Двигатели внешнего сгорания (ДВС) наиболее широко используются во всем мире в различных транспортных средствах. Существует множество типов двигателей в зависимости от их применения. Двигатель Стирлинга — самый известный тип двигателя внешнего сгорания. Это паровой двигатель. Это наиболее часто используемый двигатель. В этой статье мы рассмотрим различные аспекты двигателя Стирлинга.
Что такое двигатель Стирлинга?
Двигатель Стирлинга — это поршневой двигатель, который преобразует тепловую энергию топлива в механическую энергию путем нагрева и охлаждения рабочей жидкости, находящейся в цилиндре. Поскольку это поршневой двигатель, в нем используется поршень, а не вращающийся ротор, как в двигателе Ванкеля.
В 1816 году Роберт Стирлинг изобрел двигатель Стирлинга. Цикл Стирлинга имеет почти такой же тепловой КПД, как и цикл Карно.
Этот двигатель внешнего сгорания имеет большую эффективность, чем двигатель внутреннего сгорания (например, дизельный или бензиновый двигатель). В настоящее время двигатели Стирлинга используются только в очень специальных приложениях, например, в подводных лодках.
Работа двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга работает на основе цикла Стирлинга.
Работа двигателя Стирлинга
- Когда оператор включает стартер двигателя, включается и внешний источник тепла. Оператор контролирует силу с помощью предусмотренного механизма.
- Когда внешний источник тепла активируется, тепло начинает передаваться от источника тепла к горячему концу цилиндра. Этот процесс передачи тепла повышает температуру молекул газа, захваченных в горячем конце цилиндра. Когда температура молекул газа повышается, между ними возникает возмущение, и молекулы газа начинают расширяться внутри цилиндра.
- Расширение газа увеличивает давление на поверхность поршня, толкает поршень и производит полезную работу.
- Поршень-вытеснитель соединен с коленчатым валом. Движение коленчатого вала заставляет поршень-вытеснитель перемещаться между холодным и горячим концами цилиндра.
- Движение поршня-вытеснителя вызывает газообмен от холодного конца к горячему концу и от горячего конца к холодному концу цилиндра.
- Газ из горячего конца обеспечивает энергию поршню вытеснителя, который перемещает газ в холодный конец цилиндра.
- Когда горячий газ поступает в холодный конец, охлаждающее устройство отводит тепло горячего газа и охлаждает его.
- После охлаждения газа поршень сжимает газ в холодной части цилиндра. Охлаждающее устройство отводит избыточное тепло от газа.
- После процесса сжатия поршень вытеснителя направляет сжатый газ обратно в горячую часть цилиндра, где цикл повторяется.
Таков принцип работы двигателя Стирлинга. Как вы можете видеть выше, в этом цикле отсутствует выпускной ход, как в двигателе IC. Поэтому двигатель Стирлинга имеет большую эффективность, чем двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
Чтобы лучше понять принцип работы двигателя Стирлинга, посмотрите следующее видео:
Типы двигателей Стирлинга
- Альфа-двигатель
- Бета-двигатель
- Гамма-двигатель
- Двигатель двойного действия
- Роторный двигатель Стирлинга
1) Альфа-двигатель Стирлинга
- Горячий или расширительный цилиндр
- Холодный цилиндр или цилиндр сжатия
Альфа-двигатель Стирлинга
- Эти двигатели имеют низкую мощность. Поэтому они используются для небольших нагрузок.
- Альфа-двигатель имеет два силовых поршня.
2) Бета-двигатель Стирлинга
Бета-двигатель имеет только один цилиндр. Один конец этого цилиндра соединен с охлаждающим устройством, а другой — с источником тепла.
Бета-двигатель Стирлинга
- Силовой поршень
- Вытесняющий поршень
Силовой поршень помогает двигателю управлять жидкостью и запускает двигатель, а поршень-вытеснитель устанавливается между холодным и горячим концами цилиндра. Поршень вытеснителя используется для перемещения горячего газа из горячей части цилиндра в холодную и холодного газа из холодной части цилиндра в горячую. Коленчатый вал управляет движением вытеснителя внутри цилиндра.
- Бета-двигатель Стирлинга имеет большую мощность. Поэтому он используется в системах с высокой нагрузкой.
3) Гамма-двигатели
Этот тип ЕС-двигателя имеет силовой поршень и вытеснитель, которые соединены с двумя отдельными цилиндрами.
Гамма-двигатель Стирлинга
Газ из двух цилиндров свободно проходит между ними и остается единым целым. Из-за большого объема соединения между двумя цилиндрами эта конструкция имеет более низкую степень сжатия, но имеет простую конструкцию и обычно используется в многоцилиндровом двигателе Стирлинга.
Кроме того, в процессе расширения происходит некоторое расширение в зоне сжатия, что приводит к снижению удельной мощности.
4) Роторный двигатель Стирлинга
Эти двигатели преследуют цель преобразовать мощность от цикла Стирлинга в крутящий момент.
5) Тип двойного действия
Поршень этого типа двигателя использует оба конца (верхний и нижний) для нагнетания смеси.
PV-диаграмма цикла Стирлинга
- Изотермическое расширение
- Изохорный отвод тепла
- Изотермическое сжатие
- Добавление изохорного тепла
Цикл Стирлинга
1) Изотермическое расширение (линия 1 — 2)
В процессе изотермического (при постоянной температуре) расширения энергия передается от внешнего источника тепла газу, находящемуся в цилиндре.
Когда молекулы газа получают энергию, они начинают расширяться. Вследствие расширения молекул газа увеличивается давление газа, что заставляет поршень двигаться от горячего цилиндра к холодному.
2) Изохорный отвод тепла (линия 2 — 3)
В изохорном (постоянном по объему) процессе отвода тепла в цикле Стирлинга вытеснитель переносит горячий газ из горячего цилиндра в сжимающий или холодный цилиндр.
Охлаждающее устройство извлекает тепловую энергию из горячего газа и преобразует ее в холодный газ. Основная цель этого процесса охлаждения — снизить давление горячего газа, чтобы его можно было легко сжать.
3) Изотермическое сжатие (линия 3 — 4)
На этом этапе газ сжимается при постоянной низкой температуре. Тепло, выделяемое в процессе сжатия, поступает в холодный радиатор.
Во время этого процесса сжатия поршень увеличивает давление газа. Это повышенное давление приводит в движение силовой поршень, который далее перемещает маховик.
4) Изохорный нагрев (линия 4 — 1)
В процессе изохорного добавления тепла поршень снова переносит холодный газ из холодного цилиндра в горячий цилиндр, где он снова нагревается за счет внешнего источника тепла, и весь цикл Стирлинга повторяется.
Компоненты двигателя Стирлинга
- Цилиндр
- Поршень
- Маховик
- Шатун
- Коленчатый вал
- Газ
- Внешний источник тепла
1) Цилиндр
В различных типах двигателей Стирлинга используется разное количество цилиндров:
- Цилиндр с горячей стенкой: Этот цилиндр соединен с внешним источником тепла. Этот источник тепла подводит тепло к газу в цилиндре, в результате чего газ нагревается и расширяется.
- Баллон с холодной стенкой: Основной задачей холода является преобразование горячего газа в холодный. Этот цилиндр имеет охлаждающее устройство, которое отводит тепло от горячего газа, чтобы этот газ можно было использовать снова.
- Холодный конец: Холодный конец имеет охлаждающее устройство, которое преобразует горячий газ в холодный.
- Горячий конец: Горячий конец соединяется с источником нагрева, который передает тепло газу внутри цилиндра.
2) Поршень
Поршень — это устройство, которое совершает возвратно-поступательное движение от холодного цилиндра к горячему и наоборот. Поршень отвечает за передачу конечной выходной мощности в двигатель, чтобы он мог двигать автомобиль.
- Силовой поршень: Это поршень меньшего размера, расположенный в двигателе Этот поршень имеет плотное уплотнение, которое сжимает холодный газ в холодном цилиндре.
- Поршень разделителя: Это большой поршень. Он представляет собой поршень, свободно установленный в цилиндре. Поршень вытеснителя перемещает газ из холодного цилиндра в горячий цилиндр и наоборот.
- Двигатель типа бета имеет два поршня (т.е. поршень вытеснителя и силовой поршень).
- Двигатель типа альфа также имеет два поршня, но оба поршня силовые.
- Двигатель типа гамма имеет два поршня (т.е. поршень мощности и поршень вытеснителя), которые соединены с двумя различными цилиндрами (горячим и холодным).
3) Газ
- В случае альфа-типа, во-первых, газ задерживается в горячем цилиндре. Когда внешний источник тепла подводит тепло к газу, он начинает расширяться. Вследствие расширения газа поршень движется вверх и перемещает газ из горячего цилиндра в холодный.
- В случае бета-двигателя Стирлинга вытеснитель перемещает газ из горячего цилиндра в холодный и из холодного цилиндра в горячий.
4) Внешний источник тепла
Источник, используемый для передачи тепла к горячему концу цилиндра (Beta SE) или горячей стенке цилиндра (Alpha SE), известен как внешний источник тепла.
Когда источник тепла подводит тепло к горячему газу в цилиндре, потенциальная энергия газа начинает увеличиваться, в результате чего он расширяется. Это расширение перемещает поршень внутри цилиндра.
5) Система охлаждения
Двигатель Стирлинга имеет систему охлаждения, соединенную с холодным цилиндром (двигатель типа Бета) или холодным концом цилиндра (тип Альфа).
Цель системы охлаждения — отвести тепло от горячего газа и преобразовать его в холодную форму, чтобы поршень мог легко его сжать.
6) Коленчатый вал
- Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное и передает его на маховик.
- Коленчатый вал соединяется с поршнем посредством шатуна.
7) Маховик
Маховик связан с коленчатым валом. Он получает механическую энергию (вращательное движение) от коленчатого вала и накапливает ее для дальнейшей передачи.
Что такое КПД двигателя Стирлинга?
КПД двигателя Стирлинга очень сильно зависит от разницы температур между горячим и холодным цилиндром. Чем меньше разница температур между холодным и горячим цилиндром, тем ниже КПД двигателя. Двигатель Стирлинга может достигать эффективности преобразования энергии до 40% при использовании солнечной энергии.
Как повысить эффективность двигателя Стирлинга
- Увеличить мощность на первом этапе: На первом этапе цикла давление, создаваемое горячим газом, толкает поршень для совершения работы. Если давление на этом этапе будет выше, то и выходная мощность двигателя будет выше. Одним из методов повышения этого давления является повышение температуры газа.
- Снижение потребляемой мощности на 3-й стадии: На 3-й стадии цикла Стирлинга поршень сжимает газ, используя часть энергии, полученной на 1-й стадии Снижение давления на 3-й стадии цикла может уменьшить мощность, потребляемую на этой стадии цикла (это может эффективно увеличить мощность двигателя). Другой метод снижения давления — это снижение температуры газа путем его охлаждения.
- Создайте большую разницу температур: Большая температура между горячим и холодным цилиндрами помогает увеличить эффективность двигателя Стирлинга.
Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга имеет следующие преимущества и недостатки:
Преимущества двигателей Стирлинга
- Эти типы двигателей внешнего сгорания обладают высокой гибкостью.
- Двигатели Стирлинга быстро запускаются и более эффективны в холодную погоду.
- Поршень этого двигателя не требует взрыва для движения.
- Они работают бесшумно.
- Эти двигатели могут использовать любые доступные источники тепла, такие как биологические, геотермальные и ядерные источники.
- Они отличаются простотой обслуживания и высокой универсальностью топлива.
Недостатки двигателей Стирлинга
- Эти двигатели имеют сложную конструкцию.
- Они требуют дополнительного внешнего источника тепла для нагрева рабочей жидкости (газа).
- Это дорогие двигатели.
- Двигатели Стирлинга имеют большой вес из-за дополнительного источника тепла.
- У них очень объемные теплообменники.
- Они не могут быстро запускаться и эффективно работать в жаркую погоду.
Применение двигателей Стирлинга
- Двигатель Стирлинга — это оборудование для преобразования энергии, которое может использоваться как тепловой насос, холодильный двигатель, первичный двигатель.
- Эти двигатели используются на водонасосных станциях.
- Двигатель Стирлинга также используется для производства солнечной энергии.
- Двигатели Стирлинга используются в морской технике, например, на подводных лодках.
- Они используются на атомных электростанциях.
- Эти двигатели используются для самолетов.
Разница между двигателем Стирлинга и двигателем внутреннего сгорания
Ниже приведены основные различия между двигателем Стирлинга и двигателем внутреннего сгорания:
Раздел часто задаваемых вопросов
Почему двигатели Стирлинга не используются?
Во всем мире максимальное количество электроэнергии вырабатывается с помощью паровых турбин. Это связано с тем, что паровые турбины обладают высокой гибкостью и могут работать, используя различные источники тепла, например, тепло от ядерного реактора, биомассы или угля.
Двигатели Стирлинга редко используются для выработки электроэнергии. Это связано с тем, что для их теплообменников требуются очень экзотические сплавы. Теоретически, эти двигатели имеют высокую эффективность, но у них высокая стоимость и большие размеры. Когда речь идет о выработке электроэнергии, двигатели Стирлинга не могут сравниться с турбинами по долгосрочной эффективности, производительности и надежности. По этим причинам двигатели Стирлинга не пользуются популярностью.
Каким типом двигателя является двигатель Стирлинга?
Двигатель, использующий цикл Стирлинга, известен как двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга имеет дополнительный внешний источник тепла для нагрева рабочей жидкости (газа).
Почему двигатели Стирлинга не являются более распространенными?
- Они имеют большие размеры.
- У них высокая стоимость.
- Этим двигателям требуются сложные теплообменники.
Для чего используется двигатель Стирлинга?
- Он может использоваться в качестве теплового насоса.
- Может использоваться в качестве холодильного двигателя.
- Используется в самолетах.
- Используется в атомных электростанциях.
Кто изобрел двигатель Стирлинга?
В 1816 году Роберт Стирлинг изобрел двигатель Стирлинга.
По какому циклу работает двигатель Стирлинга?
Двигатель Стирлинга работает по циклу Стирлинга.
Читать далее
- Различные типы двигателей внутреннего сгорания?
- Как работает двигатель Карно?
- Как работает бензиновый двигатель?
28 мыслей о «Двигатель Стирлинга | Как работает двигатель Стирлинга?»
Я согласен со всеми идеями, которые вы изложили в своем посте. Они действительно убедительны и, безусловно, будут работать. Тем не менее, для начала посты очень короткие. Не могли бы вы в следующий раз немного расширить их? Спасибо за пост.
Спасибо за ваше мнение. Я постараюсь расширить их.
Добрый день! Я мог бы поклясться, что был на этом сайте раньше, но после просмотра некоторых постов я понял, что он новый для меня. Тем не менее, я определенно рад, что нашел его, и я буду добавлять его в закладки и часто заглядывать сюда!
