Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Сейчас начали вспоминать двигатель Стирлинга. Дескать у него и экономичность и экологичность, да и вообще — название красивое.
Давайте, что ли, и мы вспомним, чтобы расставить хотя бы часть точек над «i»…

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом.
Главная цель изобретения — удалить несовершенные машины с угольных шахт, где они откачивали воду. Классические машины требуют парового котла, который по тем временам часто взрывался и Стирлинг поставил задачу — изобрести машину без высокого давления. Ему это удалось.

Beta_Stirling

Рассмотрим классический стирлинг бета-типа, он самый простой.
На схеме красным обозначена часть, которая нагревается от внешнего источника (приятно, что любого), синим цветом — часть, охлаждаемая воздухом, радиатор.

Любой стирлинг работает именно на этой разнице температур.
В нижней части под нижним поршнем воздух нагревается и от этого расширяется — и толкает поршень вверх.
В процессе подъема воздух просачивается между поршнем и стенками в верхнюю полость, где радиатор его охлаждает. При этом воздух сверху сжимается из-за охлаждения и опять идет вниз, чтобы начать новый такт.

Двигатель стирлинга работает именно на том, что воздух в одном месте конструкции разогревается и расширяется, а в другом охлаждается и сжимается. Естественно, вариаций такой схемы — вагон и маленькая тележка.
Рабочее тело — воздух в цилиндрах и это рабочее тело не расходуется. Стирлинг не впускает ничего снаружи и ничего в атмосферу не выпускает. А так, как внутри цилиндров не происходит вспышки или детонации, а давление слабое — то работает он почти бесшумно (IMHO, это основное преимущество стирлинга). А бесшумность и низкие обороты дают фантастическую долговечность. Ну прямо одни плюсы в конструкции! Ну что ж, идем дальше.


Rhombic_anim_jeff

Мы показали самый простой стирлинг, без регенератора и со щелями вокруг поршня, нам он вряд ли пригоден. У него совсем низкая мощность и не ахти какое КПД.
Давайте посмотрим на стирлинг с регенератором. Регенератор — это на картинке такая штуковина слева, через которую идет газ.
По теории регенератор — это полость, заполненная каким-либо «пористым материалом». На практике там внутри могут быть просто металлические ребра или даже проволока, свернутая в катушку. Регенератор не должен слишком хорошо проводить тепло. Он должен остужать горячий газ, когда он проходит через него и нагревать холодный газ, когда тот возвращается через регенератор.
Без него не будет ни мощности, ни КПД. И его расчет — это первый квест, который достанется попаданцу. То есть расчета и не будет (потому что попаданец не сможет получить входные данные), будет многомесячный подбор количества витков или ребер.

Но это только цветочки. За ними идут ягодки.
Дело в том, что машина Стирлинга подозрительно напоминает машину Ньюкомба с орошением холодной водой цилиндра. Отличия есть — во времена Стирлинга смогли сделать такие точные детали, как поршень с цилиндром, ну то есть чтобы в щель между ними палец не пролазил. Поэтому если вы решили построить двигатель стирлинга до классического паровика — будьте готовы решать проблемы, описанные в статье . Но помните — та точность подгонки деталей, которая годилась для паровика, не годится для стирлинга. Потому что кривой паровик все равно выпустит пар и пойдет за следующей порцией, а стирлинг ничего в атмосферу выпускать не должен.

Однако, именно на поле точности у попаданца есть шансы построить стирлинг.
Дело в том, что поршни первых паровиков были очень большого диаметра, около метра. Со стирлингом такая штука не получится и цилиндр стирлинга будет куда меньшего диаметра и, соответственно, точность обеспечить много-много проще.

Почему же цилиндр поршня будет меньше?
А потому, что теплопередача стирлинга идет через стенки цилиндра. И нагревают именно стенки, ожидая, что тепло передастся газу.
Однако, так получилось, что наш мир трехмерен, и если мы возьмем емкость и линейно увеличим ее размеры, то ее объем вырастет в третьей степени, а ее поверхность — только во второй. То есть при увеличении размеров объем растет гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Именно поэтому ванна остывает куда медленнее, чем чайник. В случае со стирлингом это ведет к тому, что газ внутри цилиндра начинает прогреваться куда медленнее и количество оборотов падает катастрофически. При этом введение всяких ребер не даст нужного эффекта, потому что в системе образуется газ, собранный в «складках местности», который не участвует в работе.

Ну хорошо, будем строить небольшой стирлинг. А почему, собственно, первые паровики строили такими большими? Зачем требовался цилиндр в 70 см диаметра? Тут вопрос с том, что давление в котле первых паровых машин было очень мало и чтобы обеспечить мощность, приходилось делать поршни большой площади. Понятно, что такой путь для стирлинга закрыт.

Конечно, есть второй путь — повышение давления. Именно по этому пути пошло развитие паровых машин.
Как на эту тему в стирлинге? Да так же, как со всем остальным. Повышение давления требует повышения температуры. А резкое повышение температуры требует использование специальных жаропрочных сталей, с которыми сейчас экспериментируют. Ведь теплопередача идет через металл и наружную сторону приходится раскалять до белого каления. Но были ли доступны такие стали во времена до технологической революции? Ответ найдете сами.
Я не говорю, что со стирлинга нельзя снять неплохую мощность, сейчас это удалось. При использовании водорода, электрического нагрева и давления 200 атмосфер. Проще сразу реактивный двигатель строить.

Итак, с мощностью у стирлинга не вышло. А как с другими параметрами?
Давайте посмотрим на количество оборотов за минуту. Вы у какого-нибудь стирлинга видели регулятор оборотов? Нет?
А потому, что он не нужен. Стирлинг нельзя раскочегарить до сотен оборотов в минуту (я не беру водородный высокого давления), более того — у стирлинга вообще очень узкий диапазон оборотов, заданных конструкцией. Быстрее крутится он не будет — теплопередача в металле тормозит, а меньше оборотов можно добиться только уменьшением нагрева — то есть уменьшением давления в цилиндре — то есть уменьшением мощности — вплоть до полной остановки. Это я к тому, что если вы решили поставить стирлинг на авто, то потребуется коробка передач и сцепление. Конечно, при той копеечной мощности можно замутить вариатор, как на скутерах.. В 18 веке, ага.
Сейчас количество оборотов регулируется введением дополнительной буферной емкости для газа, но представьте «простоту» этой конструкции! Ведь вся проблема не сделать саму емкость и даже не вентиль к ней. Она должна подключаться и отключаться в определенном такта работы, то есть вентиль должен быть механически связан с маховиком.

И одна из главных проблем стирлинга — обороты будут низкими. И что мы будем делать с низкими оборотами?
Можно поставить повышающий редуктор. Мы не будем вспоминать о сложность этой задачи до эпохи паровых машин.
Вопрос в другом — такой редуктор заметно снижает крутящий момент, поэтому если вы хотите сделать что-то типа гоночного автомобиля, то он не разгонится, воздух помешает.

Итак, куда можно поставить стирлинг?

На паровоз? Не хватит крутящего момента сдвинуть с места состав. А если и построить легкую мотодрезину, то как регулировать ее скорость? Втыкать буферную газовую емкость? А место на дрезине будет? Стирлинг вообще отличается удивительно большой материалоемкостью даже среди двигателей внешнего сгорания, а тут еще и дополнительные устройства.

На автомобиль? А попаданец сможет построить вариатор до появления резьбового соединения и соответствующих токарных станков? Я очень хочу увидеть этот девайс!

На пароход? Кому нужен винт, что будет вращаться с мощностью в три лошадиные силы и скоростью меньше ста оборотов в минуту? Конечно, эти обороты — как раз обороты вращения гребного колеса, но гребное колесо — это рычаг, и чтобы его провернуть требуется немалый крутящий момент, даже поболее чем у винта. Конечно, можно построить гребное колесо сантиметров 60 в диаметре, но опять-таки очень хочу это увидеть!

На водяной насос? Да! Это его место! Там не надо ни высокой мощности, ни больших оборотов. Более того — необходимо очень долго держать постоянные обороты, а стирлинг в разнос не пойдет никогда. Самое оно!
И напомню — насосы нужны не только на шахтах. Насос, к примеру, работает в классическом холодильнике..

На электростанцию? Можно попробовать. С одной стороны — постоянные обороты. Если правильно подойти, то можно построить линейный генератор, который будет выдавать переменный ток заданной частоты. Стирлинг умеет держать обороты! Но с другой стороны — малая мощность. То есть если вам нужно электричество питать электролампочку и рентгеновский аппарат, ну и плюс зарядить мобилку — годится. А если требуется получать карбид кальция или алюминий — забудьте.

Крутить токарный станок? Да, годится. Только надо не забывать на каждый станок поставить свой стирлинг, ну и без редукторов тут не обойтись. Но если станок получился — на нем можно делать требуемые детали и повышать эффективность.

stirl

КПД стирлинга получается порядка 15-18%. Он не настолько высок, как следовало бы ожидать из-за того, что теплопередача идет черех стенку.
Как для паровика, это много.
Однако, использовать его можно только там, где нужно маломощный двигатель (маломощный, но не малоразмерный!). То есть там, где бы сейчас поставили электродвигатель.

В двигателе Стирлинга много подводных камней. Вот как выглядит реализация кинематической схемы, показанной выше.
И это — самая эффективная схема. Я сомневаюсь, что попаданец будет возиться с двумя валами, скорее всего обойдется классическим кривошипом и маховиком. Соосность будет хуже и достаточно быстро стирлинг начнет выпускать воздух, но разве это кого-то остановит?

Остальные схемы я приводить не буду — они сложнее. Хотя если вся технологическая база уже работает (читай «паровые машины в расцвете»), то и другие модели можно построить, стирлинги реально проще паровиков. И много безопасней. И поэтому дешевле. Вот только паровик стирлингу не заменить…

Июнь 24th, 2013 | Автор: | Метки: | Категории:


Источник: http://www.popadancev.net/dvigatel-stirlinga/


Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга

Самый простой двигатель стирлинга