Что внутри у двигателя стирлинга

Электростанции на двигателе Стирлинга — один из способов использования интересного агрегата

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

Двигатель Стирлинга: физическая сторона вопроса

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

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 КПД на 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.

Области применения двигателей Стирлинга

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Видео материал: YouTube.com/watch?v=fRY6rkuw3LA

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Двигатель Стирлинга — второе рождение

Долгое время такие недостатки двигателей внутреннего сгорания (ДВС), как жесткие требования к топливу и маслам, загрязнение атмосферы, шум на выхлопе, резкое ухудшение экономичности и других характеристик при отклонении от оптимального режима работы и, наконец, не возможность использования источников тепла, не связанных с горением, не имели существенного значения. Однако с ростом числа и мощности эксплуатируемых ДВС проблемы токсического и шумового загрязнения окружающей среды приобрели жизненно важное значение.

Быстрое исчерпание разведанных запасов нефти в мире привело к тому, что в последние десять лет происходит переход из эры дешевой нефти в эру высоких цен на энергию в целом. С другой стороны, в новых отраслях техники возникла острая необходимость в специальных тепловых двигателях (например, для работы в космосе, в подводных условиях), не нуждающихся в атмосферном кислороде, но способных работать от любого высокотемпературного источника тепла.

Эти проблемы повысили интерес специалистов к альтернативному двигателю с внешним подводом тепла предложенному еще в 1816 г. шотландским изобретателем Робертом Стирлингом. Принцип работы двигателя Стирлинга (ДС), краткая историческая справка о его развитии и описание некоторых конструкций таких двигателей были опубликованы в «КЯ» №27 (см. статью Г. Б. Либефорта «Двигатель внешнего сгорания»).

По прогнозам ведущих специалистов крупных фирм США, Японии, Швеции, Голландии ДС, возможно, станет доминирующим двигателем в следующем столетии.

Почему же ДС прочат такие блистательные перспективы? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо вспомнить историю тепловых двигателей.

К пределу экономичности

В 1824 г. французский инженер С. Карно четко сформулировал условия, необходимые для наиболее эффективного превращения тепла в работу. Он предложил идеальный цикл, состоящий из двух изотерм 1 и двух адиабат 2 . С тех пор данный цикл является термодинамическим эталоном совершенства тепловых двигателей. Но в цикле Карно при большой разности температур нагревателя и холодильника расширение и сжатие рабочего тела необходимо вести в очень большом интервале давлений, в связи с чем его практическая реализация настолько сложна, что оказывается нецелесообразной.

Еще до выхода в свет работы С. Карно Р. Стирлинг удачно обошел эту трудность, введя в цикл тепловой машины регенерацию тепла. Однако низкий уровень технологии в начале XIX в. не позволил создать достаточно совершенные конструкции двигателей этого типа, и они были надолго забыты.

Расчеты, проведенные в 1938 г. специалистами фирмы «Филипс», показали, что оба цикла — и Стирлинга, и Карно — термодинамически равно ценны. Цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор 3 . может служить таким же термодинамическим эталоном, как цикл Карно. Более того, регенерация тепла в этом цикле позволяет работать в большом интервале темпера тур, а следовательно, с высоким КПД при малых соотношениях давления сжатия и расширения рабочего тела. Эта особенность цикла Стирлинга делает реальной его практическую реализацию в двигателях, имеющих КПД, близкий к максимально возможному при данной разности температур нагревателя и холодильника.

Рассмотрим несколько идеализированный рабочий процесс двигателя Стирлинга вытесни тельного типа на наглядной компоновочной схеме с расположением цилиндров под углом 90° и обычным кривошипно-шатунным механизмом (рис. 3).

Термический КПД идеального цикла Стирлинга, как и цикла Карно, определяется формулой

Однако практически термический КПД этих двигателей заметно ниже.

В реальных двигателях Стирлинга энергия расходуется на трение и теплопроводность, а так же отходит с продуктами горения и т. д. Тем не менее, благодаря принципиальным термодинамическим преимуществам цикла Стирлинга в уже созданных ДС достигнуты наибольшие значения эффективного КПД по сравнению с другими тепловыми двигателями одинаковой мощности (рис. 2).

В двигателе Стирлинга можно использовать любое дешевое топливо: газ, уголь, дрова и даже торф. При этом, в отличие от ДВС, топливо сжигается непрерывно при низком давлении и оптимальном избытке воздуха в камере сгорания, расположенной вне рабочего объема Содержание ядовитых веществ в продуктах сгорания при таких условиях уменьшается до минимума, а количество выделяемой энергии увеличивается. Кроме традиционных топлив, для ДС пригодны другие источники тепла, расплавы солей, радиоизотопы, а так же ядерная и солнечная энергия, тепло недр Земли и т. п.

Внутренний объем двигателя Стирлинга герметичен, поэтому в него не попадает абразивная пыль, масло не соприкасается с продуктами горения и не окисляется (следовательно, почти не расходуется). Благодаря плавности рабочего процесса снижаются вибрация и нагрузки на все трущиеся элементы двигателя.

Эти особенности делают ДС более надежным и долговечным по сравнению с ДВС, позволяют использовать его длительное время без обслуживания. Принцип внешнего подвода тепла обеспечивает быстрый и безотказный запуск при низких температурах.

В дополнение к этому уникальному набору качеств двигатель Стирлинга практически бесшумен, так как он работает без клапанов и не имеет резкого пульсирующего выхлопа.

Перспективность двигателей Стирлинга давно подтверждена практикой. Например, фирма «Филипс» в свое время продемонстрировала 16 тонный автобус с ДС мощностью 100 л. с., фирма «Юнайтед Стирлинг» 7-тонный грузовой фургон, а американцы — легковой автомобиль «Форд-Торонто».

В настоящее время за рубежом примерно 60 фирм работают над дальнейшим совершенствованием двигателей Стирлинга. Уже разработаны двигатели этого типа большой мощности для тепловозов и электростанций, работающих на каменном угле. ДС используются для привода тепловых насосов, передвижных электрогенераторов. Созданы образцы для работы на спутниках Земли. Большое количество работ посвящено интереснейшей проблеме — применению миниатюрных ДС с радиоизотопным источником тепла для привода искусственного сердца.

Использование в качестве рабочего тела водорода под давлением до 200 кГ/см 2 (вместо воздуха, на котором работали первые ДС) позволило снизить удельную массу последних образцов ДС до 2,6—3,4 кГ/кВт, а отдельных конструкций до 1,2 кГ/кВт.

Эффективный КПД ДС нового поколения фирмы «Механикл-Технолоджи» (США) достигает 43,5% (вместо 32÷35% у лучших образцов автомобильных дизелей). Успехи в области технологии получения жаропрочной керамики позволят в дальнейшем повысить максимальную температуру цикла и создать ДС с КПД до 60%.

В рамках программы экономии энергетических ресурсов в Японии осуществляется шестилетний план разработок ДС. Уже в 1987 г. должны быть разработаны многотопливные двигатели с высокой топливной экономичностью и экологическими характеристиками для различных целей. В некоторых типах разрабатываемых двигателей будет использован природный газ. Недавно в пустыне Мохова в США было успешно испытано гелиооборудование с двигателем Стирлинга, преобразующее солнечную энергию в электрическую. Его общий КПД составил 29 %. Солнечная энергия, концентрируемая при помощи параболического зеркала, приводит в действие установку, работающую по идее Стирлинга.

Основные эксплуатационные показатели — ДВС — КПД, моторесурс и надежность работы — при уменьшении мощности снижаются в значительно большей степени, чем у ДС. Это и неудивительно, так как при малом размере цилиндра ДВС трудно обеспечить полное сгорание рабочей смеси, а вот горелка двигателя Стирлинга и при малой мощности обеспечивает практически полное сгорание топлива.

Как видно из рис. 2. эффективный КПД ДС в широком диапазоне мощностей более чем в два раза превышает КПД бензинового ДВС. В то же время при мощности на валу меньше 1 кВт КПД двигателя Стирлинга превосходит КПД бензинового ДВС в 3—4 раза.

Как показали результаты сравнительных испытаний, проводившихся в США, область экономичных скоростных и нагрузочных характеристик ДС примерно в семь раз шире, чем у современных ДВС. Благодаря этому при работе на частичных нагрузках и неустановившихся режимах (например, при движении автомобиля в городских условиях) ДС обеспечивает экономию до 50 % топлива по сравнению с ДВС, имеющим тот же эффективный КПД в режиме максимальной экономичности Подобный эффект, несомненно, будет наблюдаться для лодочных и судовых двигателей.

Велики потенциальные возможности экономии топлива и смазочных материалов при эксплуатации ДС а будущем. Действительно, если учесть более высокий КПД ДС, в два раза более низкую стоимость топлива (газ) и экономичность при работе на частичных нагрузках, то получается, что для этого типа двигателя расходы на топливо в широком диапазоне мощностей сокращаются примерно в 4—5 раз, а при мощности меньше 1 кВт — в 6 8 раз.

Один из разработанных и изготовленных мною двигателей Стирлинга с воздушным охлаждением мощностью 0,1 кВт показан на рис. 1. Он работает почти бесшумно, токсичность выхлопных газов ниже предела чувствительности прибора «Инфпалит-8». топливом служит сжиженный пропан.

ДС мощностью до 1 кВт должны найти широкое применение на миниавтомобилях, картингах, культиваторах, газонокосилках и сенокосилках, мотоблоках, для привода водяных насосов различного назначения и т. п. Небывалая топливная экономичность была практически подтверждена автором при использовании ДС малой мощности на газонокосилке и для других целей. На сегодняшний день ДС — это, по существу, единственный тепловой двигатель, который может без вреда для здоровья людей использоваться в закрытых помещениях складах, теплицах, туннелях и т. п.

Способность ДС в течение длительного времени работать без обслуживания позволяет эффективно использовать его в качестве источника питания на маяках, радиобуях, автоматических метеостанциях и т. п.

Двигатель для судов

В ДС примерно 50% теплоты, участвующей в цикле, отводится через холодильник (у дизеля 20%), причем для достижения высокого термического КПД двигателя тепло должно отводиться при пониженной температуре (как правило, 60 °С). В обычных условиях это требует применения более мощной системы охлаждения с радиатором, имеющим в 2,5—3 раза большую поверхность, чем у дизеля.

Это существенное затруднение полностью отпадает при использовании ДС на водном транспорте, где охлаждающая среда — забортная вода — в неограниченном количестве. Сравнительно низкая ее температура (4—15° для средних широт) увеличивает разницу температур нагревателя и холодильника, следовательно, при этом КПД двигателя выше. Например, низкооборотные судовые дизели нового поколения мощностью порядка 1000—9000 кВт имеют эффективный КПД до 50%.

Значительно повысить экономичность эксплуатации судов позволит использование ДС, в котором будет сжигаться каменный уголь. Решающим доводом за такое решение является то, что стоимость угля в 6—10 раз ниже стоимости дизельного топлива. Одновременно, благодаря особенностям нового двигателя, повысится надежность силовой установки и готовность судна к эксплуатации, уменьшится объем работ по его техническому обслуживанию. Канадские ученые должным образом оценили эти преимущества и ведут исследования по переделке обычных судовых дизелей мощностью до 1700 кВт в двигатели Стирлинга, работающие на угле. Порошкообразный уголь предполагается подавать в камеру сгорания ДС при помощи форсунок и сжигать в распыленном состоянии

В последнее время к двигателю Стирлинга проявляют интерес даже некоторые фирмы, специализирующиеся на производстве судовых дизелей. Например, японская фирма «Мицубиси» недавно провела успешное испытание судового ДС мощностью 66 кВт. В период с 1980 по 1983 гг. в Шанхайском НИИ судовых дизелей был разработан двухцилиндровый ДС мощностью 7,5 кВт.

Большой интерес представляет возможность использования для судовых ДС тепловых аккумуляторов вместо топлива. Запас тепловой энергии в расплавах некоторых солей, например, фтористого лития, составляет примерно 0,5 кВт ч/л (500 кВт ч/м 3 ) Таким образом, энергоемкость тепловых аккумуляторов соизмерима с калорийностью обычных топлив и вполне достаточна для многих судов, совершающих не слишком длительные рейсы. В Николаевском кораблестроительном институте разработан проект судовой энергетической установки мощностью 100 кВт с тепловым аккумулятором, материалом для которого служит обыкновенный графит.

Зарядку тепловых аккумуляторов для судов можно производить при помощи сжигания угля, используя излишки электроэнергии в ночное время, а также от расположенных в портах высокотемпературных ядерных реакторов.

Двигатель Стирлинга весьма эффективен для установки на небольшие суда. Так фирма «Юнайтед Стирлинг» установила одноцилиндровый ДС мощностью 10 л. с. на серийно выпускаемом катере типа «Альбин» длиной 10 м, обеспечив скорость катера 7 уз. Двигатель был установлен в корме и снабжен реверс-редуктором. Уровень шума, который был измерен на расстоянии 1 м от двигателя, работающего на полной нагрузке без какого-либо глушителя, составлял всего 68 дБ, что на 20 дБ меньше, чем у ДВС.

Аналогичные испытания проведены на катере «Стирлинг Силенса» датской постройки. Катер развил скорость 13 уз, работа двигателя оказалась надежной, вибрации не ощущались. Можно полагать, что при серийном выпуске ДС вытеснят ДВС на малых судах.

Одно из специфических качеств двигателя Стирлинга — способность работать с тепловым аккумулятором без атмосферного воздуха может быть успешно реализовано на подводных аппаратах. Полное отсутствие загрязнения водной среды, возможность многократного и быстрого разогрева материала теплоаккумулятора на судне обеспечения позволяют эффективно использовать такой аппарат при любых видах подводных исследований и работ.

Энергозапас силовой установки с ДС и тепловым аккумулятором (с расплавом фтористого лития) в 8—10 раз больше, чем у обычной системы со свинцовокислотными аккумуляторами и электродвигателем постоянного тока.

Двигатель Стирлинга, в отличие от электро двигателя, даже при самом высоком КПД выделяет в окружающую среду много тепла. Поэтому подводный буксировщик с ДС легко приспособить для одновременного обогрева водолаза.

Согласно полученным автором экспериментальным данным, стандартного пятилитрового баллона с пропаном хватает для непрерывной работы самодельного ДС мощностью 0,1 кВт в течение 40 часов. Такой лодочный мотор удобен и надежен в эксплуатации, исключает загрязнение водоемов.

Итак, есть все технико-экономические предпосылки для того, чтобы двигатели Стирлинга мощностью до 1 кВт нашли применение на подводных буксировщиках и в качестве массового лодочного мотора. Дело в том, что при серийном производстве стоимость таких двигателей упрощенной конструкции, по моим предварительным расчетам, уже в настоящее время не может превышать стоимости обычных подвесных лодочных моторов с ДВС.

Примечания

1. Изменение состояния рабочего тела протекающее при постоянной температуре, называется изотермическим процессом.

2. Изменение состояния рабочего тела, протекающее без участия внешней теплоты, называется адиабатным процессом.

3. Изменение состояния рабочего тела, протекающее при постоянном объеме, называется изохорным процессом (см также журнал «Техника-молодежи» № 10 за 1979 г.).

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

19 ноября, Вторник, 2019

Существуют ли альтернативы современным автомобильным двигателям и почему они не в ходу, давайте размебёмся, рассмотрим плюсы и минусы, один из таких двигателей – это двигатель Стирлинга. Основными преимуществами двигателя Стирлинга по сравнению с двигателем Отто, дизельным двигателем или паровым двигателем являются:

1. Простота технического обслуживания;
2. Они тише привычных нам двигателей внутренного сгорания;
3. Двигатели Стирлинга обеспечивают лучшую производительность, чем альтернативные двигатели внутреннего сгорания;
4. Большая универсальность топлива.

Простота обслуживания. Двигатель Стирлинга является двигателем внешнего сгорания, это означает, что тепло передается рабочей жидкости через теплообменник; отсутствие прямого контакта между горючей газовой смесью и всеми движущимися механическими частями снижает износ, необходимость смазки и последующего технического обслуживания двигателя Стирлинга.

Меньший шум. Двигатель Стирлинга также не имеет клапанов или взрывов, поэтому он конструктивно проще. Генерируемые вибрации легче контролировать и гораздо менее шумные, чем двигатель внутреннего сгорания.

Лучшая производительность двигатель Стирлинга является единственным, способным приблизиться к теоретической максимальной производительности, известной как производительность Карно, на самом деле, он теоретически достигает ее, поэтому, насколько это касается производительности теплового двигателя, это лучший вариант.

Двигатель Стирлинга обеспечивает хорошую реакцию на низкие температуры. Этот альтернативный двигатель лучше работает с холодными температурами окружающей среды, в отличие от внутреннего сгорания, которые легко запускаются при теплой температуре, но с проблемами в холодных температурах.

Универсальность топлива. Двигатель Стирлинга может работать с любым источником тепла, например, сжигая древесину, уголь, газ, биогаз, жидкое топливо и даже солнечную энергию, ядерную энергию: есть примеры, которые используют некоторые из упомянутых источников. В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания ограничены использованием бензина в двигателе Оtto или дизельного топлива в дизельном двигателе.

Основными недостатками двигателя Стирлинга по сравнению с альтернативным двигателем внутреннего сгорания являются следующие:
1. Больший объем и больший вес
2. Более высокая экономическая стоимость двигателя
3. Двигатель Стирлинга имеет более медленный старт
4. Более опасный

Более объемные и тяжелые. Внешнее сгорание, которое требует теплообменник как в горячих, так и в холодных точках, делает двигатель Стирлинга обычно более громоздким и тяжелым, чем обычный двигатель внутреннего сгорания с той же выходной мощностью.

Высокая стоимость. Двигатели Стирлинга требуют впускных и выпускных теплообменников, которые содержат высокотемпературную рабочую жидкость и должны выдерживать коррозионное воздействие источника тепла и атмосферы. Это предполагает использование материалов, которые значительно улучшают работу машины.

Медленный старт. Присущая двигателю внешнего сгорания тепловая инерция замедляет его запуск. По этой причине двигатель Стирлинга не подходит для автомобилей, узлов и агрегатов, требующих быстрого запуска или быстрого изменения скорости.

Более опасный. Смесь воздуха и смазочных горючих жидкостей внутри двигателя может производить взрывоопасные смеси из-за кислорода, содержащегося в воздухе, опасность, которая усиливается в двигателях высокого давления. Задача решалась с использованием восстановительных (водород) или нейтральных (гелий, азот) рабочих газов или без использования обычных смазочных материалов.

Миниатюрная модель авто на базе двигателя Стирлинга

R93 — Автопортал Краснодарского края: Автообзоры

Что внутри у двигателя стирлинга

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА С ЖИДКИМИ ПОРШНЯМИ

Клуб «Крылатское», школа «Интеллектуал»:
Илья Зайцев, Александр Раговский, Дмитрий Власенко
Руководитель: Александр Владимирович Ефимов, ЦИАМ

Эксперименты с двигателем Стирлинга проводятся в Крылатском и школе «Интеллектуал» уже второй год. Нас заинтересовала возможность изготовления и проведения эксперимента с измерением параметров цикла в условиях школьной или клубной мастерской. Первоначально задумывалось изготовление классического «стирлинга». Была проработана соответствующая литература. Из наборов конструктора сделаны кинематические схемы.

Как известно классический двигатель Стирлинга представляет собой тепловую машину, работающую по одноименному циклу. В состав двигателя входят: рабочий цилиндр с поршнем, под которым газ совершает работу, и вытеснитель, перемещающийся между холодной и горячей частью другого цилиндра, причем полости цилиндра с вытеснителем соединены между собой. Каким образом подводится и отводится тепло — не имеет значения. Обычно для нагревания горячей части используется постоянный внешний источник.

инхронность перемещения вытеснителя и поршня обеспечивается той самой кинематической схемой, с которой мы и начали. Конструктивно двигатель уступает любому ДВС и по уровню давления, и по температуре рабочего тела. Единственный достаточно сложным в изготовлении узлом является пара «рабочий поршень — цилиндр». Мы предварительно проработали конструкцию и стали изыскивать возможность изготовления деталей. К сожалению, в условиях школы точеные детали сделать не удалось. Все остальное при некотором напряжении мыслительных способностей и рук вроде бы сделать было можно.

И тут мы натолкнулись на некий двигатель, пройти мимо которого было просто невозможно — двигатель Стирлинга с жидкими поршнями (см. описание в журнале «Двигатель» № 6 за 2005 г.). Классический «стирлинг» мы тоже не забыли, просто вариант с жидкими поршнями заработал первым. Главной особенностью подобного двигателя, названного в журнальной статье «стеклянным», является отсутствие механических частей и какой бы то ни было кинематической связи между элементами.

Каким же образом организуется цикл в этом случае? По утверждению авторов статьи, основными связующими элементами являются сила тяжести и инерция жидкости. Для изготовления модели двигателя нужны были две U-образные трубки, в одной из которых располагается нагреватель и холодильник, а роль вытеснителя играет жидкость. В соседней U-образной трубке также налита вода, которая является рабочим поршнем. В трубке-вытеснителе одна сторона нагревается, другая охлаждается. При правильном подборе сопротивлений трубопровода должен начаться циклический процесс изменения давления и температуры. Главное — не требовалось никакой точной подгонки пары «цилиндр — поршень». И мы попробовали.

Наша модель двигателя Стирлинга состоит из трех одинаковых кювет, выполненных из оргстекла. Размеры их следующие: высота 257 мм, ширина 48 мм и глубина 40 мм. Соответственно, объем внутренней полости составляет 493,44 см3. Все кюветы расположены вертикально. Две кюветы соединены снизу трубкой большего диаметра и сверху трубкой меньшего диаметра. В левой кювете расположен нагреватель, в правой — холодильник. Нагреватель представляет собой нихромовую спираль. Подводимое напряжение — 10 В при токе около 5 А. В качестве источника холода использовался лед. Обе кюветы залиты до половины водой, так что суммарный объем свободного пространства равен объему одной кюветы. Нагреватель расположен на уровне линии раздела жидкости и газа; он слегка утоплен в жидкости. Третья кювета разделена непроницаемой перегородкой на две части, соединяющиеся отверстием у дна. Данная кювета также залита до середины водой. Свободный объем составляет половину объема кюветы.

Для выполнения исследований установка снабжена измерительной системой, включающей датчик давления, термометр и устройство сбора и обработки информации на основе персонального компьютера «Palm» в составе школьной лаборатории «Архимед».
Процесс доводки двигателя и приведения его в рабочее состояние оказался длительным. При кажущейся простоте конструкции заставить ее осуществить цикл Стирлинга оказалось непросто. Мы опустим подробности решения проблем с обеспечением герметичности кювет и работоспособности нагревателя. Дело даже не в этом.

Первоначальные попытки запустить двигатель приводили к тому, что в горячем цилиндре температура монотонно поднималась, вслед за температурой также монотонно увеличивалось давление, а уровень жидкости в вытеснителе, в отличие от уровня жидкости в рабочем поршне, не менялся. Слишком мала была скорость изменения давления. Если полностью перекрыть связь цилиндров по газу, то изменения уровня происходили, но стоило дать хоть маленькую возможность газу перетекать из горячего цилиндра в холодный, как уровни сравнивались. Процесс не «запускался».

Мы пытались даже имитировать работу «стирлинга», наклоняя его, и в этом случае «процесс завязывался», точнее — совершался один цикл. Удача пришла после того как нам удалось достать новый, более мощный лабораторный трансформатор и сделать новый нагреватель. Идея состояла в том, чтобы разместить нагреватель большей частью в жидкости и довести ее до кипения. Это мероприятие дало хороший результат — двигатель заработал!

Возможно, что-то похожее на циклические изменения давления и температуры было и раньше, только были они малозаметны. Какие-то периодические колебания уровня жидкости с амплитудой 2. 3 мм мы, кажется, наблюдали, но может быть нам и показалось. После замены нагревателя колебания уровня достигли 250 мм; даже струйка воды фонтанировала из рабочего цилиндра. Интересно было наблюдать процесс запуска и звуки при работе двигателя. В момент запуска после выдавливания жидкости в холодный цилиндр раздался звук «упх», жидкость довольно быстро перетекла в горячий цилиндр и залила нагреватель. Температура в горячем цилиндре быстро упала, но затем жидкость стала нагреваться. Потом она перетекла в холодный цилиндр, вновь раздалось «упх», видимо, в момент быстрой конденсации насыщенного пара в объеме холодного цилиндра, и снова жидкость быстро перетекла в полость горячего цилиндра. Было интересно наблюдать фонтанирующую жидкость из дренажного отверстия рабочего цилиндра. Пришлось принимать меры для защиты проводников нагревателя. Кстати, лишняя вода из цилиндров вытеснителя также выдавливалась в полость рабочего цилиндра и далее фонтаном выливалась наружу. Достаточно было поставить клапан, и можно было перекачивать воду.
Следующим этапом работы стал тщательный подбор величин сопротивления для получения постоянного периода цикла. Это удалось сделать, изменяя проходное сечение воздушных каналов.

После этого двигатель устойчиво проработал в течении 200 с (полупериод цикла — 25 с) и был выключен из-за появления течи в верхней части горячего поршня. Двигатель запускался с некоторой задержкой: сначала шел разогрев горячей полости, затем — первый толчок с большим периодом цикла и затем двигатель переходил в режим нормальной работы. Запуск повторялся по крайне мере еще дважды с тем же результатом.

При работе температура в горячем цилиндре поддерживалась на уровне около 80 °С. В холодном цилиндре температура не измерялась. Количество жидкости, особенно в рабочем цилиндре после окончания работы, оставалось таким, что кюветы оказываются наполненными наполовину, лишняя жидкость выдавливается во время эксперимента. Коэффициент полезного действия нашей установки мы пока не определяли, но обязательно это сделаем.

В интернет-магазинах предлагают наборы для самостоятельной сборки двигателя Стирлинга, работающего от тепла руки. У нас уже существует некоторое представление о том, как этого добиться. Мы попробуем осуществить задуманное, а о результатах расскажем в следующей статье.

В создании описанной конструкции двигателя Стирлинга с жидкими поршнями приняли участие школьники клуба «Крылатское» и школы «Интеллектуал», при этом активную помощь оказывали сотрудники ЦИАМ им. П.И. Баранова.

Что внутри у двигателя стирлинга

• 
• 

Двигатель Стирлинга или машина-оборотень

Изобретение, о котором пойдет рассказ, родилось сто пятьдесят лет назад. Его отец — шотландский священник Роберт Стирлинг — присвоил своему детищу имя «Воздушный Тепловой Двигатель». Ребенок оказался неуклюжим, капризным и маломощном. Он не смог соперничать с всесильной в те годы паровой машиной. Его забыли.

Вторично двигатель Стирлинга родился накануне второй мировой войны. Голландская радиофирма искала удобные источники электроэнергии для радиоаппаратуры, поставляемой в отдаленные уголки земного шара. Приспособить бензиновые движки? Значит, везти за тридевять земель бензин. Снабжать радиоаппаратуру сухими батареями? Громоздкие, тяжелые батареи — тоже не выход из положения.

Вспомнили про двигатель Стирлинга. Но ведь в свое время из двигателя «выжимали» всего лишь три процента полезного действия. Опытные инженеры все же сели за расчеты. Шотландский священник не знал термодинамики, такая наука в его время еще не существовала. Теперь теоретически получили поразительный результат. «Стирлинг» (так назвали вторично рождаемый двигатель по аналогии с «дизелем») может иметь кпд 70% ! Неслыханно! Сенсационно!

Началась война. Тайком от немцев голландцы построили первые стирлинги с кпд 40%. Как видите, это не был семидесяти процентный теоретический потолок. Но вспомним, что лучшие образцы газовых турбин имеют кпд около 25%, авиационные бензиновые моторы, в которых конструкторские хитрости использованы до предела, могут похвастаться своим кпд в пределах 30%.

А уже после войны, в 50-е годы, специалистов, работающих над проблемами сжижения газов, взбудоражило известие о том, что в Голландии создана очень простая, умещающаяся на письменном столе машина, сжижающая пять литров воздуха в час. Многие не поверили. Ведь сжижение газов происходит в сложных громоздких установках, состоящих из компрессоров, детандеров, теплообменников Но сообщение оказалось верным. Высокоэкономичная «газовая холодильная машина» существовала и работала .. по такому же циклу, как и двигатель Стирлинга. Точнее, то был просто стирлинг, работающий «наоборот». Не он приводил в действие какой-либо механизм, а, наоборот, электродвигатель раскручивал его. При этом головка двигателя (та его часть, которую при обычной работе стирлинг; нагревают) охлаждалась до —190 0 С. И опять теоретики пришли к инженерам с удивительными выкладками: для сжижения воздуха, азота и водорода нет машины более эффективной, чем стирлинг-холодильник. Причем стирлинг в новой роли позволяет получать любую температуру в пределах от 0 до —200 0 С. Такими достоинствами другие установки для получения низких температур не обладают.

Наши предки знали, что стирлинг— это машина-оборотень, умеющая работать и как двигатель и как холодильник. Еще в 1862 году построили такую газовую холодильную машину. Построили. и забросили. Слишком несовершенной она тогда оказалась.

Но вернемся к стирлингу-двигателю. Чем отличается он от двигателей внутреннего сгорания? Тем, что внутри цилиндра стирлинга ничего не взрывается, ничего не горит, не воспламеняется. Тепло к цилиндру подводится снаружи. Это «двигатель внешнего сгорания». Или еще точнее — внешнего нагревания. Головку двигателя можно нагревать солнечными лучами, атомным реактором или. дровами. Один и тот же мотор будет работать на любом виде топлива — от твердого до газообразного. Если двигатель внутреннего сгорания нуждается а специально подготовленном, очищенном, отфильтрованном топливе, то стирлинг довольствуется соломой, углем, древесными отходами, любым топливом, какое только подвернется под руку. А маленькая моделька стирлинга работает от тепла ладони.

Подробно цикл работы стирлинга показан на рисунке ниже.

Так работал первый стирлинг.

Сейчас на атомных кораблях энергия атома проходит длинную цепь превращений: реактор греет теплоноситель, теплоноситель — воду, вода превращается в пар, пар вращает генератор, ток от генератора приводит в действие электродвигатель, тот вращает винт. А стирлинг можно просто прислонить головкой к горячей стенке атомного реактора, и он непосредственно будет вращать винт. Хочешь — плыви на поверхности, хочешь — под водой: Стирлингу не надо воздуха, у него нет отравляющих атмосферу выхлопных газов. Еще одно достоинство такой установки — очень просто перейти с ядерного горючего на обычное топливо. Пришел корабль в порт — реактор выключают, двигатель продолжает трудиться на жидком топливе. Моряки считают, что стирлииги постепенно «завоюют» флот.

Теперь вспомним, что есть вещества, поглощающие при плавлении очень много тепла. Например, фтористый литий, гидрид лития, окись алюминия. Семь литров расплавленной окиси алюминия, только застывая, отдают столько тепла, сколько получается при сжигании литра бензина. Значит, вместо бака с горючим можно приспособить к Стирлингу ящик с расплавленным веществом — тепловой аккумулятор. Действительно, уже работает грузовой мотороллер мощностью в 3 л. с. В его аккумулятор заливают ведро расплавленного фтористого лития. Стирлинговые мотороллеры, не знающие электрических искр и раскаленных выхлопных газов, станут незаменимыми для цехов со взрывоопасной атмосферой и в шахтах.

Стирлинги с тепловым аккумулятором из гидрида лития уже побывали на искусственном спутнике Земли. Когда спутник летит над освещенной Солнцем стороной Земли, работают солнечные батареи, а гидрид лития под жаркими лучами плавится, накапливая тепло. Когда спутник попадает в тень Земли, заступает на вахту стирлинг. Сменяя солнечные батареи, он начинает работать за счет тепла гидрида лития и снабжает током аппаратуру спутника.

Учитывая житейскую мудрость: «все на свете относительно», можно заставить стирлинг работать в космосе, «нагревая» его головку только до 0° С. Ведь для двигателя важна разница, перепад температур, а в космосе температура окружающего пространства значительно ниже нуля.

И еще одно достоинство Стирлингов: подогрев рабочего газа внутри цилиндра идет у них постепенно, а не взрывоподобно, как у двигателей внутреннего сгорания. Поэтому работает он плавно и почти бесшумно. А работа без вибрации и толчков — залог невероятной долговечности.

Плохо, когда слишком нервный или просто несдержанный человек «заводится с полуоборота». Но для двигателей такой «характер» — недостижимый идеал. Все знают, как мучаются зимой шоферы, пытаясь заставить биться сердца своих машин. А стирлинг в любую погоду запускается мгновенно, стоит только чуть подогреть его головку.

Конечно, есть у нового двигателя и недостатки. Больное его место — отвод тепла в окружающее пространство. Он требует радиатора-охладителя в 2,5 раза большего, чем обычный двигатель внутреннего сгорания. Некоторых инженеров пугает мудреный вид кривошипного механизма. Но. и на Солнце есть пятна!

1 — головка; 2 поршень-вытеснитель; 3 — регенератор; 4 — холодильник-радиатор; 5 — главный поршень; 6 — буферная емкость; 7 — кривошипный механизм.

I. СЖАТИЕ: главный поршень движется вверх. На этот ход его вынуждает газ, сжатый в буферной емкости. Двигаясь, главный поршень уменьшает внутренний объем машины и таким образом сжимает газ.

II. ПЕРЕТАЛКИВАНИЕ И НАГРЕВАНИЕ: поршень-вытеснитель опускается вниз и передавливает газ из камеры сжатия в камеру расширения. Газ нагревается в регенераторе, а затем в головке.

III. РАБОЧИЙ ХОД. Нагретый газ, расширяясь, устремляется в камеру сжатия, где, раздвигая поршни, совершает механическую работу. Часть тепловой энергии остается в регенераторе, другая часть отдается газу в буферной емкости. При расширении в камере сжатия газ интенсивно охлаждается холодильником.

Сейчас человечество впервые всерьез заговорило о прогулках по Луне, Марсу и Венере. На листах ватмана стали появляться причудливые контуры вездеходов и танкеток, «шароциклов» и машин с квадратными колесами или паучьими ногами. Для инопланетного транспорта не подходят завоевавшие Землю двигатели внутреннего сгорания и турбины: им нужно слишком много воздуха, а электродвигатели требуют тяжелых аккумуляторов. Вероятно, именно стирлинг станет сердцем инопланетных вездеходов.

Пройдет немного времени, и жители больших городов забудут о ядовитом тумане выхлопных газов, исчезнет мешающее отдыхать и спать тяжелое урчание грузовиков и автобусов, а космонавты будут кататься по Луне на космопедах с двигателем-оборотнем.