Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

Двигатель внутреннего сгорания вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

Область применения

Двигатели Стирлинга, работающие от внешнего источника тепла, могут применяться для изготовления:

• Генераторов. При помощи силового агрегата можно преобразовать тепловую энергию в электрическую. Это очень удобно в местах, где подача электричества осуществляется с перебоями или отсутствует;
• Насосов для перекачки различных жидкостей.мощности силовой установки достаточно для перекачивания различных жидкостей;
• Климатического оборудования;
• Автомобилей и самоходной техники.

Простота конструкции позволяет использовать силовые агрегаты для создания автомобилей и различного оборудования. Работа на любом топливе позволяет использовать такие моторы в местах, где подача электроэнергии осуществляется с перебоями или отсутствует.

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

• Позиция «A»:

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

• Позиция «B»:

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

• Позиция «C»:

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

• Позиция «D»:

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

• 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
• 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
• 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
• 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

• Двигатель «α – Стирлинг»:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

• Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло. 2. Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы. 3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую. 4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать. 5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку – она дает очень хороший результат. Удачи в техническом творчестве!

Идеальный двигатель – есть ли такой, в принципе?

Паровые, либо двигатели внутреннего сгорания, — оба типа используют тепловую энергию, благодаря которой газ расширяется, а затем охлаждается. Зависимостью разницы температур определяется эффективность конструкция двигателя. Теория работы идеального двигателя подкреплена наукой о термодинамике и теоретической моделью, демонстрирующей моменты:

• расширения,
• сжатия,
• нагрева,
• охлаждения газа в цикле.

Прежде чем рассматривать конструкцию двигателя Стирлинга, не лишним будет рассмотреть недостатки паровых двигателей. Понятно, что сформированный от нагрева воды пар движется по трубе в цилиндр через открытый входной клапан, где толкает поршень и приводит в движение колесо, связанное с поршнем.

Затем входной клапан закрывается и открывается выходной клапан. Импульс движения колеса заставляет поршень возвращаться в цилиндр и выталкивать охлажденный пар через дымовую (паровую) трубу.

Схема паровой системы: 1 – шток клапана; 2 – боковой клапан; 3 – вход пара высокого давления; 4 – выход пара; 5 – перекрёстная головка; 6 – направляющая крейцкопфа; 7 – поршневой шток; 8 – поршень; 9 — цилиндр

Конструкция парового двигателя далеко не идеальна. Во всяком случае, есть четыре очевидных недостатка.

1. Котёл производит пар высокого давления, поэтому всегда существуют риски взрыва.
2. Котёл конструктивно располагается на некотором расстоянии от цилиндра, поэтому очевидны потери энергии.
3. Выбрасываемый отработанный пар также способствует потерям энергии.
4. Паровой двигатель потребляет огромное количество воды и топлива.

Конструкция двигателя Стирлинга

Отмеченные выше недостатки, между тем, вполне допустимо устранить. Например, избавиться от котла (устраняя опасность взрыва), а также использовать тепло огня для непосредственного питания двигателя. Тогда, вместо того чтобы использовать пар для перемещения тепловой энергии, можно использовать обычный воздух (или другой газ) для перемещения тепловой энергии.

Если поместить эту газовую составляющую внутрь закрытой трубы, и организовать движение взад и вперед снова и снова. Так можно получать энергию, исключив фактор постоянной подачи воды.

Наконец, есть смысл добавить в конструкцию теплообменник, чтобы энергию горячего газа удерживать внутри машины с последующим использованием повторно для повышения общей эффективности. Это и есть основные способы, которыми выделяется двигатель Стирлинга, как существенная модернизация паровой конструкции.

Существуют регенеративные тепловые двигатели Стирлинга замкнутого цикла, которые в целом соответствуют описанной выше концепции. Регенеративная конструкция указывает на использование теплообменников для сохранения части тепла, которое в противном случае теряется в каждом цикле.

Использование гелия

В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.

Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века

В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.

Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P.389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.

Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…

Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга. Источник: Wikimedia Commons , автор: Загружено Skyemoor .

Одной из последних идей использования двигателей Стирлинга было «спуск с параметров». То есть нашли применение для двигателей с низкими характеристиками и существенно более низкой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Примерно в начале XXI века с помощью двигателей Стирлинга была обнаружена идея восстановления энергии, утраченной в процессах нагрева, таких как «дымоход» с дымовым газом из СО-печей. Однако экономический расчет по-прежнему был против использования таких решений в больших масштабах.

Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах.

