Двигун зовнішнього згорання - двигун Стірлінга

Двигуни зовнішнього згорання — клас двигунів, де джерело тепла чи процес згоряння палива відділені від робочого тіла.

До цього класу відносяться парові машини, парові турбіни, двигуни Стірлінга, газові турбіни зовнішнього згоряння, а також інші типи двигунів.

Довгий час були невиправдано забуті, останнім часом знаходять усе більше застосування, в основному через такі свої особливості як можливість використання будь-яких джерел тепла (наприклад, сонячної чи ