Главная › Новости

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА ФАЗОВЫЙ ПЕРЕХОД ПАРОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ НОВОГО ТИПА Phase Transition ИГОРЬ БЕЛЕЦКИЙ

Опубликовано: 04.10.2017

В одной из недавних публикаций под названием "Резервное питание. Если в пути накрыл форс-мажор" речь шла о том, что в критической ситуации можно залить в бак автомобиля. Как выяснилось, двигатель может работать на альтернативных видах топлива, правда не одинаково хорошо. Одни горючие жидкости проявили себя лучше, другие наоборот. Вкратце напомним. Лучше всего зарекомендовали себя скипидар, керосин, бытовой газ из баллонов с редуктором и газ в "китайских" баллончиках для походных горелок. Дизельное топливо, ацетон, растворители, этиловый спирт и еще кое-какой алкоголь проявили меньшую преемственность, хотя на "крайний случай" могут быть использованы. Получается, что двигатель внутреннего сгорания вещь довольно капризная. Причина этому – сгорание топливной смеси в ограниченном объеме при переменном давлении. Сам процесс сгорания больше напоминает взрыв, почему и существует такое понятие как "детонационная стойкость топлива". Если ваш двигатель рассчитан на 95-й бензин, а вы залили или разбавили 80-м или 76-м, то "эффект" ощутится сразу, в виде характерных звуков. Такая работа для двигателя неблагоприятна.
Но существует разновидность двигателей которым все равно на каком топливе работать. Это двигатели работающие по циклу Стирлинга. Более распространенное название — "Двигатель Стирлинга". Об этом двигателе уже неоднократно писали. Вот некоторые ссылки по теме (если не активная — оригинал здесь)

Что же это за двигатель такой диковинный? Как у него получается работать на любом топливе? И если он такой "всеядный", то почему широко не используется до сих пор? Об этом речь пойдет дальше.

Двигатели Стирлинга подразделяются на следующие основные типы:

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура "горячего" поршня создаёт определённые технические проблемы.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и "вытеснитель", изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, частью теплообменника, или совмещённым с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и "вытеснитель", но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется "вытеснитель"). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.

А теперь рассмотрим основные преимущества и недостатки данного типа двигателей.

Преимущества двигателя Стирлинга.
* "Всеядность" двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
* Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
* Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих "нежных" агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
* Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (более 30 %), чем паровые машины. По сравнению с ДВС городских автомобилей двгатели Стирлинга расходуют на 15-20% меньше топлива и этот показатель будет улучшаться
* Бесшумность (точнее — малошумность) двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — меньше шумит. Шумы при работе двигателя создают движущиеся части. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, почти не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм). (Вспомните какие неудобства создает та же стротельная техника надоедливым гудением компрессоров и генераторов. Вот было бы хорошо если вместо ДВС стали использовать "стирлинги")
* Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания. Потому, что в "стирлингах" процесс горения топлива происходит при постоянном давлении и достаточном количестве воздуха.

(Коментарии, как говорится, излишни.)

Недостатки:
* Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.
* Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий. Эти газы обладают повышенной текучестью, что вызывает существенные проблемы с уплотнением движущихся частей двигателя в рабочем объеме.
* Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.
* Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Недостатки конечно вещь неприятная, но у более распространенного ДВС тоже есть много недостатков, тем не менее он широко используется. В отличии от ДВС действующую модель двигателя Стирлинга несложно изготовить самостоятельно. Очень рекомендую материал который находится здесь. Даже продаются наборы для сборки.
Более продвинутый полезный материал можно посмотреть здесь.
Также много интересных примеров можно посмотреть здесь и здесь и еще бесчисленное количество примеров которые можно найти через поисковые системы.
О двигателе Стирлинга писали технические и научно-популярные журналы. "Техника молодежи" №1 за 1996 год и №10 за 1979 год, "Юный техник" №9 за 1984 год, "Изобретатель и рационализатор" №5 за 1980 год, "Катера и яхты" №3 за 1986 год и ряде других.

Материал из журнала "Юный техник" о самостоятельном изготовлении модели двигателя Стирлинга доступен здесь и здесь и еще ряде других источников.