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

Что такое тепловой двигатель внешнего сгорания

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В настоящее время задача энергосбережения и повышения энергетической эффективности стоит одной из первоочередных в государстве. По этой причине возрос интерес к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии и устройствам, использующих их. Примерами устройств, которые могут из таких тепловых источников генерировать электричество, являются устройства, использующие двигатель Стирлинга. Основной причиной возобновления интереса к двигателю этого типа, изобретенному еще в 1816г., являются его серьезные положительные стороны:

1) способность работать от различных источников теплоты с высоким температурным потенциалом;

2) высокая экономичность двигателя;

3) многофункциональность двигателя (кроме основного назначения возможна работа в холодильной машине)

4) низкий уровень токсичности и дымности отработанных газов при условии использования углеводородных топлив;

5) работа двигателя не зависит от наличия атмосферы (возможность работы на подводных лодках и спутниках);

6) хорошие виброакустические характеристики;

Это делает реальным создание эффективных генераторов электроэнергии, работающих на подводимой теплоте для многих аппаратов и сфер малой тепловой энергетики, что в современных условиях приобретает все большее значение.

Стоит также упомянуть и о слабых сторонах этого механизма:

1) относительная сложность производства;

2) высокая цена производства из-за высокой металлоемкости;

3) КПД ниже, чем у двигателей внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга работает по принципу сжатия холодного рабочего тела и расширения горячего. Однако в отличие от двигателей внутреннего сгорания подвод теплоты в цикле осуществляется через промежуточный теплообменник-нагреватель, а рабочее тело остается всегда в замкнутом контуре.

Рис. 1. Идеальный цикл Стирлинга.

Идеальный цикл Стирлинга (рис. 1) состоит из двух изотермических процессов и двух процессов с постоянным объемом. Процесс 1-2 – изотермическое сжатие рабочего вещества при температуре T x с отводом теплоты Qx, процесс 2-3 – изохорический подвод теплоты от регенератора к рабочему веществу, процесс 3-4 – изотермическое расширение рабочего вещества при температуре Tг с подводом теплоты Qг, процесс 4-1 – изохорический отвод теплоты рабочего вещества к регенератору, причем теплота, отводимая от рабочего вещества в процессе 4-1, подводится к рабочему веществу в процессе 2-3.

Идеальный цикл Стирлинга является обобщенным циклом Карно и имеет одинаковый с ним термический КПД:

По конструкции двигатели Стирлинга делятся на: альфа-Стирлинг, бета-Стирлинг и гамма-Стирлинг. Производство механизмов на основе двигателей Стирлинга существует, однако, в них используется только высококалорийное топливо (например, газ). В данном случае, при использовании высокопотенциального топлива преимущества устройств с двигателем Стирлинга незначительны по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.

В России на базе научного потенциала с 2004 по 2008 гг., в г. Санкт-Петербурге было создано несколько компаний научно-производственного профиля для реализации ряда крупных проектов в области отечественного стирлингмашиностроения. Так, в этот период специалистами ООО «Инновационно-исследовательский центр «Стирлинг-технологии», ЗАО «Русский Стирлинг» и ЗАО «Научно-исследовательский и проектный институт стирлингмашиностроения» были проведены опытно-конструкторские работы по созданию гаражных заправочных станций сжиженного природного газа и систем улавливания паров нефтепродуктов на основе криогенных машин Стирлинга. Была разработана проектно-сметная и конструкторская документация на серийное изготовление данных систем. Также был реализован проект создания контейнерной электростанции с двигателем Стирлинга, работающим на угольном метане. Анализ серийно производимых машин Стирлинга, как двигателей, так и холодильных машин, показывает, что большинство современных компаний пытаются выводить на рынок либо лицензированные, либо модернизированные копии машин, ранее разработанных голландской компанией «Philips». Но такой подход может привести только к одному: копированию уже существующих технических решений, а, следовательно, к созданию морально устаревшей техники. Именно этим объясняются невысокие показатели эффективности и ограниченный ряд по мощности большинства существующих машин Стирлинга. Усовершенствования идут по разным направлениям. Прежде всего, применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только увеличивается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания.

В современных условиях строительства быстрыми темпами развивается малоэтажное коттеджное строительство (один дом – одна система ГВС и отопления), а также системы локального поэтажного отопления в многоквартирных жилых домах. Зачастую, и в первом, и во втором случае, для нагрева воды на отопление и горячее водоснабжение используется газовый котел, от которого отводятся продукты сгорания. Утилизация теплоты и использование ее в двигателе Стирлинга для работы может составить существенную роль в целях энергосбережения (рис. 2).

Рис.2. Схема установки с утилизатором.

Суть устройства: внутрь газового котла устанавливают двигатель Стирлинга β-типа, т.е. цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Стенки цилиндра необходимо делать из материалов с хорошей теплопроводностью. Одну часть помещают в дымовую трубу, где будут идти отработавшие газы с высокой температурой, другую можно совместить, к примеру, с водой, идущей на нагрев для горячего водоснабжения, т.е. ее в любом случае необходимо нагреть, а своей температурой (около 5°С) она будет охлаждать «холодную» часть цилиндра. Рабочее тело, попеременно сжимаясь и разжимаясь, будет двигать поршень, подключенный к генератору электрической энергии. Разность температур при этом процессе будет довольно высока, а если учесть тот факт, что уходящие дымовые газы обычно вообще никак не используют, данным способом можно аккумулировать около 80-90% теплоты уходящих дымовых газов, превратив их в электроэнергию с КПД 20-30%, что могло бы хватить на освещение жилого дома и подключение нескольких бытовых приборов-потребителей электроэнергии. Примером такого устройства является установка WhisperGen. Данное устройство и приготавливает теплоноситель для нужд горячего водоснабжения и отопления, и утилизирует тепло уходящих дымовых газов. WhisperGen microCHP имеет размеры сравнимые с посудомоечной машиной. Из-за того, что все находится в одном блоке, удается избежать потерь теплоты при движении дымовых газов. Природный газ сжигается в камере сгорания. Камера установлена в верхней части конструкции. Вода проходит в водяной рубашке двигателя, где она нагревается и обеспечивает охлаждение для двигателя. При высоком теплопотреблении вспомогательная горелка обеспечивает дополнительный нагрев. Двигатель имеет четыре поршня, рабочее тело – азот. Технические испытания установки проводились на серии одинаковых образцов. Основные результаты приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты испытаний

Количество устройств, штСуммарное время работы, чВыработано электроэнергии, кВт*ч
629273079317

Результаты расчетов показывают: одно устройство имеет среднее значение полезной мощности около 1,3 кВт.

Исходя из всего вышесказанного, можно предположить, что новая волна развития использования двигателей Стирлинга может быть связана с низкокалорийным топливом таким как, например, уголь и древесина. Успех в создании конкурентоспособных на мировом рынке, высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга может быть достигнут только как результат синтеза тщательной конструктивной проработки основных узлов машин Стирлинга, передовой технологии производства и высокого уровня научных исследований.

Двигатель внешнего сгорания принцип работы

Что означает понятие «двигатель внешнего сгорания». История создания тепловых машин с регенератором. Где применяются двигатели Стирлинга. Краткое описание принципа действия устройства по представленной схеме. Основные преимущества двигателей внешнего сгорания

  1. История создания
  2. Суть изобретения Стирлинга
  3. История развития двигателей внешнего сгорания
  4. Как работает тепловая машина Стирлинг
  5. Преимущества использования двигателя
  6. Двигатель Стирлинга своими руками
  7. Минусы двигателя Стирлинга
  8. Сфера применения двигателей внешнего сгорания
  9. Сравнительная характеристика
  10. Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС
  11. Ссылки [ править]
  12. Видео
  13. Автор публикации
  14. Роторный двигатель внешнего сгорания
  15. Двигатель внешнего сгорания Лукьянова
Читать еще:  Двигатель 8000 оборотов в минуту

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Суть изобретения Стирлинга

На схеме тепловой двигатель состоит из двух цилиндров компрессионного и рабочего. Левая и правая стороны удлиненного цилиндра разделены теплоизоляционной стенкой. Внутри ходит специальный вытеснительный поршень, который не соприкасается с боковыми стенками.

