Historie vzniku motoru s vnějším spalováním. Stirlingův motor (1 gif)

20.10.2019

Ekologie spotřeby Věda a technika: Stirlingův motor se nejčastěji používá v situacích, kdy je požadován přístroj na přeměnu tepelné energie, vyznačující se jednoduchostí a účinností.

Motory před necelými sto lety vnitřní spalování se snažily vybojovat své právoplatné místo v konkurenci mezi ostatními dostupnými stroji a pohyblivými mechanismy. Navíc v té době nadřazenost benzínový motor nebylo tak zřejmé. Stávající stroje poháněné parními stroji se vyznačovaly svou tichostí, vynikajícími výkonovými charakteristikami na tehdejší dobu, snadnou údržbou a schopností používat různé druhy paliva. V dalším boji o trh získaly spalovací motory svou účinností, spolehlivostí a jednoduchostí navrch.

Další závody ve zdokonalování agregátů a hnacích mechanismů, do kterých plynové turbíny a rotační typy motorů vstoupily v polovině 20. století, vedly k tomu, že i přes převahu benzínového motoru byly činěny pokusy o úplné zavedení nový vzhled motory - tepelné, poprvé vynalezené již v roce 1861 skotským knězem jménem Robert Stirling. Motor dostal jméno svého tvůrce.

STIRLING MOTOR: FYZICKÁ STRÁNKA PROBLÉMU

Abyste pochopili, jak funguje stolní Stirlingova elektrárna, musíte porozumět obecné informace o principech činnosti tepelných strojů. Fyzikálně je principem činnosti využití mechanické energie, která se získává při expanzi plynu při zahřátí a jeho následném stlačení při ochlazení. Pro demonstraci principu fungování můžeme uvést příklad založený na obyčejné plastové láhvi a dvou pánvích, z nichž jedna obsahuje studenou vodu, druhá horkou.

Při spouštění do studené vody, jejíž teplota se blíží teplotě tvorby ledu a vzduch uvnitř plastové nádoby je dostatečně ochlazený, by měla být uzavřena zátkou. Dále, když se láhev vloží do vroucí vody, po nějaké době korek „vystřelí“ silou, protože v tomto případě byla práce vykonaná ohřátým vzduchem mnohonásobně větší než práce při chlazení. Pokud se experiment opakuje mnohokrát, výsledek se nezmění.

První stroje, které byly postaveny pomocí Stirlingova motoru, přesně reprodukovaly proces demonstrovaný v experimentu. Mechanismus přirozeně vyžadoval vylepšení, které spočívalo ve využití části tepla, které plyn ztratil během procesu chlazení, k dalšímu ohřevu, což umožnilo vrátit teplo do plynu pro urychlení ohřevu.

Ale ani použití této inovace nemohlo situaci zachránit, protože první Stirlingy byly velké velikosti a měly nízký výkon. Následně byly provedeny více než jednou pokusy o modernizaci konstrukce pro dosažení výkonu 250 koní. vedlo k tomu, že za přítomnosti válce o průměru 4,2 metru byl skutečný výkon vyrobený Stirlingovou elektrárnou 183 kW ve skutečnosti pouze 73 kW.

Všechny Stirlingovy motory pracují na principu Stirlingova cyklu, který zahrnuje čtyři hlavní fáze a dvě mezilehlé fáze. Mezi hlavní patří ohřev, expanze, chlazení a komprese. Za přechodový stupeň se považuje přechod na generátor chladu a přechod na topné těleso. Užitečná práce motoru je založena výhradně na teplotním rozdílu mezi topnou a chladicí částí.

MODERNÍ STIRLINGOVÉ KONFIGURACE

Moderní inženýrství rozlišuje tři hlavní typy takových motorů:

alfa-stirling, jehož rozdílem jsou dva aktivní písty umístěné v nezávislých válcích. Ze všech tří možností tento model vyznačuje se nejvyšším výkonem, má nejvyšší teplotu topného pístu;
beta stirling, založený na jednom válci, jehož jedna část je horká a druhá studená;
Gamma Stirling, která má kromě pístu i vytlačovač.

Výroba elektrárny Stirling bude záviset na volbě modelu motoru, který zohlední všechna pozitivní a negativní aspekty podobný projekt.

VÝHODY A NEVÝHODY

Díky vašemu designové prvky Tyto motory mají řadu výhod, ale nejsou bez nevýhod.

Stolní elektrárna Stirling, kterou nelze zakoupit v obchodě, ale pouze od nadšenců, kteří tato zařízení samostatně sestavují, zahrnuje:

velké velikosti, které jsou způsobeny potřebou neustálého chlazení pracovního pístu;
používání vysoký tlak co je potřeba ke zlepšení výkonu a výkonu motoru;
tepelné ztráty, ke kterým dochází v důsledku skutečnosti, že generované teplo není přenášeno do samotné pracovní tekutiny, ale prostřednictvím systému výměníků tepla, jejichž ohřev vede ke ztrátě účinnosti;
prudké snížení výkonu vyžaduje použití speciálních principů, které se liší od těch tradičních pro benzínové motory.

Spolu s nevýhodami mají elektrárny pracující na Stirlingových jednotkách nepopiratelné výhody:

jakýkoli druh paliva, protože jako každý motor využívající tepelnou energii, tento motor schopné fungovat při různých teplotách jakéhokoli prostředí;
účinnost. Tato zařízení mohou být výbornou náhradou za parní jednotky v případech, kdy je potřeba zpracovávat solární energii, poskytující účinnost o 30 % vyšší;
ekologická bezpečnost. Protože stolní kW elektrárna nevytváří výfukový moment, neprodukuje hluk ani nevypouští emise do atmosféry. škodlivé látky. Obyčejné teplo funguje jako zdroj energie a palivo téměř úplně shoří;
konstrukční jednoduchost. Pro svou práci Stirling nebude vyžadovat další díly nebo zařízení. Je schopen samostatně startovat bez použití startéru;
zvýšený výkonový zdroj. Díky své jednoduchosti dokáže motor zajistit stovky hodin nepřetržitého provozu.

OBLASTI POUŽITÍ STIRLINGOVÝCH MOTORŮ

Stirlingův motor se nejčastěji používá v situacích, kdy je vyžadováno jednoduché zařízení pro přeměnu tepelné energie, zatímco účinnost jiných typů tepelných jednotek je za podobných podmínek výrazně nižší. Velmi často se takové jednotky používají k napájení čerpacích zařízení, ledniček, ponorek a akumulátorů energie.

Jednou z perspektivních oblastí pro využití Stirlingových motorů jsou solární elektrárny, protože tuto jednotku lze s úspěchem využít k přeměně energie slunečních paprsků na elektrickou energii. K provedení tohoto procesu je motor umístěn v ohnisku zrcadla, které akumuluje sluneční paprsky, což zajišťuje trvalé osvětlení prostoru vyžadujícího vytápění. To umožňuje soustředit solární energii na malou plochu. Palivem pro motor je v tomto případě helium nebo vodík. zveřejněno

1. Úvod………………………………………………………………………………………………3

2. Historie……………………………………………………………………………………………… 4

3. Popis……………………………………………………………………………………………… 4

4. Konfigurace…………………………………………………………………………. 6

5. Nevýhody……………………………………………………………………………….. 7

6. Výhody……………………………………………………………………… 7

7. Žádost………………………………………………………………………………………. 8

8. Závěr………………………………………………………………………………. 11

9. Seznam referencí……………………………………………………………….. 12

Zavedení

Na začátku 21. století se lidstvo dívá do budoucnosti s optimismem. Existují pro to nejpádnější důvody. Vědecké myšlení nestojí na místě. Dnes se nám nabízí stále více novinek. Do našich životů se zavádí stále více úsporných, ekologicky šetrných a perspektivních technologií

Jedná se především o alternativní konstrukci motorů a využití tzv. „nových“ alternativních paliv: větru, slunce, vody a dalších zdrojů energie.

Díky motorům všeho druhu dostává člověk energii, světlo, teplo a informace. Motory jsou srdcem, které bije v čase s rozvojem moderní civilizace. Zajišťují růst produkce a snižují vzdálenosti. V současnosti rozšířené spalovací motory mají řadu nevýhod: jejich provoz je provázen hlukem, vibracemi, vypouštějí škodlivé výfukové plyny, čímž znečišťují naše životní prostředí, a spotřebují hodně paliva. Ale dnes k nim již existuje alternativa. Třída motorů, u kterých je škoda minimální, jsou Stirlingovy motory. Pracují v uzavřeném cyklu, bez nepřetržitých mikrovýbuchů v pracovních válcích, prakticky bez emisí škodlivých plynů a vyžadují mnohem méně paliva.

Stirlingův motor, vynalezený dávno před spalovacím motorem a dieselem, byl nezaslouženě zapomenut

Oživení zájmu o Stirlingovy motory bývá spojeno s aktivitami Philipsu. Práce na konstrukci Stirlingových motorů s malým výkonem začaly ve společnosti v polovině 30. let dvacátého století. Cílem práce bylo vytvořit malý elektrický generátor s nízkým šumem a tepelným pohonem pro napájení rádiových zařízení v oblastech světa bez pravidelného napájení. V roce 1958 uzavřel General Motors licenční smlouvu se společností Philips a jejich spolupráce pokračovala až do roku 1970. Vývoj zahrnoval použití Stirlingových motorů pro vesmírné a podvodní elektrárny, automobily a lodě, stejně jako pro stacionární napájecí systémy. Švédská společnost United Stirling, která soustředila své úsilí především na motory pro vozidel těžké nosnosti, rozšířily své zájmy do oblasti motorů pro osobní automobily. Skutečný zájem o Stirlingův motor byl obnoven až během takzvané „energetické krize“. Právě tehdy se potenciální schopnosti tohoto motoru ve vztahu k ekonomické spotřebě klasického kapalného paliva jevily jako obzvláště atraktivní, což se v souvislosti s rostoucími cenami pohonných hmot jevilo jako velmi důležité.

Příběh

Stirlingův motor byl poprvé patentován skotským duchovním Robertem Stirlingem 27. září 1816 (anglický patent č. 4081). První elementární „horkovzdušné motory“ však byly známy na konci 17. století, dávno před Stirlingem. Stirlingovým úspěchem bylo přidání čističky, kterou nazval „ekonomika“. V moderní vědecké literatuře se tento čistič nazývá „regenerátor“ (výměník tepla). Zvyšuje výkon motoru tím, že zadržuje teplo v teplé části motoru, zatímco se pracovní kapalina ochlazuje. Tento proces výrazně zlepšuje účinnost systému. V roce 1843 použil James Stirling tento motor v továrně, kde v té době pracoval jako inženýr. V roce 1938 Philips investoval do Stirlingova motoru o objemu více než dvě stě koňská síla a návratnost více než 30 %. Stirlingův motor má mnoho výhod a byl široce používán během éry parních strojů.

Popis

Stirlingův motor- tepelný stroj, ve kterém se kapalná nebo plynná pracovní tekutina pohybuje v uzavřeném objemu, druh motoru vnější spalování. Je založena na periodickém ohřevu a chlazení pracovní tekutiny s odebíráním energie z výsledné změny objemu pracovní tekutiny. Může fungovat nejen ze spalování paliva, ale také z jakéhokoli zdroje tepla.

V 19. století chtěli inženýři vytvořit bezpečnou alternativu k tehdejším parním strojům, jejichž kotle často explodovaly kvůli vysokému tlaku páry a nevhodným materiálům pro jejich konstrukci. Dobrá alternativa parní stroje se objevil s vytvořením Stirlingových motorů, které dokázaly přeměnit jakýkoli teplotní rozdíl na práci. Základním principem činnosti Stirlingova motoru je neustále střídavé zahřívání a chlazení pracovní tekutiny v uzavřeném válci. Obvykle je pracovní tekutinou vzduch, ale používá se také vodík a helium. V řadě experimentálních vzorků byly testovány freony, oxid dusičitý, zkapalněný propan-butan a voda. V druhém případě zůstává voda ve všech částech termodynamického cyklu v kapalném stavu. Zvláštností míchání kapalnou pracovní kapalinou je její malá velikost, vysoký měrný výkon a vysoké provozní tlaky. Existuje také Stirling s dvoufázovou pracovní kapalinou. Vyznačuje se také vysokou hustotou výkonu a vysokým provozním tlakem.

Z termodynamiky je známo, že tlak, teplota a objem plynu spolu souvisí a řídí se zákonem ideálních plynů

, kde:

P - tlak plynu;
V - objem plynu;
n je počet molů plynu;
R je univerzální plynová konstanta;
T je teplota plynu v Kelvinech.

To znamená, že když se plyn zahřívá, jeho objem se zvětšuje a když se ochladí, zmenšuje se. Tato vlastnost plynů je základem činnosti Stirlingova motoru.

Stirlingův motor používá Stirlingův cyklus, který není v termodynamické účinnosti horší než Carnotův cyklus, a dokonce má výhodu. Faktem je, že Carnotův cyklus se skládá z izoterm a adiabatů, které se od sebe jen málo liší. Praktické provedení tento cyklus má malou perspektivu. Stirlingův cyklus umožnil získat prakticky pracující motor v přijatelných rozměrech.

Stirlingův cyklus se skládá ze čtyř fází a je rozdělen na dvě přechodové fáze: ohřev, expanze, přechod na zdroj chladu, chlazení, komprese a přechod na zdroj tepla. Při přechodu z teplého zdroje na studený se tedy plyn ve válci rozpíná a smršťuje. Rozdíl v objemech plynu lze převést na práci, což dělá Stirlingův motor. Pracovní cyklus Stirlingova motoru typu beta:

kde: a - výtlačný píst; b - pracovní píst; c - setrvačník; d - oheň (otopná plocha); e - chladicí žebra (oblast chlazení).

Externí zdroj tepla ohřívá plyn na dně teplosměnného válce. Vytvořený tlak tlačí výtlačný píst nahoru (všimněte si, že výtlačný píst nedoléhá těsně ke stěnám).
Setrvačník tlačí výtlačný píst dolů, čímž se ohřátý vzduch pohybuje ode dna do chladicí komory.
Vzduch se ochlazuje a smršťuje, píst se pohybuje dolů.
Výtlačný píst stoupá vzhůru, čímž se ochlazený vzduch pohybuje do spodní části. A cyklus se opakuje.

U Stirlingova stroje je pohyb pracovního pístu posunut o 90° vzhledem k pohybu vytlačovacího pístu. Podle znamení tohoto posunu může být strojem motor nebo tepelné čerpadlo. Při směně 0 stroj nevyrábí žádnou práci (kromě ztrát třením) a nevyrábí ji.

Beta Stirling- je pouze jeden válec, na jednom konci horký a na druhém studený. Uvnitř válce se pohybuje píst (ze kterého je odebírána síla) a „přetlačovač“ a mění objem horké dutiny. Plyn je čerpán ze studené části válce do horké části přes regenerátor. Regenerátor může být externí, součástí výměníku tepla, nebo kombinovaný s vytlačovacím pístem.

Gamma-Stirling- je zde také píst a „přetlačovač“, ale zároveň jsou zde dva válce - jeden je studený (kde se pohybuje píst, ze kterého je odebírána síla) a druhý je na jednom konci horký a na konci studený jiné (kde se pohybuje „vytlačovač“). Regenerátor spojuje horkou část druhého válce se studenou a zároveň s prvním (studeným) válcem.

Doktor technických věd V. NISKOVSKIKH (Jekatěrinburg).

Omezené zásoby uhlovodíkových paliv a jejich vysoké ceny nutí inženýry hledat náhradu za spalovací motory. Ruský vynálezce navrhuje jednoduchou konstrukci motoru s externím přívodem tepla, který je určen pro jakýkoli druh paliva, dokonce i pro ohřev slunečními paprsky. Tvůrce projektu motoru Vitalij Maksimovič Niskovskikh je konstruktér široce známý hutním specialistům nejen u nás, ale i v zahraničí. Je autorem více než 200 vynálezů v oblasti zařízení na odlévání oceli, jedním ze zakladatelů národní školy konstruování strojů pro plynulé lití zakřivených předlitků (CCM). Dnes 36 takových strojů, vyrobených pod vedením V. M. Niskovskicha v Uralmaši, funguje v hutních závodech v Rusku, dále v Bulharsku, Makedonii, Pákistánu, na Slovensku, ve Finsku a Japonsku.

V roce 1816 vynalezl Skot Robert Stirling motor s externím přívodem tepla. Vynález se v té době nerozšířil - konstrukce byla příliš složitá ve srovnání s parním strojem a spalovacími motory (ICE), které se objevily později.

V těchto dnech však došlo k obnovení zájmu o motory Stirling. Neustále se objevují informace o novém vývoji a pokusech o zavedení jejich hromadné výroby. Například na holandská společnost Společnost Philips postavila několik úprav Stirlingova motoru těžkých vozidel. Externí spalovací motory jsou instalovány na lodích, v malých elektrárnách a tepelných elektrárnách a v budoucnu jimi hodlají vybavit vesmírné stanice (tam by měly sloužit k pohonu elektrických generátorů, protože motory jsou schopné provozu i na oběžné dráze Pluta).

Stirlingovy motory mají vysokou účinnost, mohou pracovat s jakýmkoli zdrojem tepla, jsou tiché a nespotřebovávají pracovní kapalinu, kterou je obvykle vodík nebo helium. Stirlingův motor by mohl být úspěšně použit na jaderných ponorkách.

Prachové částice jsou nutně vnášeny do válců běžícího spalovacího motoru spolu se vzduchem, což způsobuje opotřebení třecích ploch. To je nemožné u motorů s externím přívodem tepla, protože jsou zcela utěsněny. Kromě toho mazivo neoxiduje a vyžaduje výměnu mnohem méně často než u spalovacího motoru.

Stirlingův motor, pokud je použit jako externě poháněný mechanismus, se mění v chladicí jednotku. V roce 1944 se v Holandsku roztočil vzorek takového motoru pomocí elektromotoru a teplota hlavy válců brzy klesla na -190°C. Taková zařízení se úspěšně používají ke zkapalňování plynů.

A přesto složitost systému klik a pák v pístové motory Stirling omezuje jejich použití.

Problém lze vyřešit výměnou pístů za rotory. Hlavní myšlenkou vynálezu je, že dva pracovní válce různých délek s excentrickými rotory a odpruženými oddělovacími deskami jsou instalovány na společné hřídeli. Vypouštěcí (podmíněně kompresní) dutina malého válce je spojena s expanzní dutinou velkého válce drážkami v oddělovacích deskách, potrubí, tepelném výměníku-regenerátoru a ohřívači a expanzní dutina malého válce je připojena k výtlaku. dutiny velkého válce přes regenerátor a chladničku.

Motor funguje následovně. V každém okamžiku vstupuje do vysokotlaké větve z malého válce určitý objem plynu. Aby se naplnila výtlačná dutina velkého válce a stále se udržoval tlak, plyn se zahřívá v regenerátoru a ohřívači; jeho objem se zvětšuje a tlak zůstává konstantní. Totéž, ale s opačným znaménkem, se vyskytuje v nízkotlaké větvi.

V důsledku rozdílu v povrchových plochách rotorů vzniká čistá síla F=∆p(S b-S m), kde ∆ p- tlakový rozdíl ve vysokotlaké a nízkotlaké větvi; S b- pracovní plocha velkého rotoru; S m- pracovní plocha malého rotoru. Tato síla otáčí hřídelí s rotory a pracovní tekutina nepřetržitě cirkuluje a postupně prochází celým systémem. Užitný zdvihový objem motoru se rovná rozdílu objemů dvou válců.

Viz vydání na stejné téma

Tento článek je věnován jednomu vynálezu patentovanému již v devatenáctém století skotským knězem Stirlingem. Jako všichni jeho předchůdci to byl motor s vnějším spalováním. Jediný rozdíl mezi ním a ostatními je, že může jezdit na benzín, topný olej a dokonce i uhlí a dřevo.

V 19. století vznikla potřeba nahradit parní stroje něčím bezpečnějším, protože kotle často explodovaly kvůli vysokému tlaku páry a některým vážným konstrukčním chybám.

Dobrou variantou byl motor s vnějším spalováním, který si v roce 1816 nechal patentovat skotský kněz Robert Stirling.

Pravda, „horkovzdušné motory“ se vyráběly již dříve, v 17. století. Stirling ale do instalace přidal čističku. V moderním slova smyslu je to regenerátor.

Zvýšil produktivitu zařízení tím, že zadržoval teplo v teplé zóně stroje v době, kdy se pracovní kapalina ochlazovala. Tím se výrazně zvýšila účinnost systému.

Vynález našel široké praktické uplatnění, došlo k etapě vzestupu a vývoje, ale pak byli Stirlingové nezaslouženě zapomenuti.

Ustoupily parním strojům a spalovacím motorům a byly znovu oživeny ve dvacátém století.

Vzhledem k tomu, že tento princip vnějšího spalování je sám o sobě velmi zajímavý, dnes nejlepší inženýři a amatéři v USA, Japonsku, Švédsku pracují na tvorbě nových modelů...

Motor s vnějším spalováním. Princip fungování

„Stirling“ je, jak jsme již zmínili, typem motoru s vnějším spalováním. Základním principem jeho činnosti je neustálé střídání ohřevu a ochlazování pracovní tekutiny v omezeném prostoru a získávání energie díky z toho vyplývající změně objemu pracovní tekutiny.

Pracovní tekutinou je zpravidla vzduch, lze však použít vodík nebo helium. Prototypy testovaly oxid dusičitý, freony, zkapalněný propan-butan a dokonce i vodu.

Mimochodem, voda zůstává v kapalném stavu po celý termodynamický cyklus. A samotné „míchání“ kapalnou pracovní kapalinou má kompaktní rozměry, vysoký měrný výkon a vysoký provozní tlak.

Druhy Stirlinga

Existují tři klasické typy Stirlingova motoru:

Aplikace

Stirlingův motor lze použít v případech, kdy je vyžadován jednoduchý kompaktní měnič tepelné energie nebo kdy je účinnost jiných typů tepelných motorů nižší: např. je-li teplotní rozdíl nedostatečný pro využití plynu popř.

Zde jsou konkrétní příklady použití:

Již dnes se vyrábějí autonomní generátory pro turisty. Existují modely, které fungují z plynového hořáku;

NASA objednala verzi Stirlingova generátoru, který běží na jaderných a radioizotopových zdrojích tepla. Bude se používat při vesmírných misích.

"Stirling" pro čerpání kapalin je mnohem více snadnější instalace"motorové čerpadlo". Jako pracovní píst může využívat čerpanou kapalinu, která zároveň ochlazuje pracovní kapalinu S takovým čerpadlem můžete čerpat vodu do zavlažovacích kanálů pomocí solárního tepla, dodávat teplou vodu ze solárního kolektoru do domu. čerpat chemická činidla, protože systém je zcela utěsněný;
Výrobci chladniček pro domácnost představují modely Stirling. Budou ekonomičtější a jako chladivo se má používat obyčejný vzduch;
Kombinace Stirling s tepelným čerpadlem optimalizuje topný systém v domě. Uvolní odpadní teplo ze „studeného“ válce a může využít výslednou mechanickou energii k čerpání tepla, které pochází z okolního prostředí;
Dnes jsou všechny ponorky švédského námořnictva vybaveny Stirlingovými motory. Fungují na kapalný kyslík, který se následně využívá k dýchání. Velmi důležitý faktor pro loď, nízká úroveň hluk a nevýhody jako „velká velikost“, „potřeba chlazení“ nejsou v podmínkách ponorky významné. Nejnovější japonské ponorky třídy Soryu jsou vybaveny podobnými instalacemi;
Stirlingův motor se používá k přeměně sluneční energie na elektrickou energii. K tomu je namontován v ohnisku parabolického zrcadla. Stirling Solar Energy staví solární kolektory s výkonem až 150 kW na zrcadlo. Používají se v největší solární elektrárně světa v jižní Kalifornii.

Výhody a nevýhody

Moderní úroveň designu a výrobní technologie umožňuje zvýšit účinnost Stirlingu až na 70 procent.

Točivý moment motoru je překvapivě prakticky nezávislý na otáčkách klikového hřídele;
Elektrárna neobsahuje zapalovací systém, ventilový systém a vačkový hřídel.
Po celou dobu životnosti nejsou potřeba žádné úpravy ani nastavení.
Motor se nezastaví a jednoduchost konstrukce umožňuje jeho provoz v autonomním režimu po dlouhou dobu;
Využít můžete jakýkoli zdroj tepelné energie, od dřeva až po uranové palivo.
Ke spalování paliva dochází mimo motor, což přispívá k jeho úplnému dohořívání a minimalizaci toxických emisí.

Vzhledem k tomu, že palivo hoří mimo motor, je teplo odváděno stěnami chladiče, což znamená další rozměry;
Spotřeba materiálu. Aby byl Stirlingův stroj kompaktní a výkonný, jsou zapotřebí drahé žáruvzdorné oceli, které vydrží vysoký provozní tlak a mají nízkou tepelnou vodivost;
Potřeba speciální mazivo, ta obvyklá pro Stirlings není vhodná, když se koksuje vysoké teploty;
Pro dosažení vysoké hustoty výkonu je pracovní tekutinou ve Stirlings vodík a helium.

Vodík je výbušný a při vysokých teplotách se může rozpouštět v kovech a vytvářet hydrity kovů. Jinými slovy, válce motoru jsou zničeny.

Vodík a helium mají také vysokou penetrační schopnost a snadno prosakují těsněním, čímž snižují provozní tlak.

Pokud si po přečtení našeho článku chcete pořídit zařízení - spalovací motor, neutíkejte do nejbližší prodejny, taková věc se bohužel neprodává...

Chápete, že ti, kteří se podílejí na zlepšování a implementaci tohoto stroje, udržují svůj vývoj v tajnosti a prodávají je pouze renomovaným kupcům.

Podívejte se na toto video a udělejte to sami.

Z minulosti do budoucnosti! V roce 1817 obdržel skotský kněz Robert Stirling... patent na nový typ motoru, který byl později pojmenován, stejně jako dieselové motory, po vynálezci - Stirling. Farníci malého skotského města se na svého duchovního pastýře dlouho dívali bokem se zjevným podezřením. Samozřejmě! Syčení a rachot, který pronikal zdmi stodoly, kde otec Stirling často mizel, dokázal zmást nejen jejich bohabojnou mysl. Neustále se šuškalo, že ve stodole je strašlivý drak, kterého svatý otec ochočil a krmil netopýry a petrolejem.

Ale Robert Stirling, jeden z nejosvícenějších lidí ve Skotsku, se nenechal zahanbit nepřátelstvím svého stáda. Světské záležitosti a starosti ho zaměstnávaly stále více, na úkor služby Pánu: odnášely faráře... auta.

V té době zažívaly Britské ostrovy průmyslovou revoluci: výroba se rychle rozvíjela. A duchovní nezůstávají lhostejní k obrovskému příjmu, který slibuje nový způsob výroba.

S požehnáním kostela a ne bez pomoci výrobců bylo postaveno několik Stirlingových strojů, a nejlepší z nich, 45 hp. s., pracovala tři roky na dole v Dundi.

Další vývoj Stirlings byl zpožděn: v 60. letech minulého století vstoupil do arény nový motor Erickson.

Oba návrhy měly mnoho společného. Jednalo se o motory s vnějším spalováním. U obou vozů byl pracovní kapalinou vzduch a u obou vozů byl základem motoru regenerátor, kterým horký výfukový vzduch odevzdával veškeré teplo. Čerstvá část vzduchu, prosakující hustou kovovou sítí, odebrala toto teplo před vstupem do pracovního válce.

Podle schématu na obrázku 1 můžete vidět, jak vzduch vstupuje do kompresoru 3 sacím potrubím 10 a ventilem 4, je stlačován a vystupuje ventilem 5 do mezinádrže. V tomto okamžiku cívka 8 uzavře výfukové potrubí 9 a vzduch přes regenerátor vstupuje do pracovního válce 1, vyhřívaného topeništěm 11. Zde vzduch expanduje a vykonává užitečnou práci, která je částečně zaměřena na zvedání těžkého pístu, částečně při stlačování studeného vzduchu v kompresoru 3. Když píst klesá, tlačí výfukový vzduch přes regenerátor 7 a cívku 8 do výfukového potrubí. Když je píst spuštěn, je do kompresoru nasávána čerstvá část vzduchu.

1 - pracovní válec, 2 - píst; 3 - kompresor; 4 - sací ventil; 5 - vypouštěcí ventil; 6 - mezinádrž; 7 - regenerátor; 8 - obtokový ventil; 9 - výfukové potrubí; 10 - sací potrubí; 11 - topeniště.

Oba návrhy nebyly ekonomické. Ale z nějakého důvodu bylo více problémů s motorem Scot a byl méně spolehlivý než Ericksonův motor. Možná proto přehlédli jeden velmi důležitý detail: při stejném výkonu byl Stirlingův motor kompaktnější. Navíc měla značnou výhodu v termodynamice...

Komprese, ohřev, expanze, chlazení – to jsou čtyři hlavní procesy nezbytné pro provoz každého tepelného motoru. Každý z nich může být proveden různými způsoby. Například ohřev a chlazení plynu lze provádět v uzavřené dutině konstantního objemu (izochorický proces) nebo pod pohyblivým pístem při konstantním tlaku (izobarický proces). Stlačení nebo expanze plynu může nastat při konstantní teplotě (izotermický proces) nebo bez výměny tepla s prostředí(adiabatický proces). Vytvořením uzavřených řetězců různých kombinací takových procesů není obtížné získat teoretické cykly, podle kterých jsou všechny moderní tepelné motory. Řekněme, že kombinace dvou adiabatů a dvou izochór tvoří teoretický cyklus benzinového motoru. Pokud nahradíte izochoru, přes kterou se ohřívá plyn, izobarou, získáte dieselový cyklus. Dva adiabaty a dvě izobary poskytnou teoretický cyklus plynové turbíny. Mezi všemi myslitelnými cykly hraje v termodynamice zvláště důležitou roli kombinace dvou adiabatů a dvou izoterm, protože v takovém cyklu by měl pracovat motor s nejvyšší účinností - Carnotův cyklus.

Jestliže ve Stirlingově motoru bylo teplo přiváděno podél izochór, pak u Ericksona tento proces probíhal podél izobary a procesy komprese a expanze probíhaly podél izoterm.

Na začátku tohoto století našly motory Erickson s nízkým výkonem (asi 10-20 k) použití v různých zemích. Tisíce takových zařízení fungovaly v továrnách, tiskárnách, dolech a dolech, na hřídelích soustružnických strojů, čerpali vodu, zvedali výtahy. Byli také známí v Rusku pod názvem „teplo a síla“.

Byly učiněny pokusy vyrobit velký lodní motor, ale výsledky testů odradily nejen skeptiky, ale i samotného Ericksona. Na rozdíl od proroctví prvního se loď „pohnula ze svého místa“ a dokonce překročila Atlantský oceán. Ale očekávání vynálezce byla také oklamána: čtyři gigantické motory místo 1000 koní. S. vyvinuto pouze 300 hp. S. Spotřeba uhlí byla stejná jako u parních strojů. Navíc se na konci plavby propálila dna pracovních válců a v Anglii musely být odstraněny motory a tajně nahrazeny obyčejným parním strojem. Ke všem neštěstím se při zpáteční cestě do Ameriky loď zřítila a celá posádka zahynula.

1 - pracovní píst 2 - výtlačný píst; 3 - chladič; 4 - ohřívač; 5 - regenerátor; 6 - studený prostor; 7 - horký prostor.

Erickson opustil myšlenku stavby vysoce výkonných „kalorických strojů“ a zahájil sériovou výrobu malých motorů. Faktem je, že tehdejší úroveň vědy a techniky nám nedovolila navrhnout a postavit ekonomický a výkonný stroj.

Hlavní ránu Ericksonovi ale přinesli vynálezci spalovacího motoru. Rychlý vývoj naftových motorů a karburátorových motorů donutil dobrý nápad do zapomnění.

...Uplynulo století. Ve 30. letech jedno z vojenských oddělení pověřilo společnost Philips vývojem elektrárny o výkonu 200-400 wattů pro cestující radiostanici. Kromě toho musí být motor všežravý, to znamená, že běží na jakýkoli druh paliva.

Specialisté společnosti se pustili do práce důkladně. Začali jsme zkoumáním různých termodynamických cyklů a ke svému překvapení jsme zjistili, že teoreticky nejekonomičtější byl dávno zapomenutý Stirlingův motor.

Válka výzkum pozastavila, ale koncem 40. let práce pokračovaly. A pak, v důsledku četných experimentů a výpočtů, byl učiněn nový objev - uzavřený okruh, ve kterém byl tlak asi 200 atm. pracovní tekutina cirkulovala (vodík nebo helium, protože mají nejnižší viskozitu a nejvyšší tepelnou kapacitu). Pravda, po uzavření cyklu byli inženýři nuceni postarat se o umělé chlazení pracovní tekutiny. Tak se objevil chladič, který první spalovací motory neměly. A přestože ohřívač a chladič, bez ohledu na to, jak jsou kompaktní, dělají stirling těžší, dávají mu jednu velmi důležitou vlastnost.

Izolováno od vnější prostředí, jsou na něm prakticky nezávislé. Stirling může fungovat z jakéhokoli zdroje tepla kdekoli: pod vodou, pod zemí, ve vesmíru – tedy tam, kde spalovací motory vyžadující vzduch nemohou pracovat. V takových podmínkách se v podstatě nelze obejít bez topidel a chladičů, které přenášejí teplo stěnou. A právě tady Stirlingové poráželi své soupeře i na váze. První prototypy měly měrnou hmotnost na jednotku výkonu asi 6-7 kg na litr. s., jako lodní dieselové motory. Moderní Stirlingy mají poměr ještě nižší – 1,5-2 kg na litr. S. Jsou ještě kompaktnější a lehčí.

Schéma se tedy stalo dvouokruhovým: jeden okruh s pracovním činidlem a druhý - dodávka tepla; to umožnilo zvýšit spotřebu energie na 200 litrů. S. na litr pracovního objemu a účinnost - až 38-40 procent. Pro srovnání: moderní

nové dieselové motory mají účinnost 34-38 procent a karburátorové motory- 25-28. Kromě toho je proces spalování Stirlingova paliva kontinuální, což prudce snižuje toxicitu – pokud jde o produkci oxidu uhelnatého 200krát, a pokud jde o oxid dusíku – o 1-2 řády. Zde je možná jedno z radikálních řešení problému znečištění ovzduší ve městech.

Pracovní část moderní Stirling je uzavřený objem naplněný pracovním plynem (obr. 2). Horní část objemu je horká, průběžně se zahřívá. Spodní je studená, neustále chlazená vodou. Ve stejném objemu je válec se dvěma písty: přetlačovacím a pracovním. Když píst jde nahoru, objem plynu je stlačen; dolů - rozšiřuje se. Pohyb pístu-přetlačovače nahoru a dolů vytváří střídavou distribuci ohřátého a ochlazeného plynu. Když je vytlačovací píst v horní poloze (v horké zóně), většina plynu je vytlačena do studené zóny. V tomto okamžiku se pracovní píst začne pohybovat nahoru a stlačuje studený plyn. Nyní se vytlačovací píst řítí dolů, aby se dostal do kontaktu s pracovním pístem, a stlačený studený plyn je čerpán do horkého prostoru. Expanze ohřátého plynu - pracovní zdvih. Část energie zdvihu se ukládá pro následnou kompresi studeného plynu a přebytek jde na hřídel motoru.

Regenerátor je umístěn mezi studeným a horkým prostorem. Když je expandovaný horký plyn čerpán do studené části pohybem pístu-přetlačovače, prochází hustým svazkem tenkých měděných drátů a dává jim teplo, které obsahuje. Při zpětném zdvihu stlačeno studený vzduch, před vstupem do horké části odebírá toto teplo zpět.

1 - vstřikovač paliva; 2 - odvod ochlazených plynů, 3 - ohřívač vzduchu; 4 - výstup horkých plynů; 5 - horký prostor; 6 - regenerátor; 7 - válec; 8 - trubky chladiče; 9 - studený prostor; 10 - pracovní píst; 11 - kosočtverečný pohon; 12 - spalovací komora; 13 - ohřívací trubky; 14 - píst-přetlačovač; 15 - přívod vzduchu pro spalování paliva; 16 - vyrovnávací dutina.

Samozřejmě v skutečné auto věci nevypadají tak jednoduše (obr. 3). Je nemožné rychle ohřát plyn přes silnou stěnu válce, to vyžaduje mnohem větší topnou plochu. Proto se horní část uzavřeného objemu mění v soustavu tenkých trubiček ohřívaných plamenem trysky. Pro co nejúplnější využití tepla zplodin hoření je studený vzduch přiváděný do vstřikovače předehříván výfukovými plyny - vzniká tak poměrně složitý spalovací okruh.

Studenou částí pracovního objemu je také soustava trubek, do kterých je čerpána chladicí voda.

Pod pracovním pístem je uzavřená dutina nárazníku naplněná stlačeným plynem. Během pracovního zdvihu se tlak v této dutině zvyšuje. Energie uložená v tomto případě postačuje ke stlačení studeného plynu v pracovním objemu.

Jak se zlepšovali, teplota a tlak se nekontrolovatelně zvyšovaly. 800° Celsia a 250 atm. - to je velmi obtížný úkol pro konstruktéry, to je hledání obzvláště odolných a tepelně odolných materiálů, obtížný problém chlazení, protože uvolňování tepla je zde jeden a půl až dvakrát větší než u klasických motorů.

Výsledky těchto experimentů někdy vedou k nejneočekávanějším zjištěním. Například specialisté z firmy Philips, běžící jejich motor volnoběh(bez topení) jsme si všimli, že hlava válců velmi chladne. Zcela náhodně objevený efekt vedl k celé řadě vývoje a nakonec ke zrodu nového chladicí stroj. V dnešní době jsou takové výkonné a malé chladicí jednotky široce používány po celém světě. Ale vraťme se k tepelným motorům.

Následující události rostou jako sněhová koule. V roce 1958, kdy získaly licence jiné společnosti, Stirling vstoupil do zámoří. Začalo se testovat v různých oblastech techniky. Vyvíjí se projekt využití motoru k pohonu vybavení kosmických lodí a satelitů. Pro polní radiostanice vznikají elektrárny, které fungují na jakýkoli druh paliva (o výkonu cca 10 hp), a mají tak nízkou hladinu hluku, že není slyšet na 20 kroků.

Obrovskou senzaci způsobila demonstrační jednotka fungující na dvacet druhů paliv. Bez vypnutí motoru, pouhým otočením kohoutku, benzín, nafta, ropa, olivový olej, hořlavý plyn - a stroj dokonale „sežral“ jakékoli „jídlo“. V zahraničním tisku se objevily zprávy o projektu motoru o objemu 2,5 tisíce litrů. S. s jaderným reaktorem. Odhadovaná účinnost 48-50 %. Všechny rozměry energetického bloku jsou výrazně zmenšeny, což umožňuje využít uvolněnou hmotnost a plochu pro biologickou ochranu reaktoru.

Dalším zajímavým vývojem je pohon pro umělé srdce o hmotnosti 600 g s výkonem 13 wattů. Slabě radioaktivní izotop mu poskytuje prakticky nevyčerpatelný zdroj energie.

Stirlingův motor byl testován na některých autech. Pokud jde o jeho provozní parametry, nebyl horší než karburátor, hladina hluku a toxicita výfukové plyny výrazně klesla.

Auto se Stirlingem může jezdit na jakýkoli druh paliva a v případě potřeby na taveninu. Představte si: před vjezdem do města řidič zapne hořák a roztaví několik kilogramů oxidu hlinitého nebo hydridu lithného. Jezdí po městských ulicích „bez kouření“: motor běží na teplo uložené v tavenině. Jedna z firem vyrobila skútr, jehož nádrž je naplněna asi 10 litry roztaveného fluoridu lithného. Tato náplň vystačí na 5 hodin provozu při výkonu motoru 3 litry. S.

Práce na Stirlingových pokračují. V roce 1967 byl vyroben prototyp poloprovozu o výkonu 400 koní. S. na válec. Provádí se komplexní program, podle kterého se do roku 1977 plánuje sériová výroba motorů s rozsahem výkonu od 20 do 380 koní. S. V roce 1971 uvedla společnost Philips na trh čtyřválcový průmyslový motor s výkonem 200 koní. S. s celkovou hmotností 800 kg. Jeho rovnováha je tak vysoká, že mince (velikost niklu) umístěná hranou na pouzdru stojí bez pohybu.

Mezi výhody nového typu motoru patří dlouhá životnost kolem 10 tisíc hodin. (existují samostatné údaje o 27 tisících) a hladký provoz, protože tlak ve válcích se zvyšuje plynule (po sinusovce), a ne při explozích, jako u dieselového motoru.

Provádíme také slibný vývoj nových modelů. Vědci a inženýři pracují na kinematice různých možností a využívají elektronické počítače k výpočtu různých typů „srdce“, Stirlingova regenerátoru. Probíhá hledání nových inženýrská řešení, který bude tvořit základ hospodárných a výkonných motorů schopných vytlačit běžné vznětové motory a benzinové motory, a tím napravit nespravedlivou chybu historie.

A. ALEXEEV

Všimli jste si chyby? Vyberte jej a klikněte Ctrl+Enter abyste nám dali vědět.

Související články: