Двигатель стирлинга принцип работы для чайников

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

  • Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.
  • Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий.

Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая

Найти лучшее казино Вулкан Россия для удачной игры!

Итак, что это такое и как это работает.

Скажу сразу, что бы въехать в эту тему понадобится не мало времени, я сам не всё сразу понял, хотя казалось, что сложного ничего и нет. Снаружи всё просто и понятно пока не копнёшь глубже, где и спрятано все интересное. Выход здесь только один, если что то не понятно сразу — читай и смотри дальше, со временем всё прояснится, по крайней мере так было со мной.

Нус приступим, признаться я не могу и не буду описывать всё это хитро-научно-рефератным языком, на мой взгляд это отпугивает людей, всё нужно излагать по простому не выдумывая всяких там формул и мало кому известных понятий. Наличия высшего образования тоже не потребуется всё легко укладывается в школьную программу, а множество схем и простых поясняющих картинок максимально облегчит понимание.

Понять его устройство можно на примере ряда картинок ниже.

Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому). Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу. И наоборот охлаждая корпус мембрана вогнется, опять совершив работу. Вот и весь цикл, проще не придумаеш, осталось только «автоматизировать» этот процес.

Ну а дальше уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(или рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (внимательно изучайте картинки включайте воображение)

Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя(у нас на рисунке как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки). Это идеальный вариант соединения для такой схемы. Попытайтесь проиграть каждую картинку по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха внутри двигателя и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.

Надо ещё признать, что на схеме, а именно на оси , отсутствует одна важная деталь — это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.

НЕ отчаивайтесь если сразу не всё понятно, я сам помню долго въезжал, в своё время, а некоторые моменты полностью понял только когда собрал свой первый стирлинг. Главное начать, и если не потеряете интерес, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо здесь на самом деле масса хитрых моментов.

Более подробно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому — я изложил в форме серии видеоуроков , которые можно посмотреть ЗДЕСЬ

Вот например таже схемка но уже в движении, теперь я думаю будет несколько понятнее. Причем это фактически разрез реальной рабочей модели, жаль правда что только в одном боковом виде.

А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя, также присутствует маховик.

Или вот ещё пример.

Всё это были примеры низкотемпературных двигателей, так сказать моделек, игрушек, поясняющих принцип работы. Промышленные стирлинги которые используются в разных целях, от генерации электроэнергии, до говорят, движения подводных лодок выглядят совершенно по другому (будем рассматривать их в других разделах сайта). Но принцип всегда остаётся темже — нагрев и охлаждение замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода или гелия (короче рабочего тела по другому).

Вообще Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, гамма.

Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая

Ещё пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.

и ещё бетта тип, кинематика

А вот полная деталировка — всё по полочкам, гамма версия.

а это анимация стирлинга бетта типа

А вот маленький Стирлинг охлаждает своей работой какой-то чип на материнской плате, интересное применение.

Зато есть принципиальная схема этого девайса

А вот как на практике выглядит бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрая штука и самому такую извоять весьма проблематично, но для общего развития нужно иметь представление. Дальше в рубриках по конкретным типам двигателей я буду более подробно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов исполнения этого двигателя просто немеренно, этим он и интересен.

а это его кинематическая модель

А такая занятная игрулина вызовет массу приятных эмоций у любого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашки с горячим чаем, его мы тоже рассмотрим подробнее здесь.

Ну вот и всё вступление, для начала. Дальше в рубриках, по каждому типу двигателей, будет более подробно о них расказано и показано, есть много интересного видео, без просмотра которого невозможно полноценно оценить всю прелесть этих устройств. Не переключайтесь. всё только начинается.

Как уже говорилось, наличие кривошипа здесь также не является обязательным, он нужен всего лишь, чтобы преобразовать во вращение колебания поршня. Если же съём механической энергии и дальнейшее её преобразование производить с помощью уже описанных здесь и здесь схем, то конструкция такого генератора может оказаться очень и очень простой.

Рассматривая тему получения электричества в полевых условиях, мы как-то совсем упустили из виду такой преобразователь тепловой энергии в механическую (и далее в электричество), как двигатели внешнего сгорания. В данном обзоре рассмотрим некоторые из них, доступные даже для самостоятельного изготовления любителями.

Собственно, выбор конструкций таких двигателей невелик — паровые машины и турбины, двигатель Стирлинга в различных модификациях да экзотические двигатели, типа вакуумуных. Паровые машины пока отбросим, т.к. пока ничего малогабаритного и легко повторяемого на них не сделано, а уделим внимание двигателям Стирлинга и вакуумным.
Приводить классификацию, типы, принцип работы и т.п. здесь не буду — кому нужно, легко найдёт всё это в Интернете.

В самом общем плане, практически любой тепловой двигатель можно представить как генератор механических колебаний, который использует использует постоянную разность потенциалов (в данном случае, тепловую) для своей работы. Условия самовозбуждения такого двигателя, как и в любом генераторе, обеспечивает запаздывающая обратная связь.

Такое запаздывание создаётся, либо жёсткой механической связью через кривошип, либо с помощью упругого соединения, либо, как в двигателе «замедленного нагрева», с помощью тепловой инерции регенератора.

После этого небольшого теоретического вступления, думаю, будет интереснее поглядеть на на те модели, которые реально были построены и которые могут быть пригодны для использования в мобильных условиях.

На YouTube представлены следующие:

— низкотемпературный двигатель Стирлинга для малых перепадов температур,

— двигатель Стирлинга для больших температурных градиентов,

— двигатель «замедленного нагрева», другие названия Lamina Flow Engine, термоаккустический двигатель Стирлинга (хотя, последнее название и неверно, т.к. существует отдельный класс термоаккустических двигателей),

— двигатель Стирлинга со свободным поршнем (free piston Stirling engine),

— вакуумный двигатель (FlameSucker).

Внешний вид наиболее характерный представителей показан ниже.


Низкотемпературный двигатель Стирлинга.


Высокотемпературный двигатель Стирлинга.
(Кстати, на фото видно горящую лампочку накаливания, работающую от ганератора присоединённого к данному двигателю)


Двигатель «замедленного нагрева» (Lamina Flow Engine)


Двигатель со свободным поршнем.


Вакуумный двигатель (пламясос).

Рассмотрим-ка каждый из типов подробнее.

Начнем с низкотемпературного двигателя Стирлинга. Такой двигатель может работать от перепада температур буквально в несколько градусов. Но и мощности, снимаемые с него будут невелики — доли и единицы Ватта.
Лучше работу таких движков наблюдать на видео, в частности, на сайтах типа YouTube представлено огромное количество работающих экземпляров. Например:


Низкотемпературный двигатель Стирлинга

В такой конструкции двигателя, верхняя и нижняя пластина должны иметь различную температуру, т.к. одна из них является источником тепла, в вторая — охладителем.

Второй тип двигателей Стирлинга уже можно использовать для получения мощности в единицы и даже десятки Ватт, что вполне позволяет запитывать большинство электронных устройств в походных условиях. Пример таких двигателей приведены ниже.


Двигатель Стирлинга

На сайте YouTube представлено множество таких движков, причём, некоторые сделаны из такого хлама. , но работают.

Двигатель «замедленного нагрева» подкупает своей простотой. Его схема представлена на рисунке ниже.


Двигатель «замедленного нагрева»

Как уже говорилось, наличие кривошипа здесь также не является обязательным, он нужен всего лишь, чтобы преобразовать во вращение колебания поршня. Если же съём механической энергии и дальнейшее её преобразование производить с помощью уже описанных здесь и здесь схем, то конструкция такого генератора может оказаться очень и очень простой.

Двигатель Стирлинга со свободным поршнем.
В данном движке вытесняющий поршень соединен с силовым через упругую связь. При этом на резонансной частоте системы возникает отставание его движения от колебаний силового поршня, составляющая около 90 градусов, что и требуется для нрмального возбуждения такого двигателя. Фактически получается генератор механических колебаний.

Вакуумный двигатель, в отличие от других, использует в своей работе эффект сжатия газа при его остывании. Работает он следующим образом: вначале поршень засасывает пламя горелки внутрь камеры, затем подвижный клапан перекрывает всасывающее отверстие и газ, остывая и сжимаясь, заставляет поршень двигаться в обратном направлении.
Работу двигателя прекрасно иллюстрирует следующее видео:


Схема работы вакуумного двигателя

А ниже просто пример изготовленного двигателя.


Вакуумный двигатель

В заключение, заметим, что хотя КПД подобных двигателей-самоделок, в лучшем случае, единицы процентов, но даже в этом случае, подобные мобильные генераторы могут вырабатывать количество энергии, достаточно для питания мобильных устройств. Реальной альтернативой им могут служить термоэлектрические генераторы, но их КПД также составляет 2. 6% при соизмеримых массогабаритных параметрах.

В конце концов, тепловая мощность даже простеньких спиртовок составляет десятки Ватт (а у костра — килоВатты) и преобразование хотя бы нескольких процентов от этого теплового потока в механическую, а затем и электрическую энергию, уже позволяет получить вполне приемлемые мощности, пригодные для зарядки реальных устройств.

Вспомним, что, например, мощность солнечной батареи, рекомендуемой для зарядки КПК или коммуникатора составляет около 5. 7Вт, но даже эти Ватты солнечная батарея будет отдавать только при идеальных условиях освещения, реально меньше. Поэтому, даже при выработке нескольких Ватт, но независимых от погоды, эти двигатели уже будут вполне конкурентоспособными, даже с теми же солнечными батареями и термогенераторами.

3. Создать действующую модель двигателя Стирлинга.

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Приборостроение, микроэлектроника и схемотехника» среди работ учащихся 10−11 классов

Проект направлен на создание модели двигателя Стирлинга из подручных материалов, с дальнейшим использованием его на уроках физики в качестве демонстрационного материала.

Цель

Сконструировать рабочую модель двигателя Стирлинга из подручного материала для последующего применения в рамках школьной лаборатории.

Задачи

1. Исследовать материал по теме.

2. Познакомиться с принципом работы двигателя Стирлинга.

3. Создать действующую модель двигателя Стирлинга.

4. Продемонстрировать принцип работы модели двигателя Стирлинга в 8 классе в рамках тематического планирования.

Описание

Разработанный двигатель экологически чистый, т. к. у него нет выбросов различных едких газов. На сегодняшний день это является огромным плюсом.

Если произвести расчёты затрат на приобретение материала, используемого для изготовления модели, то можно сказать, что эта модель практически не потребовала денежного вложения.

В основном весь материал нами был найден дома, на даче или в гараже. Было приобретено только два воздушных шарика стоимостью 50 рублей, 6 зажимов стоимостью 230 рублей. Итого затраты составляют 280 рублей.

Результат

Результатом проекта стала модель двигателя Стирлинга, при этом было затрачено минимальное количество денежных средств.

При этом с помощью расчётов и наблюдений также была доказана его экологическая чистота.

Оснащение и оборудование

  1. Две металлические банки размерами 16х20 см
  2. Восемь зажимов
  3. Четыре болта
  4. Проволока диаметром 3 мм
  5. Два воздушных шарика
  6. Три силиконовые трубки
  7. Два DVD-диска
  8. Четыре крышки от пластмассовых бутылок
  9. Герметик

Перспективы использования результатов работы

Двигатель Стирлинга будет находиться в кабинете физики, для того чтобы учитель физики мог наглядно продемонстрировать учащимся принцип работы двигателей внешнего сгорания в рамках тематического планирования уроков.

Особое мнение

«Мы считаем, что наш проект заслуживает быть призёром конференции «Инженеры будущего».

Проект «Инженерный класс в московской школе» даёт возможность ещё на школьной скамье познакомиться с инженерной специализацией. Проект заслуживает уважения и дальнейшего развития.

Принцип действия и немного истории

Двигатель Стирлинга с генератором
Aluminum Base Enhanced Hot Air Stirling Engine Model Motor LS001

Принцип действия и немного истории

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, наполненное газом или жидкостью, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081). Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом».

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в двигатель Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Примеры Двигателей Стирлинга:

В связи с необходимостью нагрева от солнца цилиндр, в котором находится рабочее тело, был сделан большим по диаметру и маленьким по высоте. Один торец выкрашен чёрным для увеличения поглощения, а второй находится в тени, что и обеспечивает разницу температур. Для улучшения эффективности можно дополнить устройство несколькими зеркалами, собирающими солнечный свет на нагреваемом торце.

В этой новости причудливо смешались изобретение 17 века, его улучшение из 19 века, забота о возобновляемой энергии из 20-го века и новинка века 21-го. Всё это соединилось в занимательном устройстве, созданном немецким авиаинженером Андреасом Хаузером. Охарактеризовал он свой проект как первый в мире двигатель Стирлинга на солнечной энергии, напечатанный на 3D-принтере.

Эта универсальность и заинтересовала немецкого инженера. Он уже давно работает с проектами, использующими «зелёную» энергию – предыдущим его устройством, изготовленным с помощью 3D-принтера, стала ветровая турбина. Хаузер решил, что раз двигателю пойдёт любой нагрев, почему бы не нагревать его от солнечных лучей? Так и родилась эта идея.

В связи с необходимостью нагрева от солнца цилиндр, в котором находится рабочее тело, был сделан большим по диаметру и маленьким по высоте. Один торец выкрашен чёрным для увеличения поглощения, а второй находится в тени, что и обеспечивает разницу температур. Для улучшения эффективности можно дополнить устройство несколькими зеркалами, собирающими солнечный свет на нагреваемом торце.

Как и для других проектов, Хаузер предлагает список деталей и их схемы в пригодном для 3D-печати формате на своём сайте. Конечно, в случае такого игрушечного прототипа речи о какой-то мощности и полезной работе не идёт. Но уже существуют реальные проекты, использующие двигатель Стирлинга вместе с солнечной энергией. А паспечатанный на своём принтере двигатель наверняка сподвигнет начинающих инженеров и изобретателей на новые свершения.

Борьба производителей за экологически чистые компьютеры с низким энергопотреблением продолжает накаляться. Очередной разработкой компании MSI на поприще экономии драгоценных ватт стало использование… двигателя Стирлинга в качестве источника энергии для чипсетного кулера!

Xakep #259. Атака на Apple

Борьба производителей за экологически чистые компьютеры с низким энергопотреблением продолжает накаляться. Очередной разработкой компании MSI на поприще экономии драгоценных ватт стало использование… двигателя Стирлинга в качестве источника энергии для чипсетного кулера!

Для тех, кто плохо знаком с физикой, поясним – двигатель Стирлинга представляет собой машину, работающую от источника тепла, коим в нашем случае является нещадно терзаемый оверклокингом чипсет. Принцип работы двигателя пояснять не будем – интересующиеся могут подробно прочитать о нем здесь: http://ru.wikipedia.org/wiki/Двигатель_стирлинга.

Отметим также, что КПД такого агрегата довольно невысок, но для наших целей его вполне достаточно. Большой плюс его в том, что при относительно невысокой температуре чипсета двигатель может вообще прекратить работу за ненадобностью – такая вот саморегуляция…

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию

Схема работы двигателя Стирлинга Перечислим основные особенности и принцип работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование тепловой энергии в механическую посредством сжатия постоянного количества рабочего тела при низкой температуре и последующего (после периода нагрева) его расширения при высокой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень совершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабатывает полезную механическую энергию

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии

3. Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело

4. Изменения объема в этих двух полостях должны не совпадать по фазе, а получающиеся в результате циклические изменения суммарного объема в свою очередь не должны совпадать по фазе с циклическим изменением давления. Это — условие получения механической энергии на валу двигателя Таким образом, принцип Стирлинга – это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном пространстве рабочего тела.

Известно, что Стирлинг использовал периодическое изменение температуры газа, применив вытеснительный поршень (в дальнейшем называемый вытеснителем). Вытеснитель заставляет перемещаться газ в одну из двух полостей цилиндра, одна из которых находится при постоянно низкой, а другая при постоянно высокой температуре.

При движении вытеснителя вверх газ по каналам нагревателя и холодильника перемещается из горячей полости в холодную. При движении вытеснителя вниз газ возвращается тем же путем в горячую полость. В первом случае газ должен отдавать большое количество тепла холодильнику. Во втором — получать от нагревателя равное количество тепла. Регенератор, предназначенный для предотвращения потерь тепла, располагается между нагревателем и холодильником.

Он представляет собой некую полость, заполненную пористым материалом, которому горячий газ до поступления в холодильник отдает тепло. Когда же газ течет обратно, регенератор возвращает ему запасенное тепло до того, как газ поступает в нагреватель Система вытеснителя, обеспечивающая периодичность нагрева и охлаждения газа, соединена с рабочим поршнем (в дальнейшем называемым поршнем), который сжимает газ в холодной полости и позволяет ему расширяться в горячей.

Поскольку сжатие газа происходит в полости сболее низкой температурой, чем расширение, то получается полезная работа. На рисунке показаны четыре цикла, через которые проходит вся система, предполагая, что поршень и вытеснитель двигаются прерывисто. Движения поршня и вытеснителя в двигателе практически непрерывны.

Их непрерывное движение обеспечивается посредством кривошипно-шатунного механизма. В этом случае невозможно обнаружить резких границ между четырьмя стадиями цикла, и сам цикл принципиально не меняется, и его КПД не уменьшается Таким образом, двигатель Стирлинга представляет собой поршневую машину с внешним подводом тепла, в котором рабочее тело постоянно находится в замкнутом пространстве и во время работы не заменяется.

Рабочий цикл двигателя Стирлинга beta-типа:

Для подвода тепловой энергии можно использовать любой источник тепла: солнечную энергию, биотопливо, ядерную энергию, электроэнергию и проч. В качестве рабочего тела в двигателе Стирлинга обычно используется воздух, гелий или водород.

Идеальный термодинамический цикл двигателя Стирлинга обладает термическим КПД, равным максимально возможному теоретическому и составляет 30-40%. КПД двигателя остается почти постоянным в широком диапазоне условий его работы. Но следует учитывать, что двигатель Стирлинга может работать с высоким КПД только при наличии эффективного регенератора. Наиболее эффективно двигатель работает при постоянных значениях скорости и мощности.

Нагрев, охлаждение и регенерация рабочего тела в двигателе осуществляется с помощью встроенных теплообменников, которые должны работать в среде, не содержащей масел, что предотвращает их засорение. В двигателе расходуется довольно малое количество смазочных материалов. Среднее давление в цилиндре, как правило, находится в пределах 10. 20 МПа.

Для нагрева рабочего тела применяют непрерывный процесс горения, что позволяет сжигать различные виды топлива, которые, эффективно сгорая, не создают опасности попадания твердых частиц из топлива, окислителя или окружающего пространства в рабочие цилиндры. При использовании для сжигания жидкого топлива непрерывное горение можно легко регулировать, в результате чего резко снижается уровень выбросов, особенно несгоревших углеводородов и окиси углерода.

Отсутствие клапанов в основном корпусе двигателя Стирлинга и работа без периодических взрывов в цилиндрах означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и перспективным для применения в военных целях.

Источники
Источник — http://tm.spbstu.ru/%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%A1%D1%82%D0%B8%D1%80%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B3%D0%B0(%D0%94%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C_%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D1%88%D0%BD%D0%B5%D0%B3%D0%BE_%D1%81%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%8F)
Источник — http://physicstoys.narod.ru/page/vvedenie.html
Источник — http://www.mobipower.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=113
Источник — http://profil.mos.ru/inj/proekty/2019-07-17-11-40-35.html
Источник — http://arduino-kit.ru/product/dvigatel-stirlinga-s-generatorom
Источник — http://m.habr.com/ru/post/378041/
Источник — http://xakep.ru/2008/03/05/42631/
Источник — http://dvigatel-stirlinga.masteraero.ru/dvigatel_stirlinga_2.php
Оцените статью
( Пока оценок нет )
Как Это Работает?
Добавить комментарий

Adblock
detector