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга STM с начала 21 века. Электрическая мощность: около 38 кВт или 65 кВт. Высота корпуса: около 1 м. Источник: Викисклада , автор: В.Т.Чыманский.

Двигатели Стирлинга — технологический прорыв в автономной энергетике XXI века

Н.Г. Кириллов, доктор технических наук, академик Академии военных наук, Заслуженный изобретатель РФ.

Стирлингостроение — новое перспективное направление в области двигателестроения

Сейчас уже всем очевидно, что одним из основных направлениями развития экономики и научно-технического прогресса в XXI веке становятся задачи поиска перспективных техноло­гий энергопреобразования и серийного производства новой техники на основе высокоэф­фективных термодинамических циклов с использованием возобновляемых видов топлива и новых рабочих тел. Это означает создание, производство и внедрение в массовое применение таких высокоэффективных и экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения в энергии при минимальных затратах мате­риальных ресурсов.

Во всех развитых странах мира (прежде всего, ЕС и США) основой инновационного развития промышленности становится задачи перехода на новый технологический уровень, связанный с энергосбережением, экологий и сокращением доли использования традиционных энергоресурсов. Так, к 2025 году в странах ЕС более 20% энергии будет производиться за счет использования альтернативных и возобновляемых видов топлива. В рамках решения этих задач, по оценкам многих зарубежных специалистов, наиболее перспективным путем является разработка, производство и широкое внедрение энергопреобразующих сис­тем на основе двигателей Стирлинга.

Термодинамический цикл рассматриваемых двигателей был предложен в 1816 году шотландцем Робертом Стирлингом. Наличие двух изотерм определяет равенство термодинамической эффективности идеального цикла Стирлинга и цикла Карно. Поэтому теоретически двигатели, работающие по циклу Стирлинга, потенциально самые высокоэффективные машины из всех существующих типов двигателей.

Первые наиболее интенсивные и серьезные работы по созданию конкурентноспособных двигателей Стирлинга, отличающихся чистотой выбросов, низким уровнем шума ввиду отсутствия взрывного сгорания, отсутствием систем газораспределения и зажига­ния, высокой топливной экономичностью начались в 1934 году в голландской .

С 1975 года до 1990-х годов работы по создание двигателей Стирлинга велись в основном для автомобилестроительных компаний, таких как, “GeneralMotorsCo”, “FordMotorCo”, “MAN-MBW” и для военных нужд. Транспортные двигатели Стирлинга, как правило, исполнялись по типу двойного действия, с линейным приводом и т.д. При создании транспортных двигателей Стирлинга, с учетом большого количества циклов «пуск-остановка» и часто меняющейся мощности, жестких требований по массе и размерам, применялись дорогостоящие материалы (например, кобальт, цинк, медь, никель и т.д.) и сложное технологическое исполнение оригинальных конструктивных элементов. Такой подход позволял добиваться максимальных среди всех поршневых двигателей показателей эффективности, но и значительно повышал стоимость изделий. В настоящее время за рубежом транспортные типы двигателей Стирлинга широко используются в аэрокосмической технике, подводном кораблестроении, в качестве источников энергии для переносных станций связи диверсионных групп и войск специального назначения, а также в других областях военной техники.

С середины 90-х годов прошлого века в области создания двигателей Стирлинга стало превалировать направление стационарных энергетических установок. При их серийном производстве и эксплуатации наиболее значимым показателем является стоимость, которая складывается из стоимости изготовления и обслуживания. Массовые и габаритные характеристики для стационарных когенерационных установок не являются столь определяющими. На основе этого, в современных типах двигателей Стирлинга заложены новые технические решения, позволившие значительно снизить их стоимость. Необходимо отметить, что рядом зарубежных фирм начато производство двигателей, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки в диапозоне мощностей от 1 до 100 кВт.

Основные технические характеристики предлагаемых сегодня на рынке энергетических установок на основе двигателей Стирлинга, зависимости от фирмы производителя, колеблется в пределах:

— удельная стоимость от 1300$ до 3000$ за киловатт установленной мощности;

— моторесурс от 20000 до 87000 часов;

— эффективный к.п.д. до 45%.

Необходимо отметить, что в последние годы на рынке производителей двигателей Стирлинга происходят серьезные изменения. К работам по созданию двигателей Стирлинга приступили практически во всех крупных энергетических компаниях мира. О своих программах по двигателю Стирлинга заявили такие ведущие в мире фирмы по производству энергетических установок, как «TODEM», “CumminsPowerGeneration”, “ToshibaCorp.”, “MitsubishiElectricCorp.” и др. Только за последний, 2007 год, появились новые мощные объединения, например, европейский швейцарско-немецкий концерн «Stirling Systems AG» и транснациональная корпорация, в состав которой входят ведущие американские, японские, итальянские и немецкие энергетические фирмы (“Merloni Termosanitari (MTS Group)” (Италия), “Bosch Group” (Германия), “Rinnai” (Япония), “Infinia” (США).