  1. К левой стороне устройства подводится тепло, к правой – охлаждение.
  2. Когда поршень движется влево, горячий воздух вытесняется в холодную правую зону и охлаждается.
  3. При этом газ уменьшается объеме.
  4. Рабочий поршень втягивается влево.
  5. При движении вытеснительного поршня вправо холодный воздух вытесняется в горячую зону, где нагревается и расширяется.
  6. Толкает рабочий поршень вправо.
  7. Рабочий и вытеснительный поршни связаны между собой через коленчатый вал с углом смещения 90 градусов.

Важно: Тепловой двигатель – это механизм поршневого типа с подводом тепла от внешнего источника. Рабочее тело устройства постоянно находится в замкнутом пространстве и не подлежит замене. Для поставки необходимого количества тепла могут быть использованы следующие источники:

  • электричество;
  • солнце;
  • ядерная энергия и пр.

История развития двигателей внешнего сгорания

В отличие от двигателей внутреннего сгорания (ДВС), где энергия выделяется в результате расширения объема воздуха при сгорании топливных смесей, здесь нагрев рабочего материала осуществляется через наружные стенки цилиндра. Отсюда произошло название «Двигатель внешнего сгорания».

Благодаря появлению в конструкции двигателя регенерирующего элемента, тепло надолго сохраняется в зоне действия при охлаждении рабочего тела, что способствует значительному повышению производительности двигателя. Изобретение позволило увеличить эффективность механизмов, его стали широко применять в промышленном производстве.

С течением времени, устройства Стирлинга утратили популярность, но по инерции продолжали применяться на некоторых немногочисленных производствах. Паровые двигатели уступили лидирующую ступеньку механизмам нового поколения:

  • двигателям внутреннего сгорания;
  • паровым машинам;
  • электрическим двигателям.

О достоинствах тепловых устройств снова стали вспоминать только в двадцатом веке. Внедрением двигателей Стирлинга в современные разработки занимаются лучшие инженерные коллективы известных производителей Америки, Швеции, Японии и пр.

Как работает тепловая машина Стирлинг

Принцип работы двигателя внешнего сгорания заключается в постоянной смене режимов – нагревание/охлаждение рабочего материала, находящегося в замкнутом пространстве. Исходя из законов физики, при нагревании газа, его объем увеличивается, а при снижении температуры, он уменьшается соответственно. Количество вырабатываемой энергии зависит от коэффициента изменения объема рабочего тела.

Под термином «рабочее тело» подразумеваются следующие вещества:

  1. Воздух.
  2. Пар.
  3. Газ (гелий, водород, фреон, двуокись азота).
  4. Жидкость (вода, сжиженный бутан или пропан).

Преимущества использования двигателя

  • Крутящий момент практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала.
  • В данном силовом агрегате отсутствуют такие элементы, как система зажигания и клапанная система. Также здесь отсутствует распредвал.
  • Достаточно удобно то, что на протяжении всего периода использования не потребуется проводить регулировку и настройку оборудования.
  • Данные модели двигателя не способны “заглохнуть”. Простейшая конструкция аппарата позволяет использовать его достаточно продолжительное время в полностью автономном режиме.
  • В качестве источника энергии можно использовать практически все, начиная от дров и заканчивая урановым топливом.
  • Естественно, что в двигателе внешнего сгорания процесс сжигания веществ осуществляется снаружи. Это способствует тому, что топливо дожигается в полном объеме, а количество токсических выбросов минимизируется.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

  • Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
  • Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
  • Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
  • Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
  • В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
  • Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
  • Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
  • Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

  • Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
  • Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
  • Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

Минусы двигателя Стирлинга

Невозможно в настоящее время массовое применения данного вида двигателя. Для таких агрегатов требуется большие радиаторы охлаждения. Теплообменник должен быть сделать из материалов, устойчивых к высоким температурным воздействиям.

Сфера применения двигателей внешнего сгорания

В результате последующих усовершенствований конструкции мотора, газ нагревается/охлаждается при постоянном давлении в системе (вместо сохранения объема). Это изобретение инженера из Швеции по имени Эриксон, позволило создавать двигатели, предназначенные для использования работниками шахт, типографий, судов и пр. В пассажирских экипажах того времени тепловые двигатели не применялись, т. к. обладали сравнительно большим весом.

Двигатели внешнего сгорания часто использовались для приведения в действие генераторов в районах, где отсутствовала подача электроэнергии.

Интересно: В 1945 году изобретатели-энтузиасты компании Philips придумали обратное применение тепловых устройств. При раскручивании вала электрическим двигателем, головка цилиндра охлаждается до минус 190°С. Это дало возможность использовать усовершенствованный поршневой двигатель внешнего сгорания Стирлинга в холодильных агрегатах.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Читать еще:  Бензин в масле двигателя инжектор причины

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Можно ли использовать двигатели Стирлинга вместо ДВС

Компания General Motors со второй половины ХХ века начала заниматься внедрением в производство V-образных стирлингов для кривошипно-шатунных механизмов. При испытаниях двигателей внешнего сгорания было замечено, что они идеально работают без звуков и шума. Здесь отсутствуют карбюратор, система зажигания, форсунки, требующие высокое давление, свечи, клапаны и пр. Для создания достаточного давления в цилиндрах двигателя не нужно взрывать топливо, как в ДВС. При использовании автомобилей, оснащенных двигателями внешнего сгорания, можно решить проблему, связанную со снижением шума в больших городах.

В результате проведенных испытаний были выявлены следующие достоинства и недостатки двигателей внешнего сгорания.

  • Преимущества данных устройств:
  • бесшумная работа (нет необходимости устанавливать глушитель);
  • отсутствие вибраций;
  • нет необходимости в создании высокого давления в системе;
  • универсальность, способность работать от различных источников тепла;
  • легкость регулировок.

К недостаткам двигателей относятся:

  • сравнительно большой вес конструкции;
  • малая экономичность;
  • высокая себестоимость механизма.

Упрощенная схема V- образного двигателя внешнего сгорания:

Один из цилиндров двигателя является рабочим (1), другой, соответственно, компрессионным (7). В каждом из них расположен свой поршень (2). В центральной части схемы размещены: охладитель (6), теплообменник (4), нагревательный элемент (3). При максимальной скорости одного из поршней, другой в это же время находится в неподвижном состоянии, его скорость равна нулю. Угол смещения фаз равен 90°, благодаря взаимно перпендикулярному расположению цилиндров.

Ссылки [ править ]

Описание ,принцип , сборка , плюсы и минусы Определение ,Принцип

Видео

Фильм «Роберт Стирлинг и его двигатель».

Как работает двух цилиндровый вакуумный двигатель.

Под знаком Стирлинга

В Москве прошла III Международная выставка «Перспективные технологии XXI века». Одним из гвоздей стала разработка ученых из Пскова.

В среде изобретателей слова «двигатель Стирлинга» звучат как пароль. По нему узнают своих. Тот, кто проникся его очевидными достоинствами, как правило, заболевает на всю жизнь. В самом деле, если для любого двигателя внутреннего сгорания выхлопы — это головная боль, то «Стирлинг» экологически чист. А еще его КПД — более 60 процентов, у ДВС — не более 35. Словом, не двигатель, а мечта. Она манит изобретателей почти 200 лет, с тех пор как шотландец Роберт Стирлинг придумал эту конструкцию, однако область применения пока остается узкой.

Есть несколько причин, почему «Стирлинг» не идет в массы. Одна из них — поршень. Принцип действия двигателя таков, что для эффективной работы число поршней в нем должно быть вдвое больше, чем в ДВС. Отсюда сразу же резко увеличиваются габариты и вес, а главное — цена. Поэтому уже давно энтузиасты «Стирлинга» пытаются уйти от поршня, заменив его роторно-лопастной системой.

— Я заболел этой идеей еще в юности, когда мечтал на автомобиле подняться на высоту 5-6 метров, — рассказывает главный конструктор нового двигателя Юрий Лукьянов. — Было ясно, что нужен мощный движок малых габаритов. Перебрав все варианты, понял, что подходит только роторно-лопастной «Стирлинг».

С тех пор прошло много лет. Лукьянов окончил институт, работал инженером на заводе, затем перешел в Псковский политехнический институт. Именно здесь собрал команду энтузиастов, куда вошли два доктора наук и три кандидата. Они взялись за создание нового двигателя, выиграли конкурс Роснауки и получили грант — 7,6 миллиона рублей.

— Мы сделали главное — описали математически все процессы в этом двигателе, — говорит Лукьянов. — До сих пор подобное никому не удавалось. И затем воплотили в железе основные узлы, доказав на деле, что математика верна.

По словам изобретателя, достоинства созданного ими «Стирлинга» очевидны. Он легче поршневого варианта, в нем намного меньше деталей, а потому он проще в изготовлении и в 10 раз дешевле. По тем же параметрам он выигрывает и у ДВС, не говоря уже об экологии и КПД.

Новый двигатель найдет применение прежде всего на небольших ТЭС мощностью до 1,5 МВт. Причем в качестве топлива можно использовать любое топливо, даже опилки. Себестоимость электроэнергии — копейка за киловатт-час! Такой «Стирлинг» можно устанавливать и на транспорте — судах и тепловозах, и т.д. Что же касается автомобиля, то специально для него Лукьянов сейчас разрабатывает новый вариант двигателя.

Среди других экспонатов этой выставки доминировали модные сегодня нанотехнологии, а также различные способы повышения добычи нефти и ее переработки. Так, Обнинский физико-энергетический институт им. Лейпунского представил не имеющие аналогов в мире самоочищающиеся фильтры, которые самую грязную воду делают совершенно прозрачной. Очисткой ведает мембрана с напыленными наночастицами. Специалисты сразу же оценили главные достоинства фильтра. Он не забивается грязью, которая быстро смывается водой. Впечатляет и производительность: от 100 до 700 литров в час. На их основе можно строить мини-заводы, причем их стоимость в два раза меньше, чем существующих сегодня установок очистки.

А предприятия Зеленограда выставили макеты платформ для выпуска самых разных элементов наноэлектроники, в частности, нанотранзисторов, чипов, интегральных схем и т.д. Такие комплексы уже установлены в Таганрогском радиотехническом университете, МГТУ им. Баумана, МИСиСе, Курчатовском институте.

Казанский государственный технологический университет вообще сделал ставку только на «нано». Здесь более десятка самых разных нанотехнологий для получения материалов с улучшенными свойствами, а также наноразмерных центров кристаллизации для эффективного тушения пожаров, рассеивания тумана, увлажнения почвы и т.д.

Ученые ВНИИнефть предлагают метод, который позволяет увеличить добычу «черного золота» из обводненных скважин. Дело в том, что вытесняющая нефть вода ищет «легкие пути», поэтому она не добирается до многих богатых топливом зон с низкой проницаемостью. Ученые научились управлять водой, направляя ее туда, где есть нефть. В итоге удается дополнительно взять из скважины тысячи тонн топлива.

Много лет символом бесхозяйственности считался попутный газ. Это бесценное сырье на месторождениях нефти просто сжигается в факелах. Об этом написаны кипы статей, сняты фильмы, но ничего не меняется. И вот, кажется, появилась надежда, что дело сдвинется с мертвой точки. Во всяком случае, Московский физтех представил технологию, которая позволяет получить из попутного газа метанол. По словам авторов разработки, уже есть опытный образец установки, а в ближайшее время на одном из месторождений начнется ее внедрение.

За попутный газ взялись и ученые ассоциации «Аспект». На основе нанотехнологий они создали комплекс по переработке попутного газа в ароматические углеводороды. Благодаря «нано» он потребляет мало энергии, что делает технологию экономически привлекательной.

Другая разработка «Аспекта» позволяет не только получать биогаз из любых видов отходов, но с помощью нанокатализаторов выделять из него метан, который обладает высокой теплоотдачей. Такой биокомплекс становится выгоден для небольших поселков.

Двигатель Стирлинга относится к двигателям внешнего сгорания. Он может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла, например, солнечных лучей. Принцип действия заключается в чередуемом нагревании и охлаждении воздуха в герметичном рабочем цилиндре.

Читать еще:  Что за robur двигатель

Двигатель внешнего сгорания можно сделать из консервной банки

Эта статья посвящена одному изобретению, запатентованному ещё в девятнадцатом веке шотландским одним священником Стирлингом. Как и все предшественники, это был двигатель внешнего сгорания. Только отличие его от остальных в том, что он может работать и бензине, и на мазуте, и даже на угле и дровах.

Двигатель внешнего сгорания. История открытия Стирлинга

В XIX веке возникла необходимость замены паровых двигателей на что-то более безопасное, так как котлы часто взрывались из-за высокого давления пара и некоторых серьезных конструктивных недостатков.

Хорошим вариантом стал двигатель внешнего сгорания, который запатентовал в 1816 году шотландский священник Роберт Стирлинг.

Правда, «двигатели горячего воздуха» делали и раньше, ещё в XVII веке. Но Стирлинг добавил в установку очиститель. В современном понимании ‒ регенератор.

Он повысил производительность установки, сохраняя тепло в тёплой зоне машины, в тот момент, когда рабочее тело охлаждалось. Это значительно увеличило эффективность системы.

Изобретение нашло широкое практическое применение, была стадия подъема и развития, но затем Стирлинги были незаслуженно забыты.

Они уступили место паровым машинам и двигателям внутреннего сгорания, а в двадцатом веке снова возродились.

Ввиду того что этот принцип внешнего сгорания сам по себе очень интересен, сегодня над созданием новых моделей трудятся лучшие инженеры и любители в США, Японии, Швеции…

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

Виды стирлингов

Существуют три классических вида двигателя Стирлинга:

  • Альфа-Стирлинг ‒ имеет два раздельных силовых поршня расположенных в раздельных цилиндрах. Один из них ‒ горячий, а другой ‒ холодный. Горячая пара «цилиндр и поршень» расположены в теплообменнике с высокой температурой, холодная пара «цилиндр и поршень» ‒ с пониженной температурой. У этого вида соотношение мощности и объёма достаточно велико, хотя, и очень высокая температура «горячего» поршня, что создаёт технические трудности при изготовлении.
    Регенератор расположен между горячей и холодной соединительными трубками;
  • В модели Бета-Стирлинг ‒ всего один цилиндр. Он горячий на одном конце и холодный на другом. Внутри цилиндра перемещаются поршень (с него снимают мощность) и вытеснитель (он изменяет объём горячей зоны). Газ качается из холодной зоны цилиндра в горячую сквозь регенератор. Регенераторы бывают внешними, в виде части теплообменника, или совмещёнными с поршнем-вытеснителем;
  • В варианте Гамма-Стирлинг тоже присутствуют поршень и вытеснитель, но здесь уже два цилиндра: первый холодный (где движется поршень для отбора мощности), и второй ‒ горячий с одной стороны и холодный с другой (там перемещается вытеснитель). Регенератор также может быть внешним, тогда он соединяет горячую зону второго цилиндра с холодной и с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор конструктивно входит в состав вытеснителя;

Применение

Двигатель Стирлинга можно применять в случаях, если требуется простой, компактный преобразователь тепловой энергии или когда эффективность других типов тепловых машин ниже: к примеру, если разница температур недостаточна для использования газовой или паровой турбины.

Вот конкретные примеры использования:

  • Уже сегодня выпускаются автономные генераторы для туристов. Есть модели, которые работают от газовой конфорки;

NASA заказало вариант генератора на основе «стирлинга», который работает от ядерного и радиоизотопного источников тепла. Он будет использоваться в космических экспедициях.

  • «Стирлинг» для перекачки жидкости гораздо проще установки «двигатель-насос». В качестве рабочего поршня он может использовать перекачиваемую жидкость, которая будет заодно охлаждать рабочее тело.Таким насосом можно накачивать воду в ирригационные каналы, используя солнечное тепло, подавать горячую воду от солнечного коллектора в дом, перекачивать химические реагенты, поскольку система полностью герметична;
  • Производителей бытовых холодильников внедряют модели на «стирлингах». Они будут экономнее, а в качестве хладагента предполагается использоваться обычный воздух;
  • Совмещённый Стирлинг с тепловым насосом оптимизирует систему отопления в доме. Он будет отдавать бросовое тепло «холодного» цилиндра, а полученную механическую энергию может использовать для подкачки тепла, которое идет из окружающей среды;
  • Сегодня на всех подводных лодках ВМС Швеции установлены двигатели Стирлинга. Они работают на жидком кислороде, который в дальнейшем используется для дыхания. Очень важный фактор для лодки, низкий уровень шума, а недостатки типа: «большой размер», «необходимость охлаждения» – в условиях подводной лодки не существенны. Аналогичными установками оснащены и новейшие японские подводные лодки типа «Сорю»;
  • Двигатель Стирлинга используется для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого он монтируется в фокусе параболического зеркала. Компания Stirling Solar Energy строит солнечные коллекторы мощностью до 150 кВт на зеркало. Они используются на крупнейшей в мире солнечной электростанции в южной Калифорнии.

Преимущества и недостатки

Современный уровень проектирования и технологии изготовления позволяют повысить коэффициент полезного действия «Стирлинга» до 70 процентов.

  • Что удивительно, крутящий момент двигателя практически не зависит от скорости вращения коленчатого вала;
  • Силовая установка не содержит системы зажигания, клапанной системы и распредвала.
  • На протяжении всего срока эксплуатации не нужны регулировки и настройки.
  • Двигатель не «глохнет», а простота конструкции позволяет эксплуатировать его в автономном режиме продолжительное время;
  • Можно использовать любые источники тепловой энергии, от дров до уранового топлива.
  • Сжигание топлива происходит вне двигателя, что способствует его полному дожиганию и минимизации выбросов токсичных веществ.
  • Так как топливо сгорает вне двигателя, то отвод тепла идёт через стенки радиатора, а это дополнительные габариты;
  • Материалоемкость. Чтобы сделать Стирлинг-машину компактной и мощной требуются дорогие жаропрочные стали, способные выдерживать высокое рабочее давление и имеющие низкую теплопроводность;
  • Нужна специальная смазка, обычная для «Стирлингов» не подходит, так как коксуется при высоких температурах;
  • Чтобы получить высокую удельную мощность, рабочее тело в «Стирлингах» применяют водород и гелий.

Водород отличается взрывоопасностью, а при высоких температурах может растворяться в металлах, образуя при этом металлогидриты. Иными словами, происходит разрушение цилиндров двигателя.

А ещё водород и гелий обладают высокой проникающей способностью и легко просачиваются через уплотнения, понижая рабочее давление.

Если вы, познакомившись с нашей статьёй, захотите приобрести устройство — двигатель внешнего сгорания, не бегите в ближайший магазин, такая штука не продаётся, увы…

Сами понимаете, те, кто занимается усовершенствованием и внедрением этой машины, держат свои разработки в секрете и продают их только солидным покупателям.

Но если вы поделитесь ссылкой на статью в социальных сетях, то возможно ваш комментарий прочитают заинтересованные люди и вы сможете пообщаться с единомышленниками на эту тему.

И не забудьте подписаться на наш блог – уверен, вас ждёт много интересного.

Смотрите это видео и делайте своими руками.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector