Краткий обзор модели двигателя Стирлинга

Пару дней назад я получил долгожданную посылку. Посылка шла около 50 дней.
В посылке содержался двигатель Стирлинга, о котором я расскажу.

I. Кто такой Стирлинг? (Wiki)

Роберт Стирлинг, шотландский священник, который 27 сентября 1816 года запатентовал новую разновидность двигателя внешнего сгорания.

Исторически описывается, что Стирлинг был весьма обеспокоен травматизмом рабочих, работающих в его приходе с паровыми двигателями. Эти двигатели часто взрывались из-за низкого качества железа, из которого они изготавливались. Более прочного материала в те годы не существовало. Стирлинг решил усовершенствовать конструкцию воздушного двигателя в надежде на то, что такой двигатель будет более безопасным.

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.

В 1818 он построил первый практичный вариант своего двигателя и использовал его в насосе для
откачки воды из карьера.

В дальнейшем Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом, получил ещё несколько патентов на усовершенствование воздушного двигателя.

В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин. А в 1840 году Джеймс построил большой воздушный двигатель для привода всех механизмов в своей литейной компании.

Преимущества:

-«Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды 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 (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

-Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

-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.

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.

-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.

II. Принцип работы.

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счёт чего можно получить полезную работу.

Гамма-Стирлинг — 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 может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

III. Внешний обзор устройства.

1. Что было в посылке:

-коробка

-устройство

-буклет с различными модификациями двигателя Стирлинга и краткая инструкция

-запасные части и аксессуары (стекла, бочек для топлива, ёмкость для топлива, фитиль, 2 шестигранных ключа, деталь поршня)

2. Само устройство:

Резмеры: 180мм X 90мм X 90мм
Вес: 330грамм

В модели, что я заказал, установлен генератор с 4-мя светодиодами.

Качество сборки и материалов приятно удивило.

Согласно заявленным данным, скорость оборотов устройства составляют 1300 — 1500 в сек.

IV. Запуск.

Для запуска необходимо подготовить источник тепла.
Из-за того, что в моей модели встроенный генератор, который создает нагрузку на систему, работать от простой свечи он не смог.

Отключив генератор, стирлинг с легкостью завелся и стабильно работал.

Для того, чтобы всё полноценно работало, приходится использовать такое топливо как для зажигалок zippo (меньше неприятного запаха, если запускать дома).

Комплектацией это было рассчитано и подготовлено для использования.

Устанавливаем источник тепла в подготовленное для этого место.
Ожидаем прогрева в течение 10-20 секунд, после этого пытается его раскрутить вращая "колесо".

Запустив двигатель он будет постепенно раскручиваться, скорость вращения будет зависеть от температуры источника тепла.

Далее, для доступности, представляю небольшой видеоролик, в котором я покажу запуск и работу данного двигателя (видео не подвергалось монтажу и редакции):

V. Вывод

На мой взгляд, практической пользы от данной модели нет. Исключительно эстетическое удовольствие.
В любое случае, устройство, несомненно, интересное и имеет место быть.

Спасибо за внимание!

P.S. Понимаю, что написанное мной может выглядеть несколько сумбурно и с пропущенными деталями, но суть этой статьи — кратко рассказать о том, что существует двигатель, который создал Роберт Стирлинг.

P.P.S. Мной была рассмотрена всего лишь одна из множества вариантов двигателей Стирлинга.