Двигатель Стирлинга

Содержание

Введение                                                                                                     3 Биография создателя двигателя Стирлинга                                                          4

Краткая история  развития Стирлинг двигателей                                                 4

Второе рождение                                                                                                     5

Современное применение двигателей Стирлинга                                                6

Цикл Стирлинга                                                                                                       7

Плюсы Стирлингов                                                                                                 9

Минусы  Стирлингов                                                                                              9

Конструкции двигателей Стирлинга                                                                   10

Методы изготовления двигателей Стирлинга                                                    12

Методы расчета двигателей Стирлинга                                                              14

Выводы                                                                                                                   17

Библиографический список                                                                                  18

 

                                                                  

 

 

 

 

 

Введение

В современном  мире можно получить энергию для зарядки мобильного телефона от тепла человеческого тела или кружки кипятка, можно, используя разницу температур между колодезной водой и атмосферным воздухом, снабдить электричеством загородный дом. Это могут "Стирлинг-машины" или, как их еще называют - двигатели Стирлинга.

Данный тип  двигателей изобретен в девятнадцатом  веке не физиком и не механиком, а  священником! История Стирлинг-машин  невероятна. Они прошли стадию подъема, затем были забыты, однако пережили паровые двигатели, двигатели внутреннего  сгорания и снова возродились в двадцатом веке. Сегодня над их созданием трудятся многие инженеры и любители.

Стоит отметить, что универсальной методики расчета  Стирлинг-машин не существует до сих  пор, хотя с момента их изобретения  прошло почти два века! Львиная доля технических решений и методик расчета при создании опытных образцов двигателей Стирлинга автоматически становится "ноу-хау" компаний-разработчиков и тщательно скрывается. Двигатели Стирлинга не встретишь в свободной продаже, как газонокосилки или автономные генераторы. При этом "Стирлинги" используются в качестве энергоустановок на космических спутниках, применяются как маршевые двигатели на современных подводных лодках.

 Стирлинг-машины с одинаковым успехом можно "вмонтировать" и в триммер для стрижки газонов, и в марсоход. В конструкции двигателя нет клапанов, распределительных валов, отсутствует система зажигания в ее привычной форме, нет стартера! Некоторые конструкции обладают эффектом самозапуска. Для работы годится любой источник тепла: энергия солнца, сено, дрова, уголь, нефть, газ, ядерный реактор - подойдет все! И при данной "всеядности" коэффициент полезного действия "Стирлингов" не уступает показателям двигателей внутреннего сгорания. Но и это не все. Стирлинг-машины обратимы, т.е. подводя тепловую энергию, получаем механическую, раскручивая маховик двигателя, вырабатываем холод. В общем, чудес и загадок вокруг Стирлинг-машин полным-полно.

Цель: исследование двигателя Стирлинга.

Задачи:

             1. собрать и анализировать материал на тему двигатель Стирлинга;

                2. изготовить модель двигателя Стирлинга;

     3. апробировать работу двигателя  Стирлинга.

Перспективные задачи:

             1. провести опыты с двигателем Стирлинга;

                  2. произвести примерный расчет КПД двигателя Стирлинга.

Актуальность: в настоящее время двигатель Стирлинга-это редкость. Но постепенно они вновь входят в нашу жизнь. На сегодняшний день они используются: в автомобильной технике, даже на космических станциях; в будущем они могут устанавливаться на мини ТЭЦ или их энергией можно будет питать целый город, а когда запасы нефти будут заканчиваться, из-за своей практичности и высокого КПД они смогут конкурировать с дизельными двигателями.

 

 

 

 

 

 

Биография создателя  двигателя Стирлинга

Роберт Стирлинг родился в Шотландии, в 1790 году. Еще во время учебы в университете молодой пастор проявил немалую склонность к инженерным наукам, и свободное время посвящал разработке «безопасного» двигателя. В то время паровые машины уже активно эксплуатировались, но обладали одной неприятной особенностью – из-за низкой прочности стали у них часто взрывались котлы.

Стирлинг искал  решение данной проблемы. Поскольку  выбор материалов для котлов оказался невелик, преподобный Роберт просто отказался от пара и придумал новый тип двигателя на воздухе, но главное – ввел в цикл работы двигателя регенерацию тепла.

19 сентября 1816 года  Стирлинга назначают священником  церкви Лэй-Кири в Килмарноке, а уже 21 сентября того же  года в Эдинбурге (Шотландия)  он патентует устройство называемое «экономайзер» или устройство для экономии тепла (английский патент №4081). Сегодня это устройство называется регенератор или теплообменник. Регенератор - сердце всех современных Стирлинг-машин. Позднее еще дважды: в 1827 и в 1840 годах Стирлинг патентует усовершенствованные образцы своей машины. Он упорно движется к цели – созданию «безопасного двигателя». И в 1845 году, не без помощи младшего брата Джеймса и друга - Томаса Мортона, Стирлинг достигает результата. Машина в 50 индикаторных лошадиных сил изготавливается на литейном заводе в Дании. Аппарат использовали на шахте для откачки воды. Он успешно проработал три года, но был разобран по причине частого выхода из строя. Дело было не в конструкции – она идеальна, и перекочевала в современные типы Стирлинг-машин без особых изменений. Проблему создавали материалы, не имеющие достаточной прочности. Металл рабочего цилиндра не выдерживал постоянного перепада температур и давления.

На склоне лет, Роберт Стирлинг в одном из своих  писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера – получение высокопрочной стали. Стирлинг выражал надежду, что данная сталь откроет перспективы и его «машинам на воздухе». На протяжении всей жизни, в своей домашней мастерской Стирлинг конструировал и изготавливал модели тепловых машин. Позднее, одну из этих моделей использовал лорд Кельвин для университетских лекций.

Несмотря на бурную изобретательскую деятельность, Роберт Стирлинг оставался пастором и продолжал вести службы. Умер изобретатель-священник 6 июня 1878 года в шотландском городке Галстон, в Восточном Айршире.

Каким образом Стирлингу удалось изобрести двигатель с максимально возможной термодинамической эффективностью – остается загадкой. Но, то, что этот неуемный шотландец за свои 88 лет сумел прожить две жизни – жизнь талантливого инженера-конструктора и священника - бесспорный факт. Стирлинг опередил свое время более чем на сто лет. Его выдающееся изобретение послужило толчком к значительному усовершенствованию паровых машин, пережило многие технические новинки двигателестроения и возрождается заново в наши дни.

Краткая история развития Стирлинг двигателей

Двигатели Стирлинга  и Эриксона имеют длинную историю, которая была детально изучена Финкельштейном {1959 г.). Машины конца XVIII в. можно считать первенцами тепловых воздушных двигателей, но их основное развитие относится к началу XIX в. Первым работающим двигателем такого типа был, вероятно, тепловой воздушный двигатель открытого цикла, построенный Георгом Кайлеем (George Cayley) в 1807 г. Приблизительно в 1816 г. Робертом Стирлингом (Robert Stirling), был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу.

Позднее, шведский изобретатель Джон Эриксон (John Ericsson), работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с паровыми машинами. Мощность этих двигателей была небольшая - от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. с), но строились также и более мощные.

Возможно, что  наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для  морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об/мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. с). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в нью-йоркском порту. Примечательно то, что расход топлива на единицу мощности этого двигателя был меньше, чем у судового "паровика" того времени, а рабочее давление в цилиндрах - ниже чем давление в банке с кока-колой! Т.е. двигатель физически не мог взорваться.

Приблизительно в середине XIX в. был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретенным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлинга, и к 1914 г. они уже практически не применялись. Однако производство двигателей Стирлинга специального назначения, как, например, двигателей, работавших на керосине и служащих приводом для вентиляторов, которые использовались в тропических странах, продолжалось в Англии по крайней мере до 1946 г., а модели этих двигателей выпускаются до сих пор.

Второе  рождение

Начало исследовательских работ по двигателям Стирлинга было положено в лабораториях фирмы «Филипс» в Эйндховене в конце 30-х годов. С этого момента в их развитии наблюдается непрерывный прогресс. Вначале эти работы были направлены на разработку двигателей для небольших электрогенераторных установок, предназначенных для питания радиоаппаратуры и другого подобного оборудования используемого в отдаленных районах земного шара, где аккумуляторные электробатареи были малодоступны. Последующее развитие радиоламп и аккумуляторов и в особенности использование транзисторов уменьшили потребность в небольших электрогенераторных установках. Однако к этому времени были достигнуты уже значительные успехи, способствующие дальнейшим исследованиям, в которых особое значение придавалось развитию двигателей большой мощности. Эти исследования включали экспериментальные разработки двигателей различной мощности до 330 кВт (450 л. с.) с более интересными характеристиками, чем у существующих двигателей внутреннего сгорания. К основным преимуществам двигателя Стирлинга следует отнести малый уровень шума и малую степень загрязнения воздуха выхлопными газами при значениях эффективного КПД и удельной мощности сравнимых или лучших, чем у бензиновых двигателей или дизелей. Именно это сочетание характеристик, отвечающее все возрастающей заботе людей об окружающей среде, усилило внимание к использованию двигателей Стирлинга в транспорте.

Двигатели Стирлинга  хорошо работают и в режиме холодильных  машин. Эти возможности были впервые  выявлены еще в 1834 г. Джоном Хершелем (John Hersehel), а в 1876 г. Александр Кирк (Alexander Kirk) дал описание машины, которая  работала в течение 10 лет. Но, тем не менее, только в конце 1940-х годов была сделана серьезная попытка использовать холодильные машины, работающие по циклу Стирлинга, в коммерческих целях. И снова за решение этой задачи взялась фирма «Филипс» в Эйндховене. Первая холодильная машина для ожижения воздуха была изготовлена в 1955 г. С тех пор интенсивные работы в этой области привели к созданию целого ряда криогенных газовых машин с широким диапазоном по холодопроизводительности, и в настоящее время такие машины выпускаются как для проведения различных криогенных научных исследований, так и для промышленных целей.

Современное применение двигателей Стирлинга

Двигатель, предложенный самим Робертом Стирлингом, имел значительные массогабаритные характеристики и низкий КПД. Из-за сложности процессов в таком двигателе, связанных с непрерывным движением поршней, первый упрощенный математический аппарат разработан только в 1871 году пражским профессором Г. Шмидтом. Предложенный им метод расчета основывался на идеальной модели цикла Стирлинга и позволял создавать двигатели с КПД не превышающем 15%. Лишь к 1953 году голландской фирмой «Филипс» разработаны первые высокоэффективные двигатели Стирлинга, превосходящие по характеристикам двигатели внутреннего сгорания.

Мировой интерес к этому  типу двигателей с того времени продвинулся из области теоретических построений в плоскость практической реализации в самых разных сферах. За рубежом уже начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Так, двигатели Стирлинга фирм Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling мощностью от 5 до 1 200 кВт имеют эффективный КПД более 42 %, ресурс - более 40 тыс. ч, удельную массу - от 1,2 до 3,8 кг/кВт.

В США стартовал проект создания солнечной электростанции с использованием двигателя Стирлинга в качестве прямого преобразователя тепловой энергии в механическую. Теоретически КПД Стирлинга может совпадать с физическим пределом, определяемым разностью температур нагревателя и холодильника, да и на практике можно получить от Стирлингов КПД порядка 70%. По расчётам авторов проекта, в теории одна ферма солнечных Стирлингов,под которую отвели территорию 160 на 160 километров на юге США, полностью покрыла бы всю потребность страны в электроэнергии. На сегодняшний день прототипы успешно проходят испытания, но стоимость каждого еще слишком высока (более 150 тысяч долларов США), что тормозит массовое внедрение.

Подобными разработками интересуются и в Швеции. На сайте  компании "Clean energy" вниманию посетителей представлен новый концепт солнечной миниэлектростанции для получения электроэнергии. Создан как полномасштабный образец с гелиоконцентратором на подвижной с закрепленным в фокусе Стирлингом, так и отдельный когенерационный агрегат для получения электроэнергии и тепла общей мощностью 9 кВт (однако, стоит отметить, что из 9 кВт только 2кВт - электроэнергия, остальные 7кВт - тепло для обогрева помещений).

Наиболее бурное развитие двигателей Стирлинга происходит в сфере военных технологий. Быстрыми темпами создаются опытные и серийные образцы Стирлинг-установок для неатомных подводных лодок. При использовании двигателя Стирлинга лодки могут находиться под водой без подзарядки аккумуляторных батарей до 20 суток! Окончательный выбор по типу анаэробной установки сделали американцы. Их решение однозначное – двигатели Стирлинга. Для этого в 2005 году ВМС США взяли в лизинг шведскую подводную лодку типа «Gotland», оснащенную вспомогательной воздухонезависимой установкой Стирлинга...»