Що таке двигун Стірлінга? Як працює двигун Стірлінга? Як був відкритий двигун Стірлінга? У яких сферах він використовується? Як теплова енергія перетворюється в енергію руху? Подробиці про двигуни Стірлінга – в нашій статті.

Що таке двигун Стірлінга?

Двигун Стірлінга — це машина, яка перетворює енергію, вироблену зовнішнім нагріванням закритої камери, в механічну енергію. Також відомий як двигун гарячого повітря. Коли нагріте повітря розширюється і стискається, двигун починає рухатися. Його винайшов у 1816 році шотландський священик, преподобний Роберт Стірлінг. Двигун був розроблений його братом Джеймсом Стірлінгом. За часів винахідників використовувалися парові машини, які були досить небезпечними. Вони вирішили знайти більш надійну альтернативу. Вони хотіли перетворити теплову енергію безпосередньо в енергію руху.

Що в двигуні Стірлінга?

Силовий поршень (витісняк): Він служить для переміщення газу в закритій камері. Зазвичай він використовується в двигунах бета- і альфа-типу.
Поршень: Він допомагає перетворювати теплову енергію в механічну, рухаючись у циліндрах двигуна.
маховик: Це конструкція, до якої кріпляться поршні. Завданням цієї конструкції є передача генерованої механічної енергії рухомим частинам.
Кулер: Це сприяє охолодженню газу в закритій камері. Це допомагає двигуну працювати тривалий час.
Обігрівач: Це найважливіша частина двигуна. Він використовується для нагрівання газу в закритій камері для перетворення теплової енергії в енергію руху.

Крім того, в деяких типах двигунів його можна використовувати в інших компонентах, крім цих. Це повністю на розсуд розробників.

Принцип роботи двигуна Стірлінга

Двигун Стірлінга працює шляхом багаторазового нагрівання та охолодження ізольованої кількості робочого газу (зазвичай повітря або газів, таких як гелій, водень).

Газ демонструє поведінку, визначену газовими законами (відносно тиску, температури та об’єму). Коли газ нагрівається, оскільки він знаходиться в ізольованому просторі, його тиск підвищується і впливає на силовий поршень, викликаючи потужний удар. Коли газ охолоджується, тиск падає, і в результаті поршень використовує частину роботи, виконаної на своєму зворотному ході, для повторного стиснення газу. Отримана мережа створює силу на шпиндель. Між гарячим і холодним теплообмінниками періодично проходить робочий газ. Робочий газ герметичний у поршневих циліндрах. Тому вихлопних газів тут немає. На відміну від інших типів поршневих двигунів, клапани не потрібні.

Деякі двигуни Стірлінга використовують поршень-розділювач для переміщення робочого газу вперед і назад між холодним і гарячим баками. Робочий газ переміщується, підтримуючи циліндри при різних температурах, завдяки з’єднанню силових поршнів кількох циліндрів.

У справжніх двигунах Стірлінга між баками розміщений регенератор. Це тепло передається від регенератора, коли відбувається газовий цикл між гарячою і холодною сторонами. У деяких конструкціях поршнем сепаратора є сам регенератор. Цей регенератор сприяє ефективності циклу Стірлінга. Конструкція, яку тут називають регенератором, насправді є твердою конструкцією, яка не перешкоджає проходженню повітря через неї. Наприклад, для цієї роботи можна використовувати сталеві кульки. Коли повітря рухається між холодним і теплим приміщенням, воно проходить через цей регенератор. Перш ніж гаряче повітря досягає холодної частини, воно залишає на цих кульках деяку теплову енергію. Коли холодне повітря переходить на гарячу сторону, воно трохи нагрівається разом із тепловою енергією, що виділилася раніше. Іншими словами, він підвищує ефективність двигуна за рахунок попереднього нагрівання повітря перед входом в гарячу частину і попереднього охолодження перед входом в холодну частину.

Ідеальний цикл двигуна Стірлінга має таку ж теоретичну ефективність, що і тепловий двигун Карно для тих самих температур на вході та виході. Його термодинамічна ефективність вища, ніж у парових машин. (або деякі прості двигуни внутрішнього згоряння та дизельні двигуни)

Будь-яке джерело тепла може живити двигун Стірлінга. Двигун зовнішнього згоряння, згоряння у виразі часто неправильно розуміють. Джерело тепла може вироблятися шляхом спалювання, але також може бути сонячна енергія, геотермальна енергія або ядерна енергія. Так само джерелом холоду, що використовується для створення різниці температур, можуть бути різні матеріали нижче температури навколишнього середовища. Охолодження можна досягти за допомогою холодної води або холодоагенту. Однак, оскільки різниця температур, яка буде отримана від джерела холоду, буде невеликою, це вимагатиме роботи з більшими масами, а втрати потужності, які виникнуть при перекачуванні, знизять ефективність циклу Продукти згоряння не контактують з внутрішніми частинами двигуна. Термін служби мастила в двигунах Стірлінга довший, ніж у двигунах внутрішнього згоряння.

Типи двигунів Стірлінга

Існує 3 основних типи двигунів Стірлінга. Інші типи двигунів є покращеними версіями 3 двигунів.

Двигун Стірлінга типу Альфа:

Складається з двох поршнів, маховика, закритої газової камери з поршнями, теплообмінників, теплогенератора і маховика. Він спрямований на активацію газу в ньому, нагріваючи джерелом тепла ділянку поршня, розміщеного зверху. Нагрітий газ починає штовхати поршень вперед і назад, інший підключений поршень починає рухатися, так що гарячий і холодний газ витісняються в камері. Утворена енергія передається за допомогою маховика, до якого з’єднані ці два поршні.

Бета-тип двигуна Стірлінга:

На одному валу є 2 поршня. Ці два поршні з'єднані один з одним. При нагріванні камери з поршнем внизу відбувається нагрівання та активація газу в закритій камері. Таким чином поршень починає свій висхідний рух. Інший підключений поршень також допомагає холодному газу рухатися в камері. Маховик, до якого кріпляться поршні, передає вироблену енергію.

Двигун Стірлінга типу гамма:

Є два окремих поршня. Камера з більшим поршнем нагрівається і газ в ній активується. Таким чином поршні, з’єднані один з одним з маховиком, починають рухатися.

Переваги двигунів Стірлінга

Оскільки тепло подається зовні, ми можемо точно контролювати паливно-повітряну суміш.
Оскільки для забезпечення тепла використовується безперервне джерело тепла, кількість незгорілого палива дуже мала.
Цей тип двигуна вимагає менше обслуговування та змащення, ніж типи двигунів на їхньому рівні потужності.
Вони досить прості за будовою в порівнянні з двигунами внутрішнього згоряння.
Вони можуть працювати навіть при низькому тиску, вони безпечніші, ніж машини з джерелом пари.
Низький тиск дозволяє використовувати більш легкі та міцні циліндри.

Недоліки двигунів Стірлінга

Вартість висока з точки зору економії палива, оскільки необхідне тепло потрібно при першому запуску двигуна.
Вивести його владу на інший рівень досить важко.
Деякі двигуни Стірлінга не можуть швидко запуститися. Вони потребують достатнього тепла.
Як правило, газоподібний водень використовується в закритій камері. Однак, коли молекули цього газу досить малі, утримати його в камері важко. Тому ми стикаємося з додатковими витратами.
Холодна частина повинна поглинати достатньо тепла. Якщо втрата тепла занадто велика, ККД двигуна знизиться.

Сфери застосування двигунів Стірлінга

Двигуни Стірлінга використовуються в авіаційних двигунах малої потужності, суднових двигунах, теплових насосах, комбінованих теплоенергетичних системах. Сьогодні він в основному використовується для виробництва електроенергії на полях сонячних панелей.

Що таке двигун Стірлінга? Як працює двигун Стірлінга?