Електронний зошит

13:10 |

Двигун Стирлінга

Двигун Стирлінга - це теплова машина, в якій рідке або газоподібне робоче тіло рухається в замкнутому об'ємі. Основою двигуна є періодичне нагрівання та охолодження робочого тіла з витягом енергії зі зміни об'єму робочого тіла. Двигун Стирлінга є тепловою машиною, що працює не тільки від спалювання палива, але й від будь-якого джерела тепла, наприклад — сонячних променів. Він також відноситься до двигунів зовнішнього згоряння.

У XIX столітті інженери хотіли створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, казани яких часто вибухали через невідповідні матеріалів для їх побудови. Хорошою альтернативою паровим машинам стало створення двигунів Стирлінга, які могли перетворювати в роботу будь-яку різницю температур. Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійно чергуючих нагріванні та охолодженні робочого тіла в закритому циліндрі. Звичайно в ролі робочого тіла виступає повітря, але також використовуються водень і гелій.

Різновиди двигунів

Двигуни Стірлінга діляться на три різних типи:

· Альфа-Стирлінг — містить два силових поршні в роздільних циліндрах. Один поршень - гарячий, а інший - холодний. Циліндр із гарячим поршнем знаходиться в теплообміні з більш високою температурою, у той час як циліндр із холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміні. У даного типу двигуна відношення потужності до обсягу досить велике, але на жаль в Альфа Стирлінг має ряд технічних проблем, викликаних високою температурою "гарячого" поршня та його ізоляції.

· Бета-Стирлінг – містить всього один циліндр, гарячий з одного кінця і холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень і «витіснювач». Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути поєднаний з поршнем-витіснювачем.

· Гамма-Стирлінг – також містить поршень і «витіснювач», але при цьому два циліндра - один холодний (там рухається поршень), а другий гарячий з одного кінця і холодний з іншого (там рухається «витіснювач»). Регенератор може бути зовнішнім або внутрішнім.

Термодинаміка циклу Стирлінга. Принцип роботи.

З термодинаміки відомо, що тиск, температура і об'єм ідеального газу взаємозалежні і діють за законом PV=nRT. Це означає, що при нагріванні газу його об'єм збільшується, а при охолодженні - зменшується. Це властивість газів і лежить в основі роботи двигуна Стирлінга.

Цикл Стирлінга включає в себе 4 фази:

1. Зовнішнє джерело тепла нагріває газ в нижній частині теплообмінного циліндра. Створюваний тиск штовхає робочий поршень вгору.

2. Маховик штовхає витискувальний поршень вниз, тим самим переміщаючи розігрітий повітря з нижньої частини в охолоджуючу камеру.

3. Повітря охолоджується і стискається, а робочий поршень опускається вниз.

4. Витискувальний поршень піднімається вгору, тим самим переміщаючи охолоджене повітря в нижню частину. Згодом цикл повторюється.

У циклі Стирлінга при нагріванні чи охолодженні робочого тіла по ізохорі відбуваються втрати тепла, пов'язані з ізотермічними процесами в нагрівачі і охолоджувачі.

Крім робочого тіла, нагрівача і холодильника абстрактна машина Стирлінга містить ще регенератор - пристрій, що відводить тепло від робочого тіла на деяких етапах циклу, і котре надає це тепло робочому тілу на інших етапах. Ідеальний цикл Стирлінга складається з процесів:

•1-2 ізотермічне розширення робочого тіла з передачею тепла від нагрівача;

• 2-3 ізохоричне охолодження (тепло передається від робочого тіла до регенераторів);

• 3-4 ізотермічне стиснення робочого тіла з виділенням тепла для холодильника;

• 4-1 Ізохоричне нагрівання робочого тіла з передачею тепла від регенератора.

ККД

Ідеальний термодинамічний цикл Стирлінга має термічний ККД, що дорівнює ККД теоретичного циклу Карно. Але фактично забезпечити високий ККД двигуна Стирлінга можливо тільки за наявності ефективного регенератора.

У розрахунку на один моль робочого тіла тепло, підведене за цикл від нагрівача визначається виразом: $\,Q_{1-2}=R\,T_1\,ln(V_2/V_1)$

Тепло, відведене за цикл до холодильника:. $\,Q_{3-4}=R\,T_4\,ln(V_2/V_1)$

Тепло, що віддається в процесі 2-3 регенераторів і повертане від нього в процесі 4-1 можна розрахувати такою формулою: $\,Q_{2-3}=Q_{4-1}=C_V\,(T_1-T_4)$ . Це тепло зберігається в системі, будучи частиною її внутрішньої енергії, яка за цикл не змінюється. Регенератор, таким чином, дозволяє економити тепло, що витрачається нагрівачем за рахунок зменшення тепла, що відводиться до холодильника, і, тим самим, підвищити термодинамічну ефективність двигуна Стирлінга.

Термічний коефіцієнт корисної дії ідеального циклу Стірлінга дорівнює: $\eta=\frac {Q_{1-2}-Q_{3-4}} {Q_{1-2}}=\frac {T_1-T_4}{T_1}$ . Таким же виразом визначається термічний ККД циклу Карно.

Цикл, що подібний до циклу Стирлінга, але без регенератора, здійснимий, хоча і менш ефективний. У Ізохоричному процесі 2-3 такого циклу тепло відводиться від робочого тіла безпосередньо до холодильника, а в процесі 4-1 - підводиться від нагрівача. ККД такого циклу буде визначатися виразом: $\eta=\frac {Q_{1-2}-Q_{3-4}} {Q_{1-2}+Q_{4-1}}$ . При ненульовому $\,Q_{4-1}$ і при тих же значеннях $\,Q_{1-2}$ и $\,Q_{3-4}$ , що і в циклі з регенератором, даний вираз має меншу величину.

Пройдений у зворотному напрямку (4-3-2-1-4), цикл Стирлінга описує холодильну машину. При цьому напряму передачі тепла $\,Q_{4-3}$ , $\,Q_{3-2}$ , $\,Q_{2-1}$ и $\,Q_{1-4}$ змінюються на протилежні. Наявність регенератора є необхідною умовою здійснення холодильного циклу Стирлінга, оскільки відповідно до другого початку термодинаміки в ізохоричному процесі (3-2) неможливо нагріти робоче тіло від холодильника, що має більш низьку температуру, або передати тепло в процесі (1-4) від робочого тіла нагрівача, що має більш високу температуру.

Переваги

Двигун Стирлінга може працювати майже при будь-яких перепадах температур.
Конструкція двигуна дуже проста, він не вимагає додаткових систем. Двигун запускається самостійно.
Економічність двигуна.
Безшумність двигуна .
Екологічність двигуна, що обумовлена екологічністю джерел тепла.
Коефіцієнт корисної дії двигуна залежить лише від різниці температур нагрівача і холодильника
Безпечність двигунів, оскільки вони не є вибухонебезпечними.

Недоліки

Громіздкість - основний недолік двигуна. Оскільки робоче тіло необхідно охолоджувати, потрібно використовувати збільшені радіатори.
Для отримання високого ККД, необхідно застосовувати високі тиски та спеціальні робочі тіла, такі як Водень чи Гелій.
Тепло підводиться не до робочого тіла, а лише через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється низьким.
Для швидкої зміни потужності двигуна потрібно змінювати середній тиск робочого тіла, змінювати фазовий кута між робочим поршнем та витіснювачем.
Двигун повинен певний час розігріватися до того, як він зможе почати роботу.
Потужність двигуна не може швидко змінюватися.

Застосування

Застосування двигунів Стирлінга для перетворення сонячного тепла в електричну енергію
Двигуни Стирлінга використовують як універсальні джерела енергії, що можуть працювати від будь-якого джерела теплоти
Спеціально розроблений генератор Стирлінга буде використаний в космічної експедиції NASA
Виготовлення насосів за допомогою двигунів Стирлінга
Двигуни Стирлінга використовують у виготовленні холодильних машин, що використовують для досягнення наднизьких температур
Застосування двигунів Стирлінга як електрогенератори для підводних човнів