Воздушная машина преподобного стирлинга: кседьмому небу

Воздушная машина преподобного стирлинга: кседьмому небу
    Двигатель Стирлинга может стать красивым украшением рабочего стола
    Достаточно зажечь спиртовку, и он практически очень тихо, с легким шелестом, раскручивается до рабочих оборотов

Юный пастор отличался незаурядным инженерным талантом. На протяжении учебы в университете Роберт трудился над альтернативой паровой машине. Легенда гласит, что его целью было уменьшить риск для рабочих: паровые машины довольно часто взрывались из-за низкого качества подробностей. Спустя семь дней по окончании назначения в Килмарнок Роберт подал заявку на получение патента на «Устройство для экономии тепла».

Как раз оно послужило сердцем автомобили, прославившей имя Стирлинга.

Не смотря на то, что сила пара была известна уже более ста лет, теория тепловых автомобилей была в зачаточном состоянии. Только в первой половине 20-ых годов XIX века Сади Карно опубликовал собственный известный труд «Размышления о движущей силе огня и о автомобилях, талантливых развивать эту силу», где сделал два ответственных вывода: во-первых, движущая сила автомобилей появляется не из поглощенного тепла, а из перекачанного от тёплого тела к холодному, а во-вторых, мощность автомобилей растет с повышением отличия температуры между горячим и холодным телами.Эти выводы в форме второго начала термодинамики сильно повлияли на конструкцию тепловых автомобилей.

Но в 1818 году, в то время, когда совместно со своим другом Томасом Мортоном и младшим братом Джеймсом Стирлинг выстроил для откачки воды из каменоломни первую машину, трудящуюся без пара (с воздухом в качестве рабочего тела), работ Карно еще не существовало. Однако Стирлинг совсем интуитивно выстроил двигатель практически с максимальной термодинамической эффективностью!

В отличие от цикла Карно, рабочий цикл автомобили Стирлинга складывается из двух изотерм (линий постоянной температуры) и двух изохор (линий постоянного количества). В координатах T-S (температура-энтропия) он выглядит вовсе не прямоугольным. Тогда каким же образом удается достигнуть теоретического максимума эффективности?

Все дело в том самом запатентованном «Устройстве для экономии тепла», либо, как его принято именовать в современной технике, регенераторе.

Машина Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, в нем нет клапанов, а рабочее тело остается газообразным и циркулирует в замкнутом количестве. Он может действующий при малой разнице температур от любого источника тепла — от газовых горелок до солнечных концентраторов а также тепла рук (последнее обожают демонстрировать учители физики на протяжении лекций по термодинамике).

Конструкция автомобилей несложна, газ находится в под низким давлением, исходя из этого они более надёжны, чем паровые машины. При низких температурах двигатель Стирлинга кроме того более действен (в отличие от ДВС, двигателя внутреннего сгорания). И он практически бесшумен, что возможно критично в некоторых случаях (к примеру, при перемещении субмарин в подводном состоянии).

Имеется у этих двигателей и недочёты. Во-первых, кроме того при большом теоретическом и практическом КПД для реализации громадной мощности двигатель обязан рассеивать много тепла, а это ведет к появлению и увеличению размеров громоздких радиаторов охлаждения. Для повышения мощности приходится увеличивать давление рабочего и разницу температур тела, а это усложняет конструкцию.

В отличие от ДВС, он не имеет возможности «стартовать» сходу — для начала работы ему нужно достигнуть достаточной отличия температур между тёплой и холодной частями. Но, это характерно для всех типов двигателей внешнего сгорания, а «стирлинг» стартует все же значительно стремительнее, чем, скажем, паровая машина. Мощность трудящегося двигателя Стирлинга очень непросто оперативно поменять, разве что добавлением рабочего тела (такие ответы существуют, но приводят к усложнению конструкции).

Кстати, воздушное пространство далеко не самое действенное рабочее тело. Водород благодаря собственной высокой теплопроводности, низкой вязкости и теплоёмкости значительно более действен, но он имеет тенденцию просачиваться через уплотнители и к тому же огнеопасен (кроме этого частенько в качестве рабочего тела применяют гелий).

Так, в случае если нам не требуется довольно часто запускать и останавливать машину, и поменять ее мощность и наряду с этим у нас имеется источник тепла, неограниченный размер и хорошее охлаждение — вряд ли существует что-то более подходящее, чем двигатель Стирлинга.

При жизни изобретателя двигатель не через чур удачно пробовал соперничать с паровыми машинами. Один из двигателей мощностью в полсотни лошадиных сил с КПД около 10% (что превышало подобный показатель паровых автомобилей), выстроенный Робертом и его младшим братом Джеймсом, пара лет проработал в литейном цехе в Данди в середине 1840-х.

После этого тёплый цилиндр лопнул: тогда не существовало жаропрочных сталей, исходя из этого создать качественные и долговечные подробности автомобилей из мягкого железа было проблематично. Но, то же самое относилось и к паровым машинам. Быть может, исходя из этого Роберт Стирлинг в одном из собственных писем 1876 года очень отмечал важность изобретения Генри Бессемера — процесса, что разрешал приобретать не мягкое железо, а жёсткую и прочную сталь, делающую паровые машины намного более надёжными.

Стирлинг высказывал надежду, что сталь даст новую судьбу и его «автомобилям на воздухе». Но заметить этого он уже опоздал — 6 июня 1878 года изобретатель погиб в шотландском городе Галстон в Восточном Айршире.

В начале XX века на сцену вышли двигатели внутреннего сгорания, и автомобили Стирлинга, казалось бы, окончательно остались в истории. Но в 1950-х к ним снова появился интерес благодаря голландской компании Philips, создавшей на базе конструкции Стирлинга действенную криогенную машину (двигатель Стирлинга может трудиться как тепловой насос, преобразовывая механическую работу и перекачивая тепло от одного тела к второму).

на данный момент и двигатели, и холодильные автомобили Стирлинга, реализованные на современном уровне, выпускаются многими большими компаниями. Они разрешают применять любое горючее (и по большому счету каждые источники тепла) и наряду с этим более действенны (КПД может быть около практически 40−45%) и намного более экологичны, негромки и надежны, чем ДВС.

Альфа, бета, гамма

    Как трудится двигатель Стирлинга (альфа-тип): один из цилиндров всегда подогревается, а второй охлаждается

Двигатели Стирлинга по конструкции делятся на три типа. У альфа-типа имеется два цилиндра, тёплый и холодный, между которыми расположен регенератор. У двигателя бета-типа цилиндр всего один, тёплый с одного финиша и холодный с другого.

В цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и вытеснитель, изменяющий количество тёплой полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в тёплую через регенератор. У гамма-типа также имеется вытеснитель и поршень, но наряду с этим два цилиндра — один холодный (в том месте движется поршень, с которого снимается мощность), а второй тёплый с одного финиша и холодный с другого (в том месте движется вытеснитель).

Регенератор соединяет тёплую часть второго цилиндра с холодной и в один момент с первым (холодным) цилиндром.

КПД тепловых автомобилей

    Диаграмма T-S (температура-энтропия) термодинамических циклов

Работа любой тепловой автомобили идет по определенному замкнутому термодинамическому циклу, складывающемуся из четырех процессов: сжатия, подвода тепла, отвода и расширения тепла. Любой процесс возможно: адиабатическим (изоэнтропическим) — без теплообмена с окружающей средой; изотермическим — при постоянной температуре; изохорным (изометрическим) — при постоянном количестве; изобарическим — при постоянном давлении.

Зная термодинамический цикл двигателя, возможно подсчитать его большой теоретический КПД не учитывая трения и других потерь. Среди всех циклов максимальный КПД имеет цикл Карно, складывающийся из двух адиабат и двух изотерм, и цикл Стирлинга из двух изотерм и двух изохор (их теоретические эффективности в совершенном случае равны).

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№53, март 2007).

🌑 ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСТВА ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Игорь Белецкий


Темы которые будут Вам интересны: