Что такое двигатель Стирлинга? Как работает двигатель Стирлинга? Как был открыт двигатель Стирлинга? В каких областях он используется? Как энергия тепла превращается в энергию движения? Подробно о двигателях Стирлинга — в нашей статье.

Что такое двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга — это машина, которая преобразует энергию, вырабатываемую внешним нагревом закрытой камеры, в механическую энергию. Также известен как двигатель горячего воздуха. Когда нагретый воздух расширяется и сжимается, двигатель начинает двигаться. Он был изобретен в 1816 году шотландским священником преподобным Робертом Стирлингом. Двигатель был разработан его братом Джеймсом Стирлингом. Во времена изобретателей использовались паровые машины, и они были довольно опасны. Они решили найти более надежную альтернативу. Они хотели преобразовать тепловую энергию непосредственно в энергию движения.

Что находится в двигателе Стирлинга?

Силовой поршень (вытеснитель): Он служит для перемещения газа в закрытой камере. Обычно он используется в двигателях бета- и альфа-типа.
Поршень: Он помогает преобразовывать тепловую энергию в механическую энергию, двигаясь в цилиндрах двигателя.
Маховик: Это структура, к которой прикреплены поршни. Задача этой конструкции – передавать вырабатываемую механическую энергию движущимся частям.
Кулер: Это помогает охлаждать газ в закрытой камере. Это помогает двигателю использоваться в течение более длительных периодов времени.
Нагреватель: Это самая важная часть двигателя. Он используется для нагрева газа в закрытой камере для преобразования тепловой энергии в энергию движения.

Кроме того, в некоторых типах двигателей он может использоваться в других компонентах, отличных от указанных. Это полностью на усмотрение разработчиков.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга работает путем многократного нагрева и охлаждения изолированного количества рабочего газа (обычно воздуха или газов, таких как гелий, водород).

Газ демонстрирует поведение, определяемое газовыми законами (относительно давления, температуры и объема). Когда газ нагревается, поскольку он находится в изолированном пространстве, его давление повышается и воздействует на силовой поршень, создавая рабочий ход. Когда газ охлаждается, давление падает, и в результате поршень использует часть работы, выполненной на обратном ходе, для повторного сжатия газа. Результирующая чистая работа создает силу на шпинделе. Рабочий газ периодически протекает между горячим и холодным теплообменниками. Рабочий газ запечатан внутри поршневых цилиндров. Так что выхлопных газов здесь нет. В отличие от других типов поршневых двигателей, клапаны не нужны.

В некоторых двигателях Стирлинга используется разделительный поршень для перемещения рабочего газа между холодным и горячим баками. Рабочий газ движется, поддерживая цилиндры при разных температурах, благодаря взаимосвязи силовых поршней нескольких цилиндров.

В настоящих двигателях Стирлинга между баками ставится регенератор. Это тепло передается от регенератора по мере того, как происходит газовый цикл между горячей и холодной сторонами. В некоторых конструкциях поршень сепаратора является самим регенератором. Этот регенератор способствует повышению эффективности цикла Стирлинга. Структура, упомянутая здесь как регенератор, на самом деле представляет собой прочную конструкцию, которая не будет препятствовать прохождению некоторого количества воздуха через нее. Например, для этой работы можно использовать стальные шарики. Когда воздух перемещается между холодным помещением и теплым помещением, он проходит через этот регенератор. Прежде чем горячий воздух достигает холодной части, он оставляет на этих шариках некоторую тепловую энергию. По мере того, как холодный воздух переходит на горячую сторону, он немного нагревается за счет выделившейся ранее тепловой энергии. Другими словами, он повышает эффективность двигателя за счет предварительного нагрева воздуха перед входом в горячую часть и предварительного охлаждения перед входом в холодную часть.

Идеальный цикл двигателя Стирлинга имеет такой же теоретический КПД, как и тепловой двигатель Карно, при тех же температурах на входе и выходе. Его термодинамический КПД выше, чем у паровых двигателей. (или некоторые простые двигатели внутреннего сгорания и дизельные двигатели)

Любой источник тепла может привести в действие двигатель Стирлинга. Двигатель внешнего сгорания, сгорание в выражении часто понимается неправильно. Источником тепла может быть сжигание, но также может быть солнечная энергия, геотермальная энергия или ядерная энергия. Точно так же источником холода, используемым для создания разницы температур, могут быть различные материалы с температурой ниже температуры окружающей среды. Охлаждение может быть достигнуто с использованием холодной воды или хладагента. Однако, поскольку разность температур, которую необходимо получить от холодного источника, будет небольшой, потребуется работа с большими массами, а потери мощности, которые возникнут при перекачке, снизят эффективность цикла.Продукты сгорания не вступают в контакт. с внутренними частями двигателя. Срок службы смазочного масла в двигателе Стирлинга больше, чем в двигателях внутреннего сгорания.

Типы двигателей Стирлинга

Существует 3 основных типа двигателей Стирлинга. Другие типы двигателей являются улучшенными версиями 3-х двигателей.

Двигатель Стирлинга типа «Альфа»:

Он состоит из двух поршней, маховика, замкнутой газовой камеры с поршнями, теплообменников, теплогенератора и маховика. Он направлен на активацию газа в нем за счет нагрева области поршня, расположенного вверху, с источником тепла. Нагретый газ начинает толкать поршень вперед и назад, другой присоединенный поршень начинает двигаться, так что горячий и холодный газ вытесняются в камере. Генерируемая энергия передается с помощью маховика, к которому подсоединены эти два поршня.

Двигатель Стирлинга бета-типа:

На одном валу 2 поршня. Эти два поршня соединены друг с другом. Нагревая камеру с поршнем внизу, газ в закрытой камере нагревается и активируется. Таким образом, поршень начинает движение вверх. Другой соединенный поршень также помогает холодному газу двигаться в камере. Маховик, к которому прикреплены поршни, передает генерируемую энергию.

Двигатель Стирлинга гамма-типа:

Есть два отдельных поршня. Камера с большим поршнем нагревается, и газ в ней активируется. Таким образом поршни, соединенные друг с другом маховиком, приходят в движение.

Преимущества двигателей Стирлинга

Поскольку тепло применяется извне, мы можем точно контролировать топливно-воздушную смесь.
Поскольку для обеспечения тепла используется постоянный источник тепла, количество несгоревшего топлива очень мало.
Этот тип двигателя требует меньше обслуживания и смазки, чем типы двигателей того же уровня мощности.
Они достаточно просты по устройству по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.
Они могут работать даже при низком давлении, они более безопасны, чем парогенераторы.
Низкое давление позволяет использовать более легкие и прочные баллоны.

Недостатки двигателей Стирлинга

Стоимость высока с точки зрения экономии топлива, так как необходимое тепло требуется при первом запуске двигателя.
Вывести его силу на другой уровень довольно сложно.
Некоторые двигатели Стирлинга не могут запускаться быстро. Им нужно достаточно тепла.
Как правило, газообразный водород используется в закрытой камере. Однако когда молекулы этого газа достаточно малы, его трудно удержать в камере. Поэтому мы несем дополнительные расходы.
Более холодная часть должна поглощать достаточно тепла. Если потери тепла слишком велики, КПД двигателя снизится.

Области применения двигателей Стирлинга

Двигатели Стирлинга применяются в авиационных двигателях малой мощности, судовых двигателях, тепловых насосах, комбинированных теплоэнергетических установках. Сегодня он в основном используется для выработки электроэнергии на солнечных батареях.

Что такое двигатель Стирлинга? Как работает двигатель Стирлинга?