Motorul Stirling - principiul funcționării. Motoare Stirling cu temperatură joasă (fotografie)

Motorul Stirling, a cărui principiu de funcționare diferă calitativ de motorul obișnuit pentru toate modelele ICE, a fost ultima competiție demnă. Cu toate acestea, au uitat de asta pentru un timp. Cum se folosește acest motor astăzi, care este principiul funcționării sale (în articol găsiți și desene ale motorului Stirling, care demonstrează în mod clar munca sa) și care sunt perspectivele pentru utilizarea viitoare, citite mai jos.

poveste

În 1816, în Scoția, Robert Stirling a fost brevetat mașină termică, numit astăzi în onoarea inventatorului său. Primele motoare de aer cald au fost inventate chiar înainte de el. Dar Stirling a adăugat un dispozitiv de curățare pentru dispozitiv, care în literatura tehnică se numește un regenerator sau un schimbător de căldură. Datorită acesteia, performanța motorului a crescut atunci când unitatea a fost încălzită.

Motorul a fost recunoscut ca cel mai solid motor de abur disponibil la acel moment, deoarece nu a explodat niciodata. Înainte de aceasta pe alte motoare o astfel de problemă a apărut frecvent. În ciuda succesului său rapid, la începutul secolului al XX-lea, dezvoltarea sa a fost abandonată, întrucât a devenit mai puțin economică, în comparație cu motoare cu ardere internă și motoarele electrice. Totuși, Stirling a continuat să fie folosit în unele industrii.

Motorul cu combustie externă

Principiul de funcționare a tuturor motoarelor termice este acela că sunt necesare forțe mecanice mai mari pentru a produce gaz în stare expandată decât atunci când se comprimă pe cea rece. Pentru o demonstrație vizuală a acestui lucru, puteți efectua un experiment cu două vase pline cu apă rece și caldă, precum și o sticlă. Acesta din urmă este coborât în ​​apă rece, conectat cu un dop, apoi transferat la unul fierbinte. În același timp, gazul din sticlă începe să efectueze lucrări mecanice și împinge plută. Primul motor cu combustie externă sa bazat pe acest proces complet. Cu toate acestea, mai târziu, inventatorul a realizat că o parte din căldură poate fi utilizată pentru încălzire. Astfel, productivitatea a crescut semnificativ. Dar chiar și acest lucru nu a ajutat motorul să devină obișnuit.

Mai târziu, Ericson, un inginer din Suedia, a îmbunătățit designul, propunând răcirea și încălzirea gazului la presiune constantă în loc de volum. Ca urmare, multe exemplare au fost folosite pentru a lucra în mine, nave și în tipografii. Dar pentru echipaje au fost prea grele.

Motoarele cu ardere externă de la Philips

Asemenea motoare sunt de tipul:

• abur;
• turbină cu abur;
• Stirling.

Ultimul tip nu a început să se dezvolte din cauza fiabilității scăzute, iar restul nu este cel mai mare indicator în comparație cu alte tipuri de agregate care au apărut. Cu toate acestea, în 1938, Philips și-a reluat activitatea. Motoarele au început să servească pentru acționarea generatoarelor în zone neelectrice. În 1945, inginerii companiei le-au găsit aplicația opusă: în cazul în care arborele este netwisted cu un motor electric, atunci răcirea capului cilindrului ajunge la minus o sută nouăzeci de grade Celsius. Apoi a fost decis să se utilizeze în unitățile de refrigerare un motor îmbunătățit Stirling.

Principiul de funcționare

Acțiunea motorului este de a lucra pe cicluri termodinamice, în care compresia și expansiunea au loc la temperaturi diferite. În acest caz, controlul debitului fluidului de lucru este realizat datorită volumului schimbător (sau presiunii - în funcție de model). Acesta este principiul de funcționare al majorității acestor mașini, care pot avea diferite funcții și scheme constructive. Motoarele pot fi cu piston sau rotative. Mașinile cu instalațiile lor funcționează ca pompe de căldură, frigidere, generatoare de presiune și așa mai departe.

În plus, există motoare cu ciclu deschis, unde controlul debitului este realizat prin intermediul supapelor. Acestea sunt numite motoare ale lui Erickson, în afară de numele comun al numelui lui Stirling. În ICE, lucrările utile sunt efectuate după comprimarea prealabilă a aerului, injectarea combustibilului, încălzirea amestecului rezultat, intercalat cu arderea și extinderea.

Motorul Stirling are același principiu de funcționare: la compresiune la temperatură joasă are loc și la temperaturi înalte - expansiune. În mod diferit, încălzirea este efectuată: căldura este furnizată prin peretele cilindrului din exterior. Prin urmare, a fost numit motorul cu combustie externă. Stirling a folosit o schimbare periodică de temperatură cu un piston de deplasare. Acesta din urmă deplasează gazul de la o cavitate cilindrică la alta. Pe de o parte, temperatura este constant scăzută, iar pe de altă parte - ridicată. Când pistonul se deplasează în sus, gazul se deplasează de la cavitatea fierbinte în cea rece și în jos - se întoarce la cea fierbinte. În primul rând, gazul dă multă căldură frigiderului, iar apoi de la încălzitor ajunge la fel de mult ca și el. Între încălzitor și frigider există un regenerator - o cavitate umplută cu un material la care gazul emite căldură. Cu debitul invers, regeneratorul îl returnează.

Sistemul de propulsor este conectat la un piston de lucru care comprimă gazul la rece și îl permite să se extindă în căldură. Datorită comprimării la o temperatură mai scăzută, se efectuează lucrări utile. Întregul sistem trece prin patru cicluri cu mișcări intermitente. Mecanismul de manivelă asigură continuitatea. Prin urmare, nu există limite ascuțite între etapele ciclului, iar eficiența motorului Stirling nu scade.

Având în vedere toate cele de mai sus, concluzia sugerează că acest motor este o mașină cu piston cu o sursă externă de căldură, unde fluidul de lucru nu părăsește spațiul închis și nu este înlocuit. Desenele motorului Stirling ilustrează bine dispozitivul și principiul funcționării acestuia.

Detalii de lucru

Soarele, electricitatea, energia nucleară sau orice altă sursă de căldură pot furniza energie pentru motorul Stirling. Principiul muncii corpului său este utilizarea de heliu, hidrogen sau aer. Ciclul ideal are o eficiență maximă termică posibilă, egală cu treizeci la patruzeci la sută. Dar cu un regenerator eficient, acesta poate funcționa cu o eficiență mai mare. Regenerarea, încălzirea și răcirea sunt furnizate de schimbătoarele de căldură încorporate care funcționează fără uleiuri. Trebuie remarcat faptul că motorul are nevoie de lubrifiere foarte mică. Presiunea medie în cilindru este de obicei între 10 și 20 MPa. Prin urmare, necesită un sistem excelent de etanșare și posibilitatea introducerii uleiului în cavitățile de lucru.

Caracteristici comparative

În majoritatea motoarelor de astăzi de acest tip, se utilizează combustibil lichid. În același timp, presiunea continuă este ușor de controlat, ceea ce ajută la reducerea emisiilor. Absența supapelor asigură funcționarea silențioasă. Puterea cu o masă comparabilă cu motoarele cu turbo și puterea specifică primită la ieșire este egală cu indicatorul unității diesel. Viteza și cuplul nu depind unul de altul.

Costul producerii motorului este mult mai mare decât la ICE. Dar în operare, se obține opusul.

avantaje

Orice model de motor Stirling are multe avantaje:

• Eficiența în designul modern poate ajunge până la șaptezeci la sută.
• Motorul nu are un sistem de aprindere de înaltă tensiune, un arbore cu came și supape. Nu va trebui să fie ajustată pe întreaga durată de viață.
• În Stirling nu există această explozie, ca la ICE, care încarcă greu arborele cotit, rulmenții și tijele de legătură.
• Ei nu au acest efect când spun că motorul a murit.
• Datorită simplității dispozitivului, acesta poate fi folosit mult timp.
• Poate funcționa atât pentru lemn de foc, cât și pentru combustibil nuclear și orice alt tip de combustibil.
• Combustia are loc în afara motorului.

deficiențe

• Principalul dezavantaj al designului îl constituie consumul său material.
• Organismul de lucru trebuie să fie răcit, din cauza căruia dimensiunile cresc semnificativ.
• Pentru a obține caracteristici egale cu ICE, este necesară utilizarea presiunii înalte.
• Pentru corpul de lucru, căldura este furnizată prin pereții schimbătoarelor de căldură, în care există o conductivitate termică limitată.
• Pentru a schimba puterea motorului, schimbați volumul capacitatea tampon, presiunea medie a fluidului de lucru, unghiul de fază dintre dispozitivul de deplasare și piston.

cerere

În prezent, motorul Stirling cu generatorul este utilizat în multe zone. Aceasta este o sursă universală de energie electrică în frigidere, pompe, submarine și centrale solare. Datorită utilizării diferitelor tipuri de combustibil este posibil să se utilizeze pe scară largă.

renaștere

Aceste motoare au început să se dezvolte din nou datorită Philips. La mijlocul secolului al XX-lea, a intrat în contract cu General Motors. Ea a condus dezvoltarea pentru aplicarea Stirling în spații și dispozitive subacvatice, pe nave și mașini. În urma acestora, o altă companie din Suedia, United Stirling, a început să le dezvolte, inclusiv utilizarea posibilă pe autoturisme.

Astăzi, motorul liniar Stirling este utilizat în instalațiile de dispozitive subacvatice, spațiale și solare. Un interes deosebit față de acesta se datorează urgenței problemelor de deteriorare a situației de mediu, precum și a luptei împotriva zgomotului. În Canada și SUA, Germania și Franța, precum și Japonia, există căutări active pentru dezvoltarea și îmbunătățirea utilizării acestuia.

Viitorul

Avantaje explicite, care au un piston și un piston motor rotativ Stirling, care constă într-o mare resursă de lucru, folosirea combustibililor diferiți, lipsa de zgomot și toxicitatea redusă, o fac foarte promițătoare pe fundalul unui motor cu combustie internă. Cu toate acestea, având în vedere faptul că ICE a fost îmbunătățită pe parcursul întregii perioade, nu se poate schimba cu ușurință. Într-un fel sau altul, acest motor ocupă în prezent o poziție de lider și nu îi va preda în viitorul apropiat.