуса, большей чем 1 см. 3. Двигатель по п. 1 или 2, в котором толщина облицовочного слоя составляет от 1 мм до 0,5 мм. 4. Двигатель по любому из предшествующих пунктов, в котором блок имеет, по существу, форму усеченного конуса, расположен коаксиально с рабочей частью и с более широким концом самого дальнего от рабочей части блока, где он обеспечивает круглую поверхность. 5. Двигатель по п. 4, в котором только круглая поверхность блока на более широком конце представляет собой облицовку. 6. Двигатель по п. 5, в котором на коническую поверхность блока наплавлен никель. 7. Двигатель по любому из пп. 1-3, в котором блок имеет, по существу, цилиндрическую форму и расположен коаксиально с рабочей частью. 8. Двигатель по п. 7, в котором верхняя и/или боковая поверхности блока представляют собой облицовку. 9. Двигатель по п.1, который является свободнопоршневым двигателем. 10. Двигатель п.1, который является линейным двигателем. 11. Комбинация двигателя по любому из предшествующих пунктов с источником энергии в виде биомассы, отработанного тепла или солнечного тепла, выполненным с возможностью подведения тепла к рабочей части посредством блока и облицовки.

ОБЛАСТЬ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к двигателю Стирлинга.

Двигатели Стирлинга являются тепловыми машинами, работающими по циклу Карно, которые работают лучше всего, когда имеют достаточно высокий подвод тепла с постоянной высокой температурой через свои рабочие части. Таким образом, они идеально подходят для нагрева газовой горелкой, которая может всегда подавать достаточно тепла при высокой температуре. Заявитель разработал и производит такой двигатель Стирлинга (двигатель Microgen TM lkWe) подходящий для применения в домашнем оборудовании для обеспечения электроэнергией и горячей водой. Газовая горелка спроектирована для подачи тепла с высокой температурой к оптимальному месту, противоположному внутреннему и внешнему акцепторному оребрению двигателя Стирлинга.

Двигатели также хорошо подходят для использования на удаленных площадках, поскольку являются герметичными блоками с большим сроком службы и требуют мало или вообще не требуют техобслуживания. Однако, вдали от гарантированного газоснабжения, виды топлива, которые имеются в наличии, например, биомасса, отработанное тепло и солнечная энергия не способны генерировать тепло в постоянном режиме, как это обеспечивает система газоснабжения.

Одной попыткой решения данной проблемы является заключение рабочей части двигателя Стирлинга в блок из меди, припаянный к рабочей части на месте, где обычно прикрепляют внешнее оребрение. Медь имеет высокую удельную теплопроводность, и поэтому создается увеличенная площадь поверхности и хорошая теплопередача на рабочую часть. Дополнительно, ее масса обеспечивает тепловую инерцию для сглаживания любых вариаций при подводе тепла.

Указанное, однако, не дает работоспособного решения, поскольку оксид меди быстро нарастает на внешней поверхности медного блока, функциональные возможности которого по теплопередаче за очень короткий промежуток времени уменьшаются до неприемлемого уровня.

Согласно настоящему изобретению создан двигатель Стирлинга содержащий корпус, который содержит вытеснитель и рабочий поршень, выполненные с возможностью осуществления возвратно-поступательного перемещения относительно друг друга, рабочую часть, смежную с вытеснителем для поглощения тепла, причем рабочая часть окружена блоком из меди или алюминия, при этом существенной частью блока является облицовка слоем нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм.

Предпринимая очевидно контрпродуктивный шаг по применению материала с низкой удельной теплопроводностью, настоящее изобретение создает, впервые, успешный двигатель Стирлинга, который можно применять, когда источник тепла имеет низкую температуру и является трудно направляемым и управляемым.

Высокая удельная теплопроводность блока из меди или алюминия уменьшает падение температуры на блоке, уменьшая среднюю температуру блока для данной мощности двигателя и рабочей температуры рабочей части. Обычно, медь должна иметь удельную теплопроводность приблизительно 400 Вт/мК и алюминий приблизительно 200Вт/мК. Данная увеличенная масса содействует поддерживанию и контролированию более ровных температур, имея существенную количество тепла и обеспечивая замедленные временные ограничения и гораздо больше времени до перегрева рабочей части или переохлаждения. Данное требуется в системах, где источник тепла точно не регулируется и дает гораздо больше времени для управляющих воздействий на источник тепла.

Увеличенная площадь поверхности от рабочей части уменьшает интенсивность теплового потока и снижает температуру поверхности. Данное обеспечивает применение материала менее исчерпывающего поглощения и, следовательно, более дешевого.

Требуется блок из меди или алюминия достаточно большой, чтобы иметь необходимую тепловую инерцию и площадь поверхности. Фактические размеры блока должны зависеть от размера двигателя и источника тепла. Вместе с тем, предпочтительно, блок имеет максимальное расстояние от самой внешней поверхности до ближайшей части корпуса, большее, чем 1 см. Данное фактически требует минимальной толщины блока, составляющей по меньшей мере 1 см.

Аналогично, конкретная толщина слоя облицовки зависит от рабочих параметров. Вместе с тем, толщина предпочтительно составляет от 1 мм до 0,5 мм.

Блок может иметь в общем форму усеченного конуса, расположенного коаксиально с рабочей частью и с более широким концом самого дальнего от рабочей части блока, где он обеспечивает круглую поверхность. Данная форма усеченного конуса представляет широкую круглую поверхность, обращенную от рабочей части цилиндра, которая является особенно подходящей для поглощения солнечного излучения.

Предпочтительно, только круглая поверхность блока на более широком конце представляет собой облицовку. Данная поверхность должна испытывать самые высокие температуры и поэтому выигрывает от защитной облицовки. Также, коническая криволинейная поверхность под круглой поверхностью является более сложной для облицовки. Данную поверхность предпочтительно наплавливают.

Для источника, не являющегося солнечным источником энергии, блок по существу с цилиндрической конфигурацией является предпочтительным. В данном случае, большая часть тепла поглощается через верхнюю и боковую поверхности блока. Боковая и верхняя поверхности предпочтительно представляют собой облицовку.

Читать еще:  Шаговый двигатель холостого хода лансер 9

Двигатель Стирлинга может являться двигателем Стирлинга любого вида, но предпочтительно является свободнопоршневым двигателем и является предпочтительно линейным двигателем.

Примеры двигателей Стирлинга согласно настоящему изобретению описаны ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На фиг. 1 представляет собой вид сбоку двигателя Стирлинга с участком рабочая часть, показанным в сечении для применения с источником солнечной энергии.

На фиг. 2 представляет собой сечение через конец рабочей части корпуса двигателя Стирлинга для двигателя, использующего в качестве источника энергии биомассу или отработанное тепло.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Базовая конструкция двигателя Стирлинга является известной в технике, например, двигатель Microgen TM lkW. Двигатель является линейным свободнопоршневым двигателем Стирлинга с вытеснителем (не показан) смежным с конец 1 рабочей части и рабочим поршнем (не показан) смежным с противоположным концом 2. Тепло подается на конец 1 рабочей части. Данная теплота поглощается внутренним оребрением 3, как показано на фиг. 2. Контур охладителя окружает центральный участок двигателя. Данный контур содержит впуск 4 охладителя и внутреннюю камеру 5 охладителя, вокруг которой охладитель циркулирует для создания перепада температуры между концом рабочей части и центральным участком двигателя. Данный перепад вызывает возвратно-поступательное перемещение вытеснителя образом, хорошо известным в уровне техники. Вытеснитель возвратно-поступательно перемещается без совпадения по фазе с рабочим поршнем, и создается выходной переменный ток на противоположном конце 2. Вода в контуре охладителя затем подается в теплообменник (не показан), где поглощает тепло отработанных газов двигателя для обеспечения подачи тепла.

Кольцевой фланец 7 окружает центральный участок двигателя и является средством, на которое двигатель опирается, также известным в уровне техники.

Настоящее изобретение направлено на создание блока смежного с рабочей частью для улучшения поглощение тепла для частных источников.

Как показано на фиг. 1, рабочая часть 10 цилиндра окружена блоком 11, имеющим в общем форму усеченного конуса с узким кольцевым концом 12 и широким круглым концом 13 с цилиндрической выемкой 14, продолжающейся по центру от узкого конца 12 блока 11 большую часть расстояния до более широкого конца. На конце выемки 14, образовано пространство 15 между криволинейной вершиной рабочей части и блоком 11. Данное выполнено, во-первых, поскольку создается низкая теплопередача, которая происходит в данной точке, и во-вторых поскольку цилиндрическую форму, показанную на фиг. 1, проще выполнить станочной обработкой.

Блок 11 выполнен из меди или алюминия и круглая верхняя поверхность 16 является облицовкой с круглым диском 18 из нержавеющей стали или Инконеля толщиной между 3 мм и 0,15 мм. На криволинейную поверхность 17 медного блока 14 и/или нижнюю облицовку 13 на узком конце 12 наплавлен никель.

Для работы обеспечен приемник солнечной энергии для направления солнечной энергии на круглый конец 13 так, что данная энергия поглощается в блок 11 и, таким образом, в рабочую часть 10. Понятно, что относительно большой размер блока и использование в нем меди или алюминия обеспечивает большое количество тепла, что оптимизирует поглощение тепла в рабочей части. Во-вторых, большое количество тепла обеспечивает некоторый уровень сглаживания для данного иначе непредсказуемого источника тепла.

На фиг. 2 показан аналогичный блок, подходящий для варианта без использования солнечной энергии. В данном случае блок 20 является цилиндрическим, но имеет аналогичную центральную выемку 14, принимающую рабочую часть. В данном случае обе, круглая концевая поверхность 21 и кольцевая боковая поверхность 22 облицованы слоем нержавеющей стали или Инконеля с толщиной между 3 мм и 0,15 мм, так как теплопередача более равномерно распределена по поверхностям. Концевая поверхность 23 блока ближайшая к установочному хомуту 7 не требует облицовки, поскольку не принимает значительного тепла напрямую. Однако, при необходимости тепло может требовать облицовки.

Обычные тепловые свойства используемых материалов приведены ниже:

СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ

Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).

В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило — слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме «Филипс» построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.

В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.

Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.

И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.

Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно — сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра — с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но «с обратным знаком» происходит в ветви низкого давления.

Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F =∆ p ( S б — S м ), где ∆ p — разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S б — рабочая площадь большого ротора; S м — рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector