Stirlingov motor - princip rada. Stirling motor s niskim temperaturama (fotografija)

Stirlingov motor čiji je princip rada kvalitativno različit od uobičajenog motora za sve ICE, bio je posljednji dostojni natječaj. Međutim, neko vrijeme su to zaboravili. Kao što je ovaj motor se koristi i danas, što je princip njegovog rada (u članku se također mogu naći motornih Stirling crteži koji pokazuju njegov rad), i što su planovi za buduću upotrebu, pogledajte u nastavku.

priča

Godine 1816. u Škotskoj je Robert Stirling patentiran termalni stroj, nazvana danas u čast svog izumitelja. Prvi motori vrućeg zraka bili su izmisleni čak i prije njega. Ali Stirling je dodao uređaj za čišćenje, koji se u tehničkoj literaturi naziva regeneratorom ili izmjenjivačem topline. Zahvaljujući tome, performanse motora povećavale su se kada je jedinica bila topla.

Motor je bio prepoznat kao najsnažniji parni motor dostupan u to vrijeme, jer nikad nije eksplodirao. Prije toga na drugim motorima pojavio se takav problem. Usprkos brzom uspjehu, početkom dvadesetog stoljeća, njegov razvoj je bio napušten, jer je postao manje ekonomičan, u usporedbi s tadašnjim motori s unutarnjim izgaranjem i električnih motora. Međutim, Stirling je i dalje nastavio koristiti u nekim industrijama.

Vanjski motor s unutarnjim izgaranjem

Načelo rada svih termo motora je da su potrebne veće mehaničke sile za proizvodnju plina u ekspandiranom stanju nego kod komprimiranja hladnog. Za vizualnu demonstraciju toga možete provesti eksperiment s dvije posude ispunjene hladnom i toplom vodom, kao i bočicom. Potonji je spušten u hladnu vodu, priključen plutom, a zatim prebačen na vrući. Istovremeno, plin u boci započinje s mehaničkim radom i gura plut. Prvi motor s vanjskim izgaranjem temeljio se na tom procesu. Međutim, kasnije je izumitelj shvatio da se neki od topline može koristiti za grijanje. Dakle, produktivnost se značajno povećala. Ali ni to nije pomoglo da motor postane uobičajen.

Kasnije Ericson, inženjer iz Švedske, poboljšava dizajn predlažući da se ohladi i zagrijava plin pod stalnim pritiskom umjesto volumena. Kao rezultat toga, mnoge kopije su korištene za rad u rudnicima, brodovima i tiskarama. Ali za posadu su bili previše teški.

Vanjski motori sagorijevanja tvrtke Philips

Takvi motori su slijedeće vrste:

• para;
• parna turbina;
• Stirling.

Potonji tip nije počeo razvijati zbog niske pouzdanosti, a preostali ne najviši pokazatelji u usporedbi s ostalim vrstama agregata koji su se pojavili. Međutim, 1938. Philips je nastavio s radom. Motor je počeo služiti za pogone generatora u neelektrificiranim područjima. Godine 1945., inženjeri tvrtke su pronašli ih na drugi način koristiti: ako se vratilo vrtjeti električni motor, hlađenje glave cilindra dolazi do minus 190 Celzijevih stupnjeva. Tada je odlučeno da u rashladnim jedinicama koriste poboljšani Stirlingov motor.

Načelo rada

Djelovanje motora je rad na termodinamičkim ciklusima, kod kojih se kompresija i ekspanzija odvijaju na različitim temperaturama. U tom slučaju, kontrola protoka radnog medija ostvaruje se zbog promjenjivog volumena (ili tlaka - ovisno o modelu). To je načelo rada većine takvih strojeva, koji mogu imati različite funkcije i konstruktivne sheme. Motori mogu biti klipni ili rotirajući. Strojevi sa svojim postrojenjima djeluju kao toplinske pumpe, hladnjaci, generatori tlaka i tako dalje.

Osim toga, postoje i motori s otvorenim ciklusom u kojima se provodi kontrola protoka pomoću ventila. To su ti nazivi Ericksonovih motora, osim zajedničkog imena Stirlingova imena. U ICE-u se korisni rad provodi nakon prethodnog komprimiranja zraka, ubrizgavanja goriva, zagrijavanja rezultirajuće mješavine s rasplamavanjem i ekspanzijom.

Stirlingov motor ima isti princip rada: pri niskoj temperaturi kompresija se odvija, a kod visoke temperature - ekspanzija. Ali drugačije, grijanje se provodi: toplina se dobiva kroz zid cilindra izvana. Stoga se zvao vanjski motor s unutarnjim izgaranjem. Stirling je koristio periodičku promjenu temperature s klipom za zamjenu. Potonji pomiče plin iz jedne šupljine u cilindru na drugu. S jedne strane, temperatura je stalno niska, as druge - visoka. Kada se klip pomiče prema gore, plin se pomiče iz vruće u hladnu šupljinu, a prema dolje - vraća se vrućoj. Prvo, plin daje veliku količinu topline u hladnjak, a zatim iz grijalice dobiva onoliko koliko je dao. Između grijalice i hladnjaka nalazi se regenerator - šupljina napunjena materijalom kojem plin ispušta toplinu. Kod obrnutog protoka, regenerator ga vraća.

Sustav potisnog plina je povezan s radnim klipom koji komprimira plin u hladnoći i dopušta da se proširi u toplini. Zbog kompresije na nižoj temperaturi vrši se korisni rad. Cijeli sustav prolazi kroz četiri ciklusa s povremenim pokretima. Mehanizam pokretača osigurava kontinuitet. Stoga, između faza ciklusa nema oštrih granica, a učinkovitost motora Stirling ne smanjuje se.

S obzirom na sve gore navedeno, zaključak sugerira da je ovaj motor klipni stroj s vanjskom opskrbom toplinom, pri čemu radna tekućina ne ostavlja zatvoreni prostor i nije zamijenjena. Crteži Stirlingovog motora dobro ilustriraju uređaj i princip rada.

Pojedinosti o radu

Sunce, struja, nuklearna energija ili bilo koji drugi izvor topline mogu dati energiju Stirlingovom motoru. Načelo rada njegova tijela je uporaba helija, vodika ili zraka. Idealni ciklus ima maksimalnu toplinsku učinkovitost, jednako trideset do četrdeset posto. No, s učinkovitim regeneratorom može raditi s većom učinkovitošću. Regeneracija, grijanje i hlađenje osiguravaju ugrađeni izmjenjivači topline koji rade bez ulja. Treba napomenuti da motor zahtijeva vrlo malo podmazivanja. Prosječni tlak u cilindru je obično 10 do 20 MPa. Dakle, to zahtijeva odličan sustav brtvljenja i mogućnost ulja u radne šupljine.

Usporedne značajke

U većini današnjih motora ove vrste koristi se tekuće gorivo. Istodobno, kontinuirani tlak je lako kontrolirati, što pomaže smanjenju emisija. Odsutnost ventila osigurava tihi rad. Snaga s masom koja je usporediva s motorima s turbom, a specifična snaga primljena na izlazu jednaka je pokazatelju dizelske jedinice. Brzina i zakretni moment ne ovise jedni o drugima.

Trošak proizvodnje motora je mnogo veći nego na ICE. No, u operaciji, dobiva se suprotno.

prednosti

Svaki Stirlingov model motora ima mnoge prednosti:

• Učinkovitost modernog dizajna može doseći do sedamdeset posto.
• Motor nema visokonaponski sustav paljenja, bregaste osovine i ventile. Neće se morati prilagoditi tijekom cijelog životnog vijeka.
• U Stirlingu ne postoji eksplozija, kao u ICE, koja jako opterećuje radilicu, ležajeve i klipnjače.
• Oni nemaju takav učinak kada kažu da je motor izumrla.
• Zbog jednostavnosti uređaja može se koristiti dulje vrijeme.
• Može raditi i na ognjištu, nuklearnom i bilo kojem drugom tipu goriva.
• Izgaranje se odvija izvan motora.

mane

• Glavni nedostatak dizajna je njegova potrošnja materijala.
• Treba rashladiti radno tijelo, zbog čega se dimenzije značajno povećavaju.
• Kako bi se dobile jednake karakteristike s ICE, potrebno je koristiti visoki tlak.
• Na radni dio, toplina se isporučuje kroz zidove izmjenjivača topline, u kojima je ograničena toplinska vodljivost.
• Za promjenu snaga motora, promijenite glasnoću kapacitet međuspremnika, prosječni tlak radne tekućine, fazni kut između izmjenjivača i klipa.

primjena

Trenutno, Stirlingov motor s generatorom koristi se u mnogim područjima. Ovo je univerzalni izvor električne energije u hladnjacima, pumpama, podmornicama i solarnim elektranama. Zahvaljujući korištenju različitih vrsta goriva moguće je široko koristiti.

preporod

Ti su se motori zahvaljujući Philipsu počeli razvijati. Sredinom dvadesetog stoljeća, sklopila je ugovor s General Motorsom. Vodila je razvoj za primjenu Stirlinga u svemiru i podvodnim uređajima, na brodovima i automobilima. Slijedeći ih, počeo ih je razviti još jedna tvrtka iz Švedske, United Stirling, uključujući moguću uporabu na osobnim automobilima.

Danas se linearni Stirlingov motor koristi u instalacijama podvodnih, prostornih i solarnih uređaja. Veliki interes za to je zbog žurnosti pitanja pogoršanja situacije u okolišu, kao i borbe protiv buke. U Kanadi i SAD-u, Njemačkoj i Francuskoj, kao i Japanu, postoje aktivna pretraživanja za razvoj i poboljšanje njegove uporabe.

Budućnost

Izričite prednosti koje imaju klip i rotirajući motor Stirling, koji se sastoji od velikog resursa, uporabe različitih goriva, bez šutnje i niske toksičnosti, čini ga vrlo obećavajućima u pozadini motora s unutarnjim izgaranjem. Međutim, s obzirom na činjenicu da se ICE poboljšava tijekom cijelog vremena, ne može se lako pomaknuti. Na ovaj ili onaj način, ovaj motor trenutno zauzima vodeću poziciju i neće ih predati u bliskoj budućnosti.