Появление столь крупных компаний, объединяющих в себе значительные финансовые и производственные мощности, объясняется новым более высоким уровнем требований к эффективности энергетических систем, их экологической чистоты, возрастанием требований по использованию возобновляемых и чистых местных энергоресурсов. Безусловно, уже в ближайшее время это приведет к жесткой конкурентной борьбе на рынке двигателей Стирлинга и автономных энергетических установок в целом.

Перспективы использования машин Стирлинга в различных областях энергетики в настоящее время стали очевидным для всех промышленно развитых стран мира, так по данным зарубежных экспертов, в настоящее время во всем мире не менее 140 научно-исследовательских организаций и компаний ведут интенсивные исследования в этом направлении. Ведущими странами в области проектирования и создания машин Стирлинга являются США, Великобритания, Япония, ФРГ, Швеция и Нидерланды. Кроме перечисленных стран, в последнее время начались интенсивные исследования по двигателям Стирлинга в Китае, ЮАР, Австралии, Израиле, Канаде, Индии и ряде других стран. Объективно, в последние 15-20 лет в мире начала формироваться новая перспективная отрасль машиностроения – стирлингостроение.

Что такое машины, работающие по циклу Стирлинга?

Машины Стирлинга — это машины, работающие по замкнутому термодинамическому циклу, в котором циклические процессы сжатия и расширения происходят при различных уровнях температур, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема.

Конструктивно, машины Стирлинга представляют собой удачное сочетание в одном агрегате компрессора, детандера и теплообменных устройств: теп­лообменника нагрузки (нагревателя или конденсатора), регенератора и холодильника. В качестве рабочего тела используется, как правило, ге­лий, а также азот и воздух.

К достоинствам машин, работающих по циклу Стирлинга, следует отнести высокую степень экологической чистоты как самих рабочих тел машин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуата­ции, а также энергетическую эффективность.

К преимуществам машин Стирлинга следует отнести ряд принципиальных свойств, присущих только этим машинам и создающих реальные предпосылки для их широкого использования практически во всех областях промышлен­ности и техники, основными из которых являются:

* широкая универсальность самого термодинамического цикла, позво­ляющего при различном конструктивном исполнении создавать как преобра­зователи прямого цикла (двигатели), так и обратного цикла (холодильные и криогенные машины);

* наивысшая энергетическая эффективность (теоретический к.п.д. цикла идеальной машины Стирлинга равен к.п.д. цикла Карно);

* высокая степень экологической чистоты как самих рабочих тел ма­шин Стирлинга, так и отработанных сред, возникающих при их эксплуатации;

* многотопливность двигателей — возможность применения в качестве источников теплоты не только сгорание традиционных энергоносителей (нефтепродукты, природный газ и т.д.), но и солнечной радиации, биогаза, древесины, торфа, угля и т.д.

Среди выпускаемых двигателей энергетические установки с двигателем Стирлинга наиболее экологически чистые, так как концентрация вредных веществ в продуктах сгорания двигателя Стирлинга практически на два порядка ниже, чем у других поршневых и газотурбинных двигателей. Важнейшим потребительским свойство двигателей Стирлинга является самый низкий уровень шума по сравнению со всеми существующими двигателями других типов. В настоящее время этот показатель для двигателя Стирлинга колеблется на уровне 60-65 дБ. Это дает возможность устанавливать стирлинг-генераторы в непосредственной близости от потребителя, что позволит избавиться от потерь на передачу электроэнергии.

Современные области применения энергетических установок с двигателями Стирлинга

Современная мировая энергетика развивается в направлении децентрализации энергоснабжения, которое оказывает содействие созданию автономных когенерационных установок и максимального использования возобновляемых источников энергии. Исключительное свойство двигателей Стирлинга, как двигателя с внешним подводом теплоты, позволяет применять не только традиционные виды топлива, но также все без исключения виды альтернативных топлив, известных в настоящее время в мире, например, биогаз, уголь, отходы деревообрабатывающей промышленности и сельского хозяйства, солнечную, атомную, высокопотенциальную теплоту дымовых газов и любые другие виды энергии, делает их особенно привлекательными в связи с использованием энергии из возобновляемых источников. Двигатель Стирлинга можно использовать во всех областях, где требуется преобразование тепловой энергии в механическую.

