Сторінка
1

Двигун зовнішнього згорання - двигун Стірлінга

Двигуни зовнішнього згорання — клас двигунів, де джерело тепла чи процес згоряння палива відділені від робочого тіла.

До цього класу відносяться парові машини, парові турбіни, двигуни Стірлінга, газові турбіни зовнішнього згоряння, а також інші типи двигунів.

Довгий час були невиправдано забуті, останнім часом знаходять усе більше застосування, в основному через такі свої особливості як можливість використання будь-яких джерел тепла (наприклад, сонячної чи ядерної енергії), невимогливість до виду паливу і низькій токсичності вихлопних газів (при використанні органічного палива).

Двигун Стірлінга — теплова машина, що працює не тільки від спалювання палива, але від будь-якого джерела тепла, наприклад — сонячних променів. Відноситься до двигунів зовнішнього згоряння. Двигун Стірлінга був уперше запатентований шотландським священиком Робертом Стірлінгом 27 вересня 1816 року. Однак перші елементарні «двигуни гарячого повітря» були відомі ще наприкінці 17-го століття, задовго до Стірлінга. Досягненням Стірлінга є додавання очисника який він назвав «економ». У сучасній науковій літературі, цей очисник називається «регенератор» (теплообмінник). Він збільшує продуктивність двигуна утримуючи тепло в теплій частині двигуна в той час як повітря прохолоджується. Цей процес набагато підвищує ефективність системи. У 1843 році Джеймс Стірлінг використовував цей двигун на заводі, де він працював інженером. У 1938 році фірма «Філліпс» інвестувала в мотор Стірлінга, потужністю більш двохсот кінських сил і віддачею більш 30%. Двигун Стірлінга має багато переваг і був сильно розповсюджений в епоху парових машин.

Опис

У XIX столітті інженери хотіли створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, казани яких часто вибухали через високі тиски пари і невідповідних матеріалів їхньої структури. Гарна альтернатива паровим машинам з'явилася зі створенням двигуна Стірлінга, який може перетворювати в роботу будь-яку різницю температур. Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійному чергуванні нагрівання й охолодження газу в закритому циліндрі. Звичайно в ролі газу виступає повітря, але також використовуються водень і гелій. З термодинаміки відомо, що тиск, температура й обсяг газу взаємозалежні і діють за законом ідеальних газів:

Дія циклу Стірлінга

РV = nRT

де р — тиск газу

V — обсяг газу

n — кількість молів газу

R — універсальна газова константа

Т — температура газу в кельвінах

Тобто при нагріванні газу, його обсяг збільшується, а при охолодженні — зменшується. Це властивість газів лежить в основі роботи двигуна Стірлінга. Газ у закритому циліндрі використовує цикл Карно, який складається з чотирьох фаз, і розділений двома перехідними фазами: нагріванням, розширенням, перехідом до джерела холоду, охолодженням, стисканням і переходом до джерела тепла. У такий спосіб при переході від теплого джерела до холодного джерела, відбувається розширення і стискання газу, який знаходиться в циліндрі. Різницю обсягів газу можна перетворити в роботу, чим і займається двигун Стірлінга.

Конфігурація

Інженери підрозділяють двигуни Стірлінга на три різних типи:

· Альфа Стірлінг містить два роздільних силових поршні в роздільних циліндрах. Один поршень - гарячий, інший - холодний. Циліндр із гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з більш високою температурою, у той час як циліндр із холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. У даного типу двигуна відношення потужності до обсягу досить велико, але на жаль в Альфа Стірлінга мається ряд технічних проблем викликаних високою температурою "гарячого" поршня і його ізоляції.

· Бета Стірлінг

· Гама Стірлінг

Цикл Стірлінга

Ключовим принципом двигуна Стірлінга є те, що незмінна кількість газу закрита усередині двигуна. Цикл Стірлінга містить у собі послідовність подій, що змінюють тиск газу усередині двигуна і приводять його в роботу.

Є кілька якостей газів, що важливі для роботи двигунів Стірлінга:

· При наявності незмінної кількості газу в незмінному обсязі і збільшенні температури, тиск буде збільшуватися.

· При збереженні незмінної кількості газу і зменшенні обсягу, у якому він укладений, температура газу буде зростати.

Глянемо докладніше на кожну з частин циклу Стірлінга на прикладі спрощеного двигуна Стірлінга, що використовує два циліндри. Один циліндр нагрівається зовнішнім джерелом тепла (наприклад, вогнем), а другий прохолоджується, наприклад льодом. Циліндри заповнені газом і з'єднані один з одним, а їхні поршні механічно зв'язані за допомогою пристрою, що забезпечує визначений порядок їхнього руху.

У циклі Стірлінга чотири фази. Два поршні на вищенаведеній схемі роблять усі частини цього циклу:

1. Тепло, впливаючи на газ усередині циліндра, що нагрівається,(ліворуч), викликає збільшення тиску газу, що змушує поршень рухатися вниз. У цій частині циклу двигун Стірлінга робить роботу.

2. Лівий поршень рухається нагору, а правий рухається вниз. При цьому газ перетікає в охолоджуваний (правий) циліндр і охолодження приводить до падіння тиску, завдяки чому буде простіше зжати газ у наступній частині циклу.

3. Поршень правого, охолоджуваного циліндра починає стискати газ. При стиску виділяється тепло, що віддаляється через стінки охолоджуваного циліндра.

4. Правий поршень рухається нагору, а лівий рухається вниз. Це приводить до переміщення газу в циліндр, що нагрівається, де він швидко розігрівається, тиск збільшується і цикл повторюється.

Двигун Стірлінга робить роботу під час першої частини циклу. Є два основних шляхи збільшити потужність циклу Стірлінга:

· Збільшити вихід потужності на першому кроці - у першій частині циклу тиск газу, що нагрівається, на поршень здійснює роботу. Збільшення тиску в цій фазі циклу збільшить чинену двигуном роботу. Один зі шляхів збільшення тиску складається в збільшенні температури газу. Пізніше в цій статті на прикладі двухпоршневої машини Стірлінга ми побачимо також, як пристрій, називаний регенератором (regenerator) може підвищити потужність двигуна шляхом тимчасового збереження тепла.

· Зменшити витрати на третьому кроці - у цій частині циклу поршні роблять роботу над газом, використовуючи частину енергії, зробленої в першій фазі циклу. Зменшення тиску на цьому кроці може скоротити обсяг затрачуваної енергії, тобто загальна віддача двигуна зросте. Одним зі шляхів зменшити тиск є охолодження газу до більш низьких температур.

Ми розглянули ідеальний цикл Стірлінга. У реальних машинах використовуються варіації цього циклу, що зв'язано з фізичними обмеженнями в їхніх конструкціях. У наступних двох частинах статті будуть розглянуті два різних типи конструкцій двигунів Стірлінга. Двигун з витіснювачем ймовірно відноситься до найбільш простиї для розуміння типам, так що ми почнемо з його.