1. Двигуни Стірлінга, які працюють за іншим циклам [ правити | правити код ]
2. Універсальні джерела електроенергії [ правити | правити код ]
3. Насоси [ правити | правити код ]
4. Теплові насоси [ правити | правити код ]
5. Холодильна техніка [ правити | правити код ]
6. Наднизькі температури [ правити | правити код ]
7. Підводні човни [ правити | правити код ]
8. Акумулятори енергії [ правити | правити код ]
9. Сонячні електростанції [ правити | правити код ]

Двигун Стірлінга - теплова машина , В якій робоче тіло, у вигляді газу або рідини, рухається в замкнутому об'ємі, різновид двигуна зовнішнього згоряння . Заснований на періодичному нагріванні і охолодженні робочого тіла, з витяганням енергії з виникає при цьому зміни тиску. Може працювати не тільки від спалювання палива , Але і від будь-якого джерела тепла.

Двигун Стірлінга був уперше запатентований шотландським священиком Робертом Стірлінгом 27 вересня 1816 рік (Англійський патент № 4081 1819). Однак перші елементарні «двигуни гарячого повітря» були відомі ще в кінці XVII століття , Задовго до Стірлінга. Досягненням Стірлінга є додавання вузла, який він назвав «економ».

У сучасній науковій літературі цей вузол називається « регенератор ». Він збільшує продуктивність двигуна, утримуючи тепло в теплій частині двигуна, в той час як робоче тіло охолоджується. Цей процес набагато підвищує ефективність системи. Найчастіше регенератор являє собою камеру, заповнену дротом, гранулами, гофрованої фольгою (гофри йдуть вздовж напрямку потоку газу). Газ, проходячи через наповнювач в одну сторону, віддає тепло регенераторів, а при русі в іншу сторону відбирає його. Регенератор може бути зовнішнім по відношенню до циліндрів, а може бути розміщений на поршні-витискує в β- і γ-конфігураціях. В останньому випадку розміри і вага машини виявляються менше. Частково роль регенератора виконує зазор між витіснювачем і стінками циліндра (при довгому циліндрі потреба в такому пристрої взагалі зникає, але з'являються значні втрати через в'язкості газу). В α-Стірлінг регенератор може бути тільки зовнішнім. Він встановлюється послідовно з теплообмінником, в якому відбувається нагрівання робочого тіла, з боку холодного поршня.

В 1843 році брат винахідника, Джеймс Стірлінг, використовував цей двигун на заводі, де він в той час працював інженером. В 1938 році фірма « Філіпс »Інвестувала в двигун Стірлінга потужністю понад двісті кінських сил і віддачею більш 30%. Двигун Стірлінга має багато переваг і був широко поширений в епоху парових машин.

В XIX столітті інженери хотіли створити безпечну заміну парових двигунів того часу, котли яких часто вибухали через високі тисків пара і невідповідних матеріалів для їх побудови. Хороший варіант з'явився зі створенням двигуна Стірлінга, який міг перетворювати в роботу будь-яку різницю температур. Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійно чередуемих нагріванні і охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Зазвичай в ролі робочого тіла виступає повітря , Але також використовуються водень і гелій . У ряді дослідних зразків випробовувалися фреони, двоокис азоту, скраплений пропан-бутан і вода. В останньому випадку вода залишається в рідкому стані на всіх ділянках термодинамічної циклу. Особливостями «стірлінга» з рідким робочим тілом є малі розміри, висока питома потужність і великі робочі тиски. Існує також «стірлінг» з двофазним робочим тілом. Він теж характеризується високою питомою потужністю, високим робочим тиском.

з термодинаміки відомо що тиск , температура і обсяг ідеального газу взаємопов'язані і слідують закону P V = v R T {\ displaystyle PV = vRT} , Де:

• P - тиск газу;
• V - об'єм газу;
• v - кількість молей газу;
• R - універсальна газова константа;
• Т - температура газу в кельвінах.

Це означає, що при нагріванні газу його обсяг збільшується, а при охолодженні - зменшується. При нагріванні газ здійснює роботу (наприклад, штовхає поршень) і охолоджується. Стиснути охолоджений газ простіше, ніж утримати розширюється гарячий (на стиск холодного газу "витрачається" менше роботи, ніж вивільняється роботи при нагріванні і розширенні того ж самого газу). Це властивість газів і лежить в основі роботи двигуна Стірлінга.

Двигун Стірлінга використовує цикл Стірлінга , Який по термодинамічної ефективністю не поступається циклу Карно , І навіть має перевагу. Справа в тому, що цикл Карно складається з мало відрізняються між собою ізотерм і адіабати. Практичне втілення цього циклу малоперспективно. Цикл Стірлінга дозволив отримати працюючий на практиці двигун в прийнятних розмірах.

Цикл Стірлінга складається з чотирьох фаз і розділений двома перехідними фазами: нагрів, розширення, перехід до джерела холоду, охолодження, стиснення і перехід до джерела тепла. Таким чином, при переході від теплого джерела до холодного джерела відбувається розширення і стиснення газу, що знаходиться в циліндрі. При цьому змінюється тиск, за рахунок чого можна отримати корисну роботу.

Нагрівання і охолодження робочого тіла (ділянки 4 і 2) проводиться витіснювачем. В ідеалі кількість тепла, що віддається і відбирається витіснювачем, однаково. Корисна робота проводиться тільки за рахунок ізотерм, тобто залежить від різниці температур нагрівача і охолоджувача, як в циклі Карно.

Робочий цикл двигуна Стірлінга β-типу:

де: a - витіснювальний поршень; b - робочий поршень; з - маховик; d - вогонь (область нагрівання); e - охолоджуючі ребра (область охолодження).

1. Зовнішнє джерело тепла нагріває газ в нижній частині теплообмінного циліндра. Створюваний тиск штовхає робочий поршень вгору (витіснювальний поршень нещільно прилягає до стінок).
2. Маховик штовхає витіснювальний поршень вниз, тим самим переміщаючи розігрітий повітря з нижньої частини в охолоджувальну камеру.
3. Повітря охолоджується і стискається, робочий поршень опускається вниз.
4. Витіснювальний поршень піднімається вгору, тим самим переміщаючи охолоджене повітря в нижню частину. І цикл повторюється.

У машині Стірлінга рух робочого поршня зрушено на 90 ° щодо руху поршня-витискувача. Залежно від знака цього зсуву машина може бути двигуном або тепловим насосом. При зсуві 0 ° машина не робить ніякої корисної роботи.

Двигуни Стірлінга, які працюють за іншим циклам [ правити | правити код ]

Цикл Стірлінга вважається неодмінною приналежністю саме двигуна Стірлінга. У той же час, докладне вивчення принципів роботи безлічі створених на сьогоднішній день конструкцій показує, що значна частина з них має робочий цикл, відмінний від циклу Стірлінга. Наприклад, α-стірлінг з поршнями різного діаметру має цикл, більш схожий на цикл Ерікссона . β- і γ-конфігурації, що мають досить великий діаметр штока у поршня-витискувача, також займають якесь проміжне положення між циклами Стірлінга і Ерікссона.

При русі витискує в β-конфігурації зміна стану робочого тіла відбувається не по Ізохор, а по похилій лінії, проміжної між Ізохор і ізобарою . При деякому відношенні діаметра штока до загального діаметру витіснювача можна отримати ізобари (це відношення залежить від робочих температур). В цьому випадку поршень, який раніше був робітником, грає лише допоміжну роль, а справжнім робочим стає шток витіснювача. Питома потужність такого двигуна виявляється приблизно в 2 рази більшою, ніж у звичних «Стірлінг», нижче втрати на тертя, так як тиск на поршень більш рівномірно. Схожа картина в α-Стірлінга з різним діаметром поршнів.

Двигун з проміжною діаграмою може мати навантаження, рівномірно розподілене між поршнями, тобто між робочим поршнем і штоком витіснювача.

Важливою перевагою роботи двигуна по циклу Ерікссона або близькій до нього є те, що ізохора замінена на ізобарах або близький до неї процес. При розширенні робочого тіла по ізобарі не відбувається ніяких змін тиску, ніякого теплообміну, крім передачі тепла від очищувача робочого тіла. І це нагрівання тут же робить корисну роботу. При изобарном стисненні відбувається віддача тепла очищувачу.

У циклі Стірлінга при нагріванні або охолодженні робочого тіла по Ізохор відбуваються втрати тепла, пов'язані з ізотермічними процесами в нагрівачі і охолоджувачі.

Інженери підрозділяють двигуни Стірлінга на три різних види:

• α-Стірлінг - містить два роздільних силових поршня в роздільних циліндрах, один - гарячий, інший - холодний. Циліндр з гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з більш високою температурою, з холодним - в більш холодному. У даного виду двигуна відношення потужності до обсягу досить велике, але, на жаль, висока температура «гарячого» поршня створює певні технічні труднощі. Регенератор знаходиться між гарячою частиною сполучної трубки і холодної.

• β-Стірлінг - циліндр всього один, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і витіснювач, що розділяє гарячу і холодну порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснювачем.

• γ-Стірлінг - теж є поршень і витіснювач, але при цьому два циліндра - один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця і холодний з іншого (там рухається витіснювач). Регенератор може бути зовнішнім, в цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодною і одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною витіснювача.

Також існують різновиди двигуна Стірлінга, що не підпадають під вищевказані три класичних види:

• Роторний двигун Стірлінга - вирішені проблеми герметичності (патент Мухіна на герметичний введення обертання (ГВВ), срібна медаль на міжнародній виставці в Брюсселі «Еврика-96») і громіздкість (немає кривошипно-шатунного механізму, так як двигун роторний) [1] .

• Термоакустичний двигун Стірлінга - замість використання поршня-витискувача, робоче тіло рухається між гарячою і холодною порожнини за рахунок явищ акустичного резонансу . Така схема дозволяє зменшити кількість рухомих частин, але виникають складнощі з підтриманням акустичного резонансу, а також зі зняттям потужності.

• Громіздкість і матеріаломісткість - основний недолік поршневих варіантів двигуна. У двигунів зовнішнього згоряння взагалі, і двигуна Стірлінга зокрема, робоче тіло необхідно охолоджувати, і це призводить до істотного збільшення масогабаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів.

• Для отримання характеристик, порівнянних з характеристиками ДВС, доводиться застосовувати високі тиску (понад 100 атм) і особливі види робочого тіла - водень, гелій.

• Тепло підводиться ні до робочого тіла безпосередньо, а тільки через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється нижче, ніж можна було очікувати. Гарячий теплообмінник працює в дуже напружених умовах теплопередачі і при дуже високому тиску, що вимагає застосування високоякісних і дорогих матеріалів. Створення теплообмінника, який задовольняв би суперечливим вимогам, - вельми нетривіальне завдання. Чим більше площа теплообміну, тим більше втрати тепла. При цьому зростає розмір теплообмінника і обсяг робочого тіла, який не бере участі в роботі. Оскільки джерело тепла розташований зовні, двигун повільно відгукується на зміну теплового потоку, що підводиться до циліндра, і не відразу може видати потрібну потужність при запуску.

• Для швидкої зміни потужності двигуна застосовуються методи, відмінні від застосовуваних в двигунах внутрішнього згоряння: буферна ємність змінюваного обсягу, зміна середнього тиску робочого тіла в камерах, зміна фазного кута між робочим поршнем і витіснювачем. В останньому випадку відгук двигуна на котра управляє вплив водія є майже миттєвим.

Проте, двигун Стірлінга має переваги, які змушують займатися його розробкою.

• «Всеїдність» двигуна - як все двигуни зовнішнього згоряння (вірніше - зовнішнього підведення тепла), двигун Стірлінга може працювати від майже будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними верствами води в океані, від сонця, від ядерного або ізотопного нагрівача, вугільної або дров'яної печі і т.д.
• Простота конструкції - конструкція двигуна дуже проста, він не вимагає додаткових систем, таких як газорозподільний механізм. Він запускається самостійно і не потребує стартері. Його характеристики дозволяють позбутися від коробки передач.
• Збільшений ресурс - простота конструкції, відсутність багатьох «ніжних» вузлів дозволяє «Стірлінг» забезпечити небувалий для інших двигунів запас працездатності в десятки і сотні тисяч годин безперервної роботи.
• Економічність - для утилізації деяких видів теплової енергії, особливо при невеликій різниці температур, «стирлинги» часто виявляються найбільш ефективними видами двигунів. Наприклад, в разі перетворення в електрику сонячної енергії «стирлинги» іноді дають більший ККД (до 31,25%), ніж теплові машини на пару. [2]
• Екологічність - «стірлінг» не має вихлопу з циліндрів, а це значить, що рівень його шуму набагато менше, ніж у поршневих двигунів внутрішнього згоряння. β-стірлінг з ромбічним механізмом є ідеально збалансованим пристроєм і, при досить високій якості виготовлення, має гранично низький рівень вібрацій (амплітуда вібрації менше 0,0038 мм). Сам по собі «стірлінг» не має якихось частин або процесів, які можуть сприяти забрудненню навколишнього середовища. Він не витрачає робоче тіло. Тобто екологічність двигуна обумовлена ​​перш за все екологічністю джерела тепла. А для нього можна відзначити, що забезпечити повноту згоряння палива в двигуні зовнішнього згорання простіше, ніж в двигуні внутрішнього згоряння. [Втім, в ДВС повнота згоряння палива залежить від відповідності хімічного складу палива фізичним параметрам ДВС. Так наприклад, бензин чи дизельне паливо завжди згоряють в циліндрах (або в камері роторного ДВС) в повному обсязі, тоді як спирт або скраплений газ згорають в ДВС повністю.]

Двигун Стірлінга застосуємо у випадках, коли необхідний невеликий перетворювач теплової енергії, простий по влаштуванню, або коли ефективність інших теплових двигунів виявляється нижче: наприклад, якщо різниці температур недостатньо для роботи парової або газової турбіни.

Універсальні джерела електроенергії [ правити | правити код ]

Двигуни Стірлінга можуть застосовуватися для перетворення в електроенергію будь теплоти. На них покладають надії по створенню сонячних електроустановок. Їх застосовують як автономні генератори для туристів. Деякі підприємства випускають генератори, які працюють від конфорки газової печі. NASA розглядає варіанти генераторів на основі «стірлінга», що працюють від ядерних і радіоізотопних джерел тепла [3] . Спеціально розроблений генератор «стірлінга» з радіоізотопним джерелом енергії ( Advanced Stirling Radioisotope Generator (ASRG)), буде використаний в планованої NASA космічної експедиції - Titan Saturn System Mission [4]

Насоси [ правити | правити код ]

Ефективність систем опалення або охолодження зростає, якщо в контурі встановлений насос примусової подачі теплоносія. Установка електричного насоса знижує живучість системи, а в неавтономних побутових енергосистемах неприємна тим, що електролічильник «накручує» відчутну суму. Насос, який використовує принцип двигуна Стірлінга, вирішує цю задачу.

«Стірлінг» для перекачування рідин може бути набагато простіше звичної схеми «двигун-насос». У двигуні Стірлінга замість робочого поршня може використовуватися перекачується рідина, яка одночасно служить для охолодження робочого тіла.

Насос на основі двигуна «стірлінга» може служити для накачування води в іригаційні канали за допомогою сонячного тепла, для подачі гарячої води від сонячного колектора в будинок (в системах опалення теплоаккумулятор намагаються встановити якомога нижче, щоб вода йшла в радіатори самопливом).

Стірлінг-насос може використовуватися для перекачування хімічних реагентів, оскільки герметичний.

Стірлінг-насос з рідким поршнем використовує цикл, відмінний від циклу Стірлінга. Його ідеалізована діаграма PV має вигляд прямокутника і складається з двох изохор і двох ізобар. ККД приблизно в 2 рази гірше, ніж у циклу Карно (і циклу Ерікссона) для такого ж перепаду температур.

Теплові насоси [ правити | правити код ]

теплові насоси дозволяють заощадити на опаленні [5] . Принцип дії той же, що у кондиціонера (Кондиціонер - це той же тепловий насос), тільки кондиціонер зазвичай охолоджує приміщення, нагріваючи навколишній простір, а тепловий насос, як правило, обігріває приміщення, охолоджуючи зовнішнє повітря, воду зі свердловини або інше джерело низько потенційного тепла. Зазвичай використовуються теплонасоси, що приводяться в рух електрикою. Але електрику в ряді країн проводиться на теплоелектростанціях, що спалюють газ, вугілля, мазут, і в підсумку калорія, отримана на такому теплонасосі, виявляється не дешевше, ніж отримана від спалювання газу. Пристрій, в якому поєднані двигун Стірлінга і тепловий насос Стірлінга, робить ситуацію більш сприятливою. Двигун Стірлінга віддає в систему опалення непридатне тепло від «холодного» циліндра, а отримана механічна енергія використовується для підкачки додаткового тепла, яке забирається з навколишнього середовища. Гібридний теплонасос «стірлінг-стірлінг» виявляється простіше, ніж композиція з двох стірлінг-машин. У пристрої абсолютно відсутні робочі поршні. Перепади тиску, що виникають в двигуні, безпосередньо використовуються для перекачування тепла тепловим насосом. Внутрішній простір пристрою герметично і дозволяє використовувати робоче тіло під дуже високим тиском.

Холодильна техніка [ правити | правити код ]

Майже всі холодильники використовують ті ж теплові насоси. Стосовно до систем охолодження їх доля виявилася щасливішою. Ряд виробників побутових холодильників збирається встановити на свої моделі «стирлинги». Вони будуть мати більшу ощадні, а як робоче тіло будуть використовувати звичайне повітря.

Наднизькі температури [ правити | правити код ]

Двигун Стірлінга може працювати і в режимі холодильної машини (зворотний цикл Стірлінга ). Для цього його приводять в рух будь-яким іншим зовнішнім двигуном (в тому числі за допомогою іншого «Стірлінга»). Такі машини виявилися ефективними для скраплення газів. Якщо не потрібно великих обсягів (наприклад в умовах лабораторії), то «стирлинги» вигідніше, ніж турбінні установки [ Джерело не вказано 3228 днів ].

Маленькі «Стірлінг» вигідно застосовувати для охолодження датчиків в надточних приладах.

Підводні човни [ правити | правити код ]

Преимущества «стірлінга» прізвелі до того, что ще в першій половіні 1960-х років військово-морські довідники Вказував на можлівість установки на підводніх човни типу « Шёурмен »Виробництво Швеции воздухонезавісіміх двигунів Стірлінга. Однако ні «Шёурмені», ні следующие за ними « Накка »І« Вестер'ётланді »Зазначені СИЛОВІ установки так и не получил. І только в 1988 году головний субмарина типу «Накка» булу переобладнана під двигуни Стірлінга. З ними вона пройшла під водою більше 10 000 годин. Іншими словами, саме шведи відкрили в підводному кораблебудуванні еру допоміжних анаеробних рухових установок. І якщо «Накка» - перший дослідний корабель цього підкласу, то субмарини типу « Готланд »Стали першими серійними човнами з двигунами Стірлінга, які дозволяють їм перебувати під водою безперервно до 20 діб. В даний час всі підводні човни ВМС Швеції оснащені двигунами Стірлінга, а шведські кораблебудівники вже добре відпрацювали технологію оснащення цими двигунами підводних човнів, шляхом врізання додаткового відсіку, в якому і розміщується нова рухова установка. Двигуни працюють на рідкому кисні, який використовується в подальшому для дихання, мають дуже низький рівень шуму, а згадані вище недоліки (розмір і охолодження) на підводному човні несуттєві.

На новітніх японських підводних човнах типу «Сорю» встановлено по 4 двигуна Стірлінга Kawasaki Kockums V4-275R, 8 000 к.с,

На даний час двигун Стірлінга розглядається як багатообіцяючий єдиний всережімний двигун наплив 5-го покоління.