Когенерационные энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на традиционном газовом топливе (природный газ и пропан).

Высокая экологическая чистота и эффективность обеспечивают перспективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках (КУ) мощностью до 100 кВт, для одновременной выработки электроэнергии и тепла в местах их непосредственного потребления. Это новая технология для комбинирован­ного производства электроэнергии и тепла, на основе автономных двига­телей и системы рекуперации тепла, в которой энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребите­лей. Эффективность применения двигателей Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и газовыми турбинами, обусловлена особенностью его теплового баланса, выражающегося в разнице между потерями теплоты с отработанными газами и в охлаждающую воду. Для двигателя Стирлинга этот баланс составляет, соответственно, 10% и 40%, что с учетом более высокого к.п.д. самого двигателя, позво­ляет создавать компактные и высокоэффективные когенерационные установки (КУ). К.п.д. современных зарубежных стирплинг-генераторов с учетом получения дополнительного тепла может достигать до 95%.

На рис. 1 представлен двигатель Стирлинга, работающий на природном газе мощностью 9 кВт. Данный двигатель входит в состав когенерационной установки вырабатывающей дополнительно около 27 кВт тепловой энергии.

Применение КУ на основе двигателей Стирлинга позволяет на 40% снизить расход топлива на производство электроэнергии и тепла, по сравнению с централизованным энергоснабжением. Себестоимость 1 кВт*.ч электроэнергии, выработанной в когенерационной установке, в 3 — 4 раза ниже, чем действующие тарифы централизованных энергосистем (для России!!!), а тепло получается фактически бесплатным! Применение КУ позволяет эффективно допол­нять рынок теплоэнергоснабжения без реконструкции старых, перегруженных сетей. Автономная работа когенерационной установки позволяет обеспечить потребителей теплом и электро­энергией со стабильными темпе­ратурными показателями и ка­чественной горячей водой.

С 2008 года в Германии и в ряде других развитых стран реализуются федеральные энергетическая программы по установки в домах и квартирах когенерационных установок на двигателем Стирлинга с электрической мощностью от 1,5 кВт. По мнению немецких специалистов, предтворение в жизнь данного проекта позволит избежать строительства трех крупных атомных электростанций на территории страны.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на твердых биоресурсах.

В настоящее время ввиду истощения ранее разведанных запасов и удорожания органического топлива (нефти и природного газа), для многих стран мира представляет значительный интерес возмож­ность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 100 кВт) с модификацией двигателя Стирлинга под местное топливо. В качестве местного топлива для стирлинг-генераторов может использовать­ся торф, измельченный уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Решение данного вопроса уже в бли­жайшее время позволит обеспечить многие регионы мира дешевыми в экс­плуатации автономными энергоисточниками на местном топливе.

В настоящее время на рынке уже появились когенерационные установки с двигателями Стирлинга, в качестве топлива для которых используются древесная щепа, торф, биогаз и отходы сельского хозяйства.

Возврат к биоресурсам – это не возврат в прошлое, а разумный подход к экономике и экологии. Широкое использование автономных источников энергии, работающих на местном топливе, отражает мировую тенденцию на энерго- и ресурсосбережение. Наиболее интенсивно данное направление развивается в странах имеющих значительный запас биоресурсов (леса, торфяных болот и т.д.), к числу которых относятся: Швеция, Норвегия, Дания, Финляндия, России, страны Африки и Южной Америки. В России многие регионы обладают огромными запасами местного дешевого топлива. Так, например, Карелия (северо-западный регион России) располагает значительными ресурсами постоянно возобновляемой биомассы в виде древесных растений, торфа и отходов сельского хозяйства, которые могут быть использованы в энергетических целях. Запасы торфа в Карелии оценены в 2 млрд. тонн и ресурсы древесного сырья лиственных пород около 2 млн.м3/год. Только за счет использования торфа и древесного сырья можно на 60% уменьшить объем привозного топлива, а это практически третья часть бюджета Республики Карелия.

На рис.2 показан двигатель Стирлинга мощностью 28,5 кВт , работающий на древесной щепе.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на генераторном газе.

Другим направлением использования стирлинг-генераторов, работающих на твердой биомассе является использование технологии газификации биомассы. Газификация древесных отходов обеспечивает получение топливного газа, основу которого составляет СО, Н2 и N2 и который может быть использован в качестве газообразного топлива для двигателей Стирлинга. При получении генераторного газа из древесины его теплотворная способность обычно составляет 12-13 МДж/кг, удельная масса — 1,10 до 1,15 кг/м.куб. Выход газа, в среднем, 1,8-2,5 м.куб. на каждый килограмм газифицируемой биомассы. Благодаря высокой эффективности процесса газификации (выход генераторного газа — 85-90%), а также удобству использования газа в качестве топлива, газификация является более чистым и эффективным способом получения тепла, чем сжигание твердого топлива непосредственно в топке котла. Еще одним важным преимуществом является то, что для работы газогенератора можно использовать топливо низкого качества — опилки, стружка, измельченная кора.

Переработка древесных отходов методом пиролизного генерирования газа позволяет получать дешевую энергию. Газогенератор может решить проблемы по обеспечению теплом и электроэнергией население небольшого поселка или удаленной городской окраины крупного города. В качестве загрузочного материала могут быть использованы отходы из ближайшего леса — разобранные буреломы, кора, древесные отходы с плановых вырубок, ветви и т.п. В газогенераторе можно использовать наиболее плохие отходы древесины, низкокалорийные и содержащие высокий процент влаги — до 50%. Размеры древесных отходов, используемых в качестве топлива могут быть до 30 см .

В основе работы газогенератора лежит принцип: преобразование твердого топлива в газообразное под воздействием высокой температуры без доступа кислорода. В результате процесса, называемого пиролизом, вырабатывается генераторный, древесный газ. Газогенераторная установка предельно проста по конструкции, не требует специально обученного обслуживающего персонала в эксплуатации. Газогенератор состоит из трех основных частей: камеры газообразования, камеры возгорания и загрузочного бункера. Детали установки, работающие при повышенных температурах, изготавливаются из жаропрочных материалов. Высокая рентабельность газогенераторных стирлинг-генераторов определяется дешевизной электрической и тепловой энергии, использованием местных видов топлива, близостью к потребителю, отсутствием необходимости в дорогостоящих ЛЭП и подстанциях, экологической безопасностью и мобильностью.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающие на солнечной энергии.

Высокий к.п.д. и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в солнечных энергетических установках (Рис.3). Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить. Из известных практически реализованных солнечных установок для получения электроэнергии наибольшим к.п.д. обладают установки с па­раболическими зеркалами и двигателями Стирлинга.

Среди наиболее значимых проектов по использованию солнечной энергии в настоящее время является проект создания грандиозной солнечной фермы на юге США. По данному проекту, на территории штата Невада площадью 160 кв. км будет создана, не имеющая аналогов в мире, гелиоэнерегетическая система на основе «солнечных» двигателей Стирлинга. В конечном счёте, проект предполагает компактное размещение десятки тысяч таких установок, которые будут трансформировать солнечную энергию и поставлять электричество юго-западным распределительным компаниям США.

Рис. 4. Солнечная ферма с двигателями Стирлинга в штате Невада

По расчетам американских специалистов, в случае удачного реализации данного проекта, на юге США будет создана ферма солнечных стирлингов, площадью 160х160 километров на юге США, которая покроет полностью всю потребность страны в электроэнергии.

Широко известны работы ряда крупных зарубежных фирм по созданию солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для космических аппаратов, орбитальных космических станций и «лунных баз» с двигателями Стирлинга мощностью от 3 до 200 кВт. разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт. Двигатель имел при n=3000 об/мин и к.п.д. равное 37,5%. В качестве источника теплоты использовался параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, который создавал в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения предусматривался тепловой аккумулятор, отдававший тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Данная анаэробная установка имела массу 250 кг и долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли (ИСЗ) типа «Джеминай».

В настоящее время разработкой солнечных энергетических установок с двигателями Стирлинга для объектов различного назначения занимаются ряд крупных зарубежных фирм, среди которых американская корпорация «NASA», , анг­лийская и т.д. Так, и «United Stirling AB» созданы несколько образцов «солнечных Стирлингов» мощности до 25 кВт.

Американская компания Infinia до конца текущего года рассчитывает завершить разработку конструкции новых электрогенераторов для развивающихся стран, построенных на основе солнечных двигателей Стирлинга. В отличие от традиционных солнечных батарей, коэффициент полезного действия которых составляет от 12 до 15 процентов и редко достигает 22 процентов, к.п.д. установки Infinia на основе двигателя Стирлинга, по прогнозам компании, будет составлять более 24 процентов. Мощность двигателя 3-5 кВт.

Атомные энергетические установки с двигателем Стирлинга.

Основные работы по созданию энергетических установок с двигателями Стирлинга, работающих за счет атомной энергии ведутся в США. Двигатель Стирлинга может обеспечить надежную работу энергетических установок с ресурсом более 5 лет (до 80000 часов) при к.п.д. преобразования тепловой энергии в электрическую, равном 35-40%. В качестве источника тепла для двигателя Стирлинга могут быть использованы радиоизотопные тепловые блоки и ядерные реакторы. Планируются, что атомные энергетические установки с двигателями Стирлинга мощностью от 0,5 до 15 кВт целесообразно использовать на долгоживущих пилотируемых и беспилотных космических аппаратах. Энергоустановки мощностью от 15 до 200 кВт и более целесообразно применять на пилотируемых орбитальных станциях или на обитаемых лунных базах с большими потребными мощностями. Так, по проекту “SP-100” для планируемой лунной базы в США создается ядерная энергоустановка с тремя двигателями Стирлинга общей мощностью 250 кВт и массой 3000 кг.

В 2011 год NASA отправила к спутникам Юпитера исследовательского зонда с ядерным реактором на борту. Но еще раньше — в 2009 году — атомный двигатель планируется использовать в очередной американской марсианской миссии. Разрабатывает «атомные Стирлинги» для NASA компания Lockheed Martin и Центр Гленна. В настоящее время уже разработан двигатель Стирлинга мощностью 25 кВт, который будет установлен в энергетическую установку с радиоизотопной накачкой.

Рис. 5.

Программа ядерных источников питания (Nuclear Power Program) имеет целью резко (на 1-2 порядка) повысить научную отдачу межпланетных миссий за счет увеличения продолжительности работы и производительности космических аппаратов и приборов, размещения на МКС нескольких посадочных аппаратов, приборов с высоким энергопотреблением, а также организации высокоскоростных каналов связи.

Энергетические установки с двигателями Стирлинга, работающими на нетрадиционном газовом топливе (биогаз, свалочный газ, попутном нефтяном газе и т.д.).

Одним из направлений применения местных биоресурсов является проект энергоснабжения небольшого населенного пункта с использованием двигателей Стирлинга, работающих на биогазе. Биогаз вырабатывается в метантенках на окраине поселка и подается по трубопроводам к индивидуальным домам, в которых установлены когенерационные установки с двигателями Стирлинга. На рис. 6 представлен эскиз данного проекта.

Биогаз представляет собой смесь метана и углекислого газа и является продуктом метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Во время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофный и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты – метан и углекислоту.

Перспективным направлением является и использования в двигателях Стирлинга в качестве топлива биогаза из городских твердых бытовых отходов (ТБО). Для производства биогаза из ТБО, измельченные отходы в метантенке перемешивают с канализационным осадок из первичных и вторичных отстойников очистных сооружений. В 2005 году впервые в мире в Китае был создан экспериментальный энергетический модуль мощностью 250 кВт с 5 двигателями Стирлинга, работающими на биогазе из городских твердых бытовых отходов. Испытания прошли успешно в течении 3 лет и в настоящее время принимается решение властями Китая о создании таких энергетических модулей на свалках твердых бытовых отходов всех городов Китая.

Рис. 7. Двигатель Стирлинга мощностью 50 кВт

Автономные энергетические установки с двигателями Стирлинга (стирлинг-генераторы) незаменимы в нефтегазовой промышленности при освоении новых месторождений, особенно в условиях Крайнего Севера и шельфа арктических морей, где нужна серьезная энерговооруженность разведочных, буровых, сварочных и других работ.

В этих условиях в качестве топлива можно будет использовать неочищенный природный газ, попутный нефтяной газ, добываемый совместно с нефтью, и газовый конденсат. Столь широкий спектр топлив делает стирлинг-генераторы универсальными источниками энергии. Таким образом, исчезает проблема с обеспечением энергией буровых скважин, вахтовых поселков, узлов связи и других автономных систем.

В настоящее время только в Российской Федерации ежегодно пропадает до 50 млрд. м3 попутного газа, который выходит вместе с нефтью. Собирать его сложно и дорого, использовать в качестве моторного топлива для двигателей внутреннего сгорания нельзя из-за постоянно меняющегося фракционного состава, и чтобы газ не загрязнял атмосферу, он попросту сжигается. Однако этот газ может быть приемлемым моторным топливом для энергетических установок с двигателями Стирлинга.

По предварительным расчетам, стрилинг-генератор мощностью 100 кВт, работающий на природном или попутном нефтяном газе, сможет обеспечить электроэнергией и теплом вахтовый поселок газовиков, нефтяников или геологов численностью до 50 человек. Отпадает необходимость завозить топливо с материка и не наносить ущерб природе, поскольку минимизируются вредные выбросы.

Об экономической целесообразности серийного производства двигателей Стирлинга в Российской Федерации

В мировых обзорах по энергопреобразующей тех­нике, двигатель Стирлинга рассматривается как двигатель, обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки. Двигатель Стирлинга относится к классу двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ). В связи с этим, по сравнению с ДВС, в двигателях Стирлинга про­цесс горения осуществляется вне рабочих цилиндров и протекает более равновесно, рабочий цикл реализуется в замкнутом внутреннем контуре при относительно малых скоростях повышения давления в цилиндрах двига­теля, плавном характере теплогидравлических процессов рабочего тела внутреннего контура, при отсутствии газораспределительного механизма клапанов.

Низкий уровень шума, малая токсичность отработанных газов, возможность работы на раз­личных топливах, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящегося момента — все эти параметры дают возмож­ность машинам Стирлинга в ближайшее время значительно потеснить двига­тели других типов. В настоящее время наиболее перспективным является производство двигателей Стирлинга мощностью от 0,1 до 100 кВт, но уже в ближайшей время на мировом рынке появятся высокоэффективные двигатели Стирлинга мощностью до 1000 кВт.

К сожалению, в России из-за общего экономического спада разработкой машин Стирлинга на государственном уровне никто не занимается, хотя до 1990 года исследования в этой области техники проводились в 15 организациях военно-промышленного комплекса.

Учитывая, что в настоящее время в России практически отсутствует серийное производство конкурентоспособных энергетических установок мощностью от 1 до 50 кВт, производство высокоэффективных и экологически чистых машин Стирлинга является наиболее перспективным направлением в развитии отечественного машиностроения. Проведенные маркетинговые исследования показывают, что емкость отечественного рынка энергетических установок данного мощностного ряда составляет до 60 тыс. установок в год. Основными областями применения энергетических установок с двигателями Стирлинга в Российской Федерации являются: когенерация с использованием местного топлива; автономные источники для нефтегазового комплекса, включая катодную защиту; автономные источники для ЖКХ населенных пунктов; использование бросовой теплоты отработанных газов котельных установок и транспортных средств; анаэробные установки и др.

Наиболее перспективным является серийное производство электрогенераторов небольшой мощности с модификацией двигателя Стирлинга под местное биотопливо: торф, отходы сельского хозяйства и ле­соперерабатывающей промышленности. Новая технология открывает широкие возможности для снабжения электроэнергией и теплом не газифицированных сельских районов, поселков, фермерских хозяйств, животноводческих ферм, птицефабрик и т.д. Она также поможет решить многие проблемы жилищно-коммунальных хозяйств городов.

Серийное производство двигателей Стирлинга позволит обеспечить загрузку оставшихся высокотехнологичных предприятий отечественного машиностроения, конверсию ряда оборонных предприятий страны, экспорт наукоемких технологий в области автономной энергетики. С учетом имеющегося более чем 40-летнего опыта серийного производства

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

• альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
• бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
• гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

• большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
• использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
• потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
• резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

• любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
• экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
• экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
• конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
• повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора

У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки — то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.

Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.

Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов

Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов

Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.

Корпус регенератора

Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений. Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом.

Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой

Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.

Компрессионный насос двигателя стирлинга

«Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.

Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга

Новый дизайн и появление MK II

В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.

Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки

Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.

Кулер с рёбрами для двигателя стирлинга

Запуск двигателя

После проверки рабочей камеры на герметичность и сборки двигателя необходимо проверить его работоспособность. Для этого:

• Подобрать источник тепловой энергии. Это может быть свеча или любое другое топливо. Можно использовать сосуд с горячей водой. Для этого нижнюю поверхность рабочей камеры необходимо установить на емкость с жидкостью;
• Установить изделия на подставку. На дно подставки поместить источник тепловой энергии;
• На верхнюю поверхность рабочей камеры поместить кубики льда;
• Раскрутить маховик вручную.

После раскручивания маховика двигатель должен начать работу. Поршень и шток вытеснителя будут попеременно воздействовать на коленчатый вал установки. Стабильную работу будет обеспечивать сила инерции маховика.

Из вышеперечисленного следует, что двигатель Стирлинга это силовой агрегат, работающий от разницы температур рабочего тела. Мотор может работать на любом виде топлива. Модель силовой установки можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Для этого не потребуется специализированных материалов и оборудования. В качестве источника питания для модели силовой установки может использоваться свеча, сухое горючее и т.п.

Вдохновленный MP1002C Philips

В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.

Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.

Схема расположения цилиндров в двойной гамме.

На рисунке изображено два «горячих» цилиндра, в которых расположены вытеснители. Они работают разнонаправленно со сдвигом фаз в 180°. Для упрощения схемы работы на рисунке не обозначен регенератор. Красными линиями выделены области нагрева цилиндров (нагреватель), синими линиями — места охлаждения (холодильник).

Снизу в центре нарисован рабочий цилиндр с рабочим поршнем. В зависимости от положения вытеснителей он может принимать значения верхней мёртвой точки (ВМТ) или нижней мёртвой точки (НМТ). Чтобы не перегружать схему, умышлено я опустил механику привода. Она может быть выбрана на усмотрение самого разработчика.

Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга

Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.

Электроника для самоделок вкитайском магазине.

Схема высокотемпературного двигателя Стирлинка

Далее вся механика наглядно на видео. Во второй части видео один из вариантов сборки Стирлинга.

Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях. Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так: — сделать цилиндр с вытеснителем; — вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик; — маховик пока не ставить; — нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя; — если попробовать поднять вытеснитель вверх — шарик резко надуется; — если опустить вытеснитель вниз — шарик сдуется. Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя. — Далее заменим воздушный шарик на поршень; — поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух; — смазать поршень силиконовой смазкой; — проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем; — понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала; — изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов! — окончательно протестировать готовый аппарат.

«Стирлинг» от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой — расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см 2 , а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кГ/см 2 и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час. Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой — компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель — в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга»

: 1 — рабочий цилиндр; 2 — рабочий поршень; 3 — подогреватель; 4 — регенератор; 5 — теплоизолирующая муфта; 6 — охладитель; 7 — компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом. В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 — охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается — такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 — такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре 1, совершая работу, — такт расширения. При движении поршня 2 в цилиндре 1 вверх газ перекачивается через регенератор 4 и охладитель 6 в цилиндр 7 — такт охлаждения. Такая схема «стирлинга» наиболее удобна для реверсирования. В объединенном корпусе подогревателя, регенератора и охладителя (об их устройстве речь пойдет позже) для этого сделаны заслонки. Если перевести их из одного крайнего положения в другое, то холодный цилиндр станет горячим, а горячий — холодным, и двигатель будет вращаться в обратную сторону. Подогреватель представляет собой набор трубок из жаростойкой нержавеющей стали, по которым проходит рабочий газ. Трубки нагреваются пламенем горелки, приспособленной для сжигания различных жидких топлив. Тепло от нагретого газа запасается в регенераторе. Этот узел имеет большое значение для получения высокого КПД. Он выполнит свое назначение, если будет передавать примерно в три раза больше тепла, чем в подогревателе, и процесс займет меньше 0,001 секунды. Словом, это быстродействующий аккумулятор тепла, причем скорость теплопередачи между регенератором и газом составляет 30 000 градусов в секунду. Регенератор, КПД которого равен 0,98 единицы, состоит из цилиндрического корпуса, в котором последовательно расположены несколько шайб, изготовленных из проволочной путанки (диаметр проволоки 0,2 мм). Чтобы тепло от него не передавалось холодильнику, между этими агрегатами установлена теплоизолирующая муфта. И наконец, охладитель. Он выполнен в виде водяной рубашки на трубопроводе. Мощность «стирлинга» регулируется изменением давления рабочего газа. Для этой цели двигатель оборудуется газовым баллоном и специальным компрессором.

Дитя эпохи пара

Начало XIX века – расцвет эпохи пара. Благодаря паровым машинам стали бурно развиваться промышленность и транспорт. Они оказались на редкость надежными, устойчивыми к колебаниям нагрузки, долговечными, не требующими больших затрат при эксплуатации, простыми в обслуживании и практически «всеядными» в отношении к топливу.

Роберт Стирлинг и его двигатель

Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.

Паровоз на базе двигателя Стирлинга

Все изменилось 27 сентября 1816 года, когда шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал уникальное изобретение под названием «двигатель горячего воздуха», безопасную альтернативу своему паровому предшественнику. Позже его назвали в честь создателя – двигатель Стирлинга (ДС).

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на легковых автомобилях.

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением. Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28—30 и 32—35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон? той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления. Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми. Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания. Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!