Двигатель Стирлинга

Актуальность моего проекта
Актуальность проекта заключается в том, что все знают о распространенных двигателях внутреннего сгорания, и о паровых турбинах. Но многие интересные экземпляры двигателей, как двигатель Стирлинга, остаются в стороне. Я хочу рассказать об этом двигателе, и продемонстрировать его работу на практике.

Цель
Узнать. Что такое двигатель Стирлинга, собрать рабочую модель, и продемонстрировать принцип его работы
Задачи:
1: создать двигатель стирлинга и презентацию
2:рассказать об этом двигателе зрителям

Что такое двигатель Стирлинга, и как он работает.
Это разновидность двигателя внешнего сгорания в котором рабочее тело в виде газа или жидкости движется в замкнутом объёме, Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела. Объясню цикл его работы на примере схемы :

Цикл работы
1:Тепло, выделяющееся при сгорании топлива, нагревает рабочую зону двигателя. Попутно нагревается и рабочее тело снизу – увеличивается давление, и герметизирующий поршень (верхний) начинает выталкиваться вверх. Во время своего движения, он почти одновременно совершает 2 действия:
2: поднимаясь вверх, открывает холодный радиатор

Цикл работы
3: Пассивным действием, прокручивая маховик ( или коленвал) опускает вниз не герметизирующий выдавливающий цилиндр. Он, в свою очередь, занимает почти весь объем цилиндра снизу, выдавливая горячее рабочее тело наверх – к открытому холодному радиатору.
4: Из за этого рабочее тело охлаждается, создается пониженное давление, и герметизирующий поршень опускается вниз, также заставляя подняться выталкивающий поршень. Вследствие этого радиатор закрывается, и холодный воздух опускается вниз, где снова нагревается, и цикл продолжается.

История создания
двигатель придумал– Роберт Стирлинг ещё в начале 19 века. Причина – ненадежность старых паровых двигателей. Из-за примитивных технологий паровые котлы тех лет часто взрывались, не выдерживая давления пара. Такие взрывы как правило уносили жизни рабочих на шахтах. Стирлинг хотел создать более безопасный двигатель, в котором не будет таких давлений.

История создания
И ему это удалось – из за того, что это двигатель внешнего сгорания, давление при сгорании топлива будет куда ниже, так как оно не будет сгорать в полностью закрытой камере, а рабочее тело внутри самого цилиндра разогреть до такого давления будет сложно.

Типы двигателей Стирлинга
Начнем с того, что существуют 2 основные конструкции этого двигателя, принцип работы у них одинаковый – разница температур между рабочим телом и радиатором, а реализация этого принципа – их главное отличие.

1-ый тип: α-Стирлинг
Содержит два раздельных поршня в раздельных цилиндрах, один — горячий, другой —холодный.
У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико.

Цикл работы:
1: нагрев рабочего тела в горячем цилиндре и последующий рост давления из за расширения тела .
2: следующее за увеличением давления выталкивание горячего поршня.
3: поршень проворачивает маховик и тем самым двигает назад холодный поршень, образуя в холодном цилиндре пониженное давление

Цикл работы
4:из за пониженного давления рабочее тело начинает переходить в холодный поршень, где охлаждается и сжимается, из за чего для заполнения холодного цилиндра, требуется больше рабочего тела, чем для горячего.
5. из-за инерций маховика горячий поршень двигается вперед, окончательно выдавливая остатки рабочего тела в холодный цилиндр, где оно остывает.
6: по инерции маховика горячий поршень идет назад, и засасывает холодный воздух, одновременно холодный поршень идет вперед, двигатель в исходном положений, цикл начинается снова.

2-ой тип: β-Стирлинг
Цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень и вытеснитель, разделяющий горячую и холодную полости. Цикл работы данного типа я объяснял выше.

Преимущества двигателя
1: Двигатель «всеяден»: для работы ему достаточен нагрев рабочей зоны любым способом, чтобы создалась разница температур между рабочим телом и радиатором – ему этого будет достаточно.
2:Из за простоты конструкции, и того. Что это двигатель внешнего сгорания, в нем нечему испытывать сильные нагрузки, следствием чего стала высокая надежность и долговечность этого двигателя.
3:Из за принципа работы, стирлинги способны работать при небольшом перепаде температур (хоть и очень слабо), что позволяет использовать их как эффективных утилизаторов тепловой энергии.

Мой двигатель
Мой двигатель – это α-Стирлинг так как у него 2 поршня и 2 цилиндра. Сделан он из подручных материалов, и создать такой можно у себя дома без проблем.
Скажу сразу что конструкция не моей разработки: я создавал по готовому проекту. Ссылка на него будет в источниках.

Мой двигатель
Двигатель должен работать от свечи, а в качестве радиатора выступает обычная вода. Он может крутить вентилятор, но в основном - это демонстрационный макет, созданный чтобы наглядно показать возможность работы данного типа двигателей.

недостатки
1: Так как рабочее тело и топливо – это разные вещи, и рабочее тело никуда не уходит из двигателя, унося с собой часть тепла, то нужны мощные радиаторы для охлаждения, а они занимают много места – громоздкость конструкции.
2: Маленькая мощность, по отношению к ДВС. Вдобавок, соотношение мощность/размер у Стирлинга также будет ниже, чем у ДВС. Решение проблемы есть, но заключается оно в использований высоких давлений (свыше 100 атмосфер) и особых видов рабочего тела (например, водород, или гелий)

недостатки
3: Тепло подводится не к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно откликается на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

Применения двигателя в настоящем
1: Универсальные источники электроэнергии: двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любой теплоты. NASA рассматривает варианты генераторов на основе Стирлинга, работающие от ядерных и радиоизотопных источников тепла. Стирлинг с радиоизотопным источником энергии ( проект Advanced Stirling Radioisotope Generator - ASRG), будет использован в планируемой NASA космической экспедиции — Titan Saturn System Mission.

Применения двигателя в настоящем
2: военно –морские специалисты пришли к выводам о целесообразности установки Двигателей Стирлинга на подводные лодки. Этому способствовала низкая шумность двигателя и надежность конструкции. Первыми такое двигатели получили шведские субмарины типа «Готланд». В настоящее время все подводные лодки ВМС Швеции оснащены двигателями Стирлинга. Двигатели работают на жидком кислороде, который используется в дальнейшем для дыхания, имеют очень низкий уровень шума, а упомянутые выше недостатки (размер и охлаждение) на подводной лодке несущественны.

Применения двигателя в настоящем
3: Солнечные электростанции. Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого Стирлинг устанавливается в фокус параболического зеркала. Зеркало управляется по двум осям для слежения за солнцем. В качестве рабочего тела используется, как правило, водород, или гелий.
В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из зеркала и двигателя Стирлинга.

Вывод
Двигатель Стирлинга это имеющий право на жизнь двигатель, со своими преимуществами и недостатками. В свое время он не получил распространения, из за того, что ДВС были мощнее, чем Стирлинги.

Источники
1) https://motoran.ru/dvigatel/dvigatel-stirlinga
2) https://toptexnik.ru/dvigarely/dvigatel-stirlinga-ustrojstvo-vidy-i-printsip-raboty
3)https://translate.yandex.ru/translate?lang=en-ru&url=https%3A%2F%2Fen.wikipedia.org%2Fwiki%2FStirling_motor&view=c
4) https://24techno-guide.ru/princip-raboti-dvigatelya-stirlinga.php