Цикл работы двигателя стирлинга

Цикл работы двигателя стирлинга

Цикл работы двигателя стирлинга

На рис. 2 показана принципиальная схема термодинамического цикла Стирлинга в поршневом двигателе.

Кроме того, источником теплоты для двигателя Стирлинга может служить любой источник, генерирующий теплоту при температуре 500 К и выше. В качестве источника теплоты могут быть использованы продукты сгорания любых видов органических ископаемых и синтетических топлив, солнечная, геотермальная и ядерная энергия. Все это, а также возможность применения двигателя Стирлинга, помимо традиционных областей использования, для подводных и космических аппаратов, автомобилей и т. д., привлекает к нему внимание. Уже сейчас параметры двигателя Стирлинга по экономичности, удельной мощности такие же, как у современных дизелей, а по токсичности и шуму ниже.

Следует отметить, что двигатель Стирлинга дополняет и расширяет возможности поршневых тепловых двигателей.

В основе работы двигателя Стирлинга лежит термодинамический цикл, показанный на рис. 1.

Поршень в цилиндре остается неподвижным в ВМТ , пока поршень в цилиндре движется к НМТ , что соответствует процессу на рис. 1. Общий объем полостей уменьшается; в них происходит сжатие рабочего тела при минимальной усредненной его температуре. В процессе cz происходит совместное движение поршней, причем увеличение горячего объема компенсируется равным ему уменьшением холодного объема, т. е. общий объем V не меняется и остается минимальным; рабочее тело перемещается из холодного объема в горячий. В процессе осуществляется изохорный подвод теплоты к рабочему телу в регенераторе. В процессе zb поршень в цилиндре остается неподвижным в НМТ , а поршень в цилиндре движется к НМТ — объем горячей полости увеличивается. При этом общий объем возрастает, и во всех полостях происходит расширение рабочего тела при максимальной усредненной его температуре.

В процессе поршни в обоих цилиндрах движутся к ВМТ ; при этом уменьшение горячего объема в цилиндре компенсируется равным ему увеличением холодного объема в цилиндре. Общий объем остается постоянным и максимальным, а рабочее тело вытесняется из горячего объема в холодный.

Прежде чем рассмотреть рабочий цикл двигателя Стирлинга, обратимся к принципиальной схеме, приведенной на рис. 3. Для того чтобы в двигателе Стирлинга происходило преобразование теплоты в механическую энергию, в его конструкции должны быть следующие элементы: две рабочие полости с переменным объемом — горячая Ve и холодная Vc; три теплообменника — нагреватель Н, регенератор R и охладитель Ох, соединительные каналы, связывающие между собой теплообменники и полости с переменным объемом; механизм, преобразующий поступательное движение поршней во вращательное. Отдельные элементы, составляющие газовый тракт рабочего тела в двигателе Стирлинга, образуют замкнутую систему, т. е. отсуствует массообмен с окружающей средой. Таким образом, внутри этого газового тракта суммарная масса одного и того же рабочего тела (газа) постоянная и при работе не претерпевает фазовых превращений (могут быть использованы рабочие тела, изменяющие фазовые состояния).

В нагревателе — компактном теплооб-менном аппарате к рабочему телу подводится теплота. Аналогично при движении рабочего тела через охладитель от рабочего тела отводится теплота Q2. Ка-ких-либо устройств (клапанов, задвижек, золотников и т. д.) нет, что несомненно упрощает конструкцию двигателя и повышает его надежность.

Регенератор представляет собой высокопористую со сквозными порами тепло-аккумулирующую массу (металлическая сетка, путанка; спеченная высокопористая керамика и т. д.), которая получает теплоту от проходящего через нее горячего рабочего тела из нагревателя и отдает ее при обратном движении холодного рабочего тела из охладителя. Таким образом, в регенераторе двигателя благодаря внутреннему теплообмену осуществляется подогрев рабочего тела перед поступлением в нагреватель за счет аккумулированной теплоты. В результате уменьшается количество теплоты, подведенной извне, и повышается КПД двигателя.

Количество теплоты, вводимой во внутренний контур, а следовательно, совершаемая цикловая работа зависят от суммарной массы рабочего тела, находящегося во внутренних полостях двигателя. Суммарная масса рабочего тела увеличивается с ростом максимального давления во внутренних полостях при подаче в них дополнительного газа. Таким образом можно регулировать мощность двигателя.

Схема осуществления рабочего цикла двигателя Стирлинга приведена на рис. 4.

При сжатии рабочего тела в результате уменьшения суммы объемов горячей и холодной полостей выделяющаяся в холодной зоне (охладитель, часть регенератора, холодная полость) теплота отводится во внешнюю среду в охладителе. Закономерность изменения объемов горячей и холодной полостей подбирают таким образом, чтобы при сжатии большая часть рабочего тела находилась в холодной зоне. Это обусловливает уменьшение работы сжатия. В конце сжатия начинается вытеснение рабочего тела из холодной зоны в горячую (часть регенератора, нагреватель, горячая полость). При этом рабочее тело, проходя через регенератор, получает теплоту, аккумулированную в нем в предыдущем цикле. Так как обеспечить в регенераторе полную регенерацию теплоты невозможно, при дальнейшем движении рабочее тело нагревается до максимальной температуры в нагревателе. К этому моменту большая часть рабочего тела находится в горячей зоне, и его внутренняя энергия в результате подвода теплоты возрастает.

При последующем расширении теплота с помощью поршней преобразуется в механическую работу, которая передается на коленчатый вал, и сообщается потребителю. Для поддержания температуры рабочего тела при расширении на достаточно высоком уровне и близкой к постоянной от внешнего источника к рабочему телу в нагревателе подводится теплота. К концу расширения начинается вытеснение рабочего тела из горячей зоны в холодную. При этом рабочее тело, проходя через регенератор, часть своей теплоты передает теплоаккумулирующей насадке регенератора. В результате неполной регенерации теплоты рабочее тело при дальнейшем движении охлаждается до минимальной температуры в охладителе, который отводит теплоту во внешнюю среду. Из рассмотренной схемы рабочего цикла двигателя Стирлинга видно, что подвод теплоты от внешнего источника позволяет изолировать внутренние полости (внутренний контур) двигателя от внешней среды. Благодаря этому становится возможным применение в качестве рабочего тела в двигателях Стирлинга газов с наилучшими теплофизическими свойствами (водород, гелий и т.д.). Кроме того, становятся ненужными ряд систем, используемых в двигателях внутреннего сгорания (системы газораспределения, газообмена, зажигания, топливная высокого давления и т. д).

Читать еще:  Влияние сигнализации на запуск двигателя

В двигателях Стирлинга рабочий цикл осуществляется за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала. В этом смысле двигатель Стирлинга аналогичен двухтактному двигателю внутреннего сгорания. Однако в двухтактном двигателе использование подпоршневых полостей в качестве рабочих связано с определенными трудностями, что было отмечено выше, а в двигателях Стирлинга такое конструкционное решение является обычным.

На рис. 5 представлена принципиальная схема двигателя Стирлинга двойного действия. Характерной особенностью схемы является то, что все горячие полости расположены над поршнем, а холодные — в подпоршневых полостях. Это упрощает конструкцию уплотнений и повышает надежность их работы. Каждый ход поршня является рабочим. Фазы, составляющие рабочий цикл двигателя Стирлинга, рассмотрим на примере работы цилиндров. Когда поршень в цилиндре подходит к ВМТ (рис. 5, а), поршень в цилиндре двигателя движется к НМТ . Большая часть рабочего тела сосредоточена в холодной зоне, осуществляется процесс сжатия и охлаждения рабочего тела в холодной зоне. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

При движении поршня цилиндра к НМТ (рис. 5, б) увеличивается объем горячей полости, поршень цилиндра подходит к НМТ и объем холодной полости уменьшается до минимума. Осуществляется нагрев от внешнего источника, а также в регенераторе и вытеснение рабочего тела в горячую полость. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

В следующей фазе (рис. 5, в) поршень цилиндра приближается к НМТ , быстро увеличивая объем горячей полости. Поршень в цилиндре начал движение к ВМТ , и объем холодной полости увеличивается. Происходит процесс расширения с подводом теплоты от внешнего источника к рабочему телу в горячей зоне. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

Когда поршень цилиндра движется к ВМТ , уменьшая объем горячей полости (рис. 5, г), поршень в цилиндре приближается к ВМТ , и объем холодной полости увеличивается. Рабочее тело вытесняется в холодную полость, по пути охлаждаясь в регенераторе и охладителе. Этой фазе на индикаторной диаграмме соотвествует процесс.

Таким образом, если за начало отсчета угла поворота коленчатого вала принять положение поршня в цилиндре в ВМТ , то первый такт будет состоять из фаз процессов, второй — из процессов.

Электронная библиотека

Двигатель Стирлинга – газовый двигатель поршневого типа с внешним подводом теплоты, которая получается в результате сгорания твердых, жидких, газообразных топлив. Внешний подвод теплоты осуществляется через теплопроводящую стенку. Рабочее тело (водород, гелий, аргон, углекислый газ) находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Одна из возможных конструктивных схем двигателя Стирлинга, когда рабочий 5 (рис. 9.29) и вытеснительный 1 поршни находятся в одном цилиндре.

В процессе перекачки в горячую полость (над рабочим поршнем) рабочее тело в регенераторе 3 и нагревателе 4 получает теплоту, а в процессе перекачки в холодную полость (под рабочим поршнем) отдает теплоту в регенераторе 3 и охладителе 2. Для осуществления этих процессов движение вытеснительного поршня 1 сдвинуто по фазе по отношению к движению рабочего поршня 5.

Рис. 9.29. Конструктивная схема двигателя Стирлинга

Идеальный цикл Стирлинга состоит из четырех процессов (рис. 9.30). В процессе а–с холодное рабочее тело сжимается в изотермическом процессе Та = Тс = Т2 при интенсивном отводе теплоты q2«. В процессе c–z поршень-вытеснитель перемещает рабочее тело из холодной полости в горячую, так что vc = vz (изохорный процесс), а температура увеличивается от ТС = Т2 до Tz = T1 при подводе теплоты q1‘.

В изотермическом процессе расширения Tz = Te = T1 к рабочему телу подводится теплота q1«. Затем поршень-вытеснитель, перемещаясь в обратном направлении, выталкивает рабочее тело из горячей полости в холодную (ve = va = const) с отводом теплоты q2‘. Отличительной особенностью цикла Стирлинга является то, что рабочее

тело, перемещаясь из холодной полости в горячую и обратно через регенератор, то воспринимает теплоту от рабочего тела, то, охлаждаясь, отдает теплоту рабочему телу.

Рис. 9.30. Диаграмма работы идеального цикла Стирлинга

Работа в цикле Стирлинга представляет собой разность работы, полученной в процессе изотермического расширения (подвод теплоты q1«), и работы, затраченной в процессе изотермического сжатия с отводом теплоты (q2«):

При полной регенерации , так как

Термический КПД цикла при идеальном регенераторе равен:

Подставив выражения для q1« и q2« в уравнение (9.14), получим:

Так как изохоры идеального газа на TS-диаграмме эквидистантны, то

Таким образом, термический КПД цикла Стирлинга с полной регенерацией теплоты равен термическому КПД цикла Карно.

Если ввести параметры цикла: = va/vc степень сжатия и – степень повышения температуры, то термический КПД цикла может быть преобразован к виду:

Среднее давление цикла равно:

Двигатели Стирлинга завоевали право на широкое применение. Они достигли уровня современных дизелей, а по некоторым показателям превзошли их:

· меньше уровень шума;

· могут работать с практически любыми источниками теплоты.

Так, был создан и испытан в космическом пространстве для привода регенератора двигатель Стирлинга, в котором в качестве источника теплоты использовалась энергия солнечных лучей.

Цикл работы двигателя стирлинга

Итак, что это такое и как это работает.

Скажу сразу, что бы въехать в эту тему понадобится не мало времени, я сам не всё сразу понял, хотя казалось, что сложного ничего и нет. Снаружи всё просто и понятно пока не копнёшь глубже, где и спрятано все интересное. Выход здесь только один, если что то не понятно сразу — читай и смотри дальше, со временем всё прояснится, по крайней мере так было со мной.

Читать еще:  Чем отличаются роторные двигатели

Нус приступим, признаться я не могу и не буду описывать всё это хитро-научно-рефератным языком, на мой взгляд это отпугивает людей, всё нужно излагать по простому не выдумывая всяких там формул и мало кому известных понятий. Наличия высшего образования тоже не потребуется всё легко укладывается в школьную программу, а множество схем и простых поясняющих картинок максимально облегчит понимание.

Стирлинг — это устройсво преобразующее тепловую энергию в механическую ну как двигатель, с тем лиш отличием, что эта тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно(как это происходит например в двигателе внутреннего сгорания). Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство отличающее его от всех остальных машин. Да, ну и само собой такое название Стирлинг пошло от фамилии человека который всё это первый придумал, кто заинтересуется историей этого вопроса может нарыть в интернете кучу инфы, меня лично это мало волнует.

Понять его устройство можно на примере ряда картинок ниже.

Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому). Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу. И наоборот охлаждая корпус мембрана вогнется, опять совершив работу. Вот и весь цикл, проще не придумаеш, осталось только «автоматизировать» этот процес.

Для этого внутри корпуса двигателя размещается так называемый поршень вытеснитель(на рисунке он зелёненький с нерусским словом), смысл этого девайса в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от горячей области внизу к охлаждаемой вверху. На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой почти половину объёма внутренней полости двигателя, в виде такого диска, не плотно прилегающего к стенкам. Через этот зазор воздух перетекает из горячей полости в холодную и обратно.Надо сказать что сам этот поршень в идеале должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, поскольку он фактически разделяет собой гарячую и холодную области внутри двигателя.

Ну а дальше уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(или рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (внимательно изучайте картинки включайте воображение)

Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя(у нас на рисунке как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки). Это идеальный вариант соединения для такой схемы. Попытайтесь проиграть каждую картинку по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха внутри двигателя и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.

Надо ещё признать, что на схеме, а именно на оси , отсутствует одна важная деталь — это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.

НЕ отчаивайтесь если сразу не всё понятно, я сам помню долго въезжал, в своё время, а некоторые моменты полностью понял только когда собрал свой первый стирлинг. Главное начать, и если не потеряете интерес, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо здесь на самом деле масса хитрых моментов.

Более подробно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому — я изложил в форме серии видеоуроков , которые можно посмотреть ЗДЕСЬ

Вот например таже схемка но уже в движении, теперь я думаю будет несколько понятнее. Причем это фактически разрез реальной рабочей модели, жаль правда что только в одном боковом виде.

А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя, также присутствует маховик.

Или вот ещё пример.

Всё это были примеры низкотемпературных двигателей, так сказать моделек, игрушек, поясняющих принцип работы. Промышленные стирлинги которые используются в разных целях, от генерации электроэнергии, до говорят, движения подводных лодок выглядят совершенно по другому (будем рассматривать их в других разделах сайта). Но принцип всегда остаётся темже — нагрев и охлаждение замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода или гелия (короче рабочего тела по другому).

Вообще Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, гамма.

Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая

Ещё пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.

и ещё бетта тип, кинематика

А вот полная деталировка — всё по полочкам, гамма версия.

а это анимация стирлинга бетта типа

А вот маленький Стирлинг охлаждает своей работой какой-то чип на материнской плате, интересное применение.

Зато есть принципиальная схема этого девайса

А вот как на практике выглядит бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрая штука и самому такую извоять весьма проблематично, но для общего развития нужно иметь представление. Дальше в рубриках по конкретным типам двигателей я буду более подробно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов исполнения этого двигателя просто немеренно, этим он и интересен.

а это его кинематическая модель

А такая занятная игрулина вызовет массу приятных эмоций у любого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашки с горячим чаем, его мы тоже рассмотрим подробнее здесь.

Ну вот и всё вступление, для начала. Дальше в рубриках, по каждому типу двигателей, будет более подробно о них расказано и показано, есть много интересного видео, без просмотра которого невозможно полноценно оценить всю прелесть этих устройств. Не переключайтесь. всё только начинается.

Цикл работы двигателя стирлинга

Библиографическая ссылка на статью:
Працков И.И. Двигатель Стирлинга — универсальный источник энергии // Современная техника и технологии. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2015/01/5553 (дата обращения: 15.04.2021).

Читать еще:  Авто двигатель 10000 оборотов

В условиях современной жизни – эпохи потребления очень трудно сохранить то необходимое что у нас осталось – наши природные ресурсы. Надо задуматься, что скоро их останется очень мало, и получать энергию, без которой нам не обойтись, будет очень трудно.

Данная статья посвящается принципам работы, преимуществам, недостаткам и применению двигателя Стирлинга, который работает от разности температур и в качестве рабочего тела выступает воздух.

Принцип работы двигателя очень прост:

Работа двигателя основывается на использовании цикла Стирлинга, который по своей эффективности (термодинамической) в какой-то степени лучше, чем цикл Карно, и даже обладает преимуществом.

Дело в том, что практическое использование цикла Карно малоперспективно из-за того, что цикл представляет собой мало отличающиеся между собой изотермы и адиабаты. Использование для выполнения работы цикла Стирлинга позволило получить реально работающий двигатель в сравнительно небольших размерах.

Как же работает цикл Стирлинга?

Данный цикл состоит из четырёх фаз, которые разделены двумя другими фазами (переходными): сначала происходит нагрев, затем расширение, потом происходит переход к источнику холода, затем охлаждение, сжатие, и после, переход к источнику тепла.

По прохождении цикла (при переходе от тёплого источника к холодному) происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре, как следствие происходит изменение давления, за счёт чего можно получить полезную работу.

Нагрев и охлаждение рабочего тела производится вытеснителем. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое вытеснителем, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.[1]

При использовании цикла Стирлинга достаточно только подводить тепло, во избежание охлаждения рабочего тела во время его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.[2]

На сегодняшний день главное преимущество этого устройства заключается в том, что его можно сделать, как говорится, «в домашних условиях», и использовать его как источник электроэнергии.

Если же двигатель применять в промышленности как устройство выработки электрической энергии и использовать в качестве топлива солнце, то можно добиться колоссальной экономии денежных средств, которые в больших количествах затрачивались на оплату потребления электричества.

Из всего сказанного мною выше следует вопрос: почему же у нас в России нет производства этого устройства в промышленных масштабах?

Ведь у этого агрегата кроме недостатков (высокая материалоемкость, постоянно необходима разность температур(при чем больше разность, тем выше КПД)) есть много достоинств:

  1. Первым достоинством использования двигателя Стирлинга является экологичность, она обуславливается тем, что устройство не имеет выхлопа. Как следствие отсутствия выхлопа можно отметить гораздо сниженный уровень его шума по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Конструкция двигателя устроена так, что он не имеет каких-либо частей или процессов, которые могут загрязнять окружающую среду. Двигатель не использует (не расходует) рабочее тело. Так же экологичность устройства обуславливается экологичностью топлива. Отмечу, что реализовать практически полное сгорание топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в ДВС (в ДВС топливо (бензин или ДТ) сгорает в цилиндрах не полностью, в то время как в «стирлинге» сжиженый газ или спирт сгорают без остатка.
  2. Второе достоинство – в конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распределительный вал. Правильно спроектированный и изготовленный с использованием новых технологий двигатель Стирлинга не надо регулировать и настраивать в процессе всего срока эксплуатации, Стирлинг лишен этого недостатка. Кроме того, при запуске двигателя (если его применять в автомобиле) нет таких проблем как: низкий заряд аккумулятора, плохо отрегулированный (засоренный и т.д.) карбюратор, сломанный инжектор и прочее, что имеется при использовании двигателей внутреннего сгорания. Стирлинг не знает такое понятие, как ” заглох двигатель”. Двигатель остановиться в том случае, когда нагрузка превысит расчетную. Что бы запустить вновь, нужно сделать поворот маховика коленчатого вала.
  3. Простота конструкции обеспечивает длительность работы двигателя в автономном режиме.
  4. Можно использовать разные источники тепла : древесина, солнце, и так далее.
  5. Топливо сгорает не внутри объема двигателя, а снаружи, тем самым обеспечивается равномерное горение топлива и полное его дожигание, что позволяет достичь максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов.
  6. Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую.

На мой взгляд, было бы хорошо, если каждый, знал про это великое изобретение и имел возможность использовать его, при условии, что оно производилось бы в промышленных масштабах у нас в стране, и продавалось в магазинах, как например двигатели ДВС. То народ мог бы экономить посредством снижения затрат на электричество. С помощью использования принципов работы двигателя Стирлинга, можно было бы перейти на электрические двигатели для автомобилей. В мире уменьшится количество вредных выбросов в атмосферу, и, как следствие, уменьшится вред, наносимый окружающей среде, а главное, здоровью человека.

В настоящее время этот двигатель нашёл применение в Испании, где в качестве топлива используют солнечную энергию.

Кроме, как универсальный источник энергии, двигатель можно применять в разных областях, например: использовать двигатель как насос для перекачки различных жидкостей; тепловой насос, в холодильной технике; охладитель датчиков в сверхточных приборах; использование в подводных лодках и как аккумулятор энергии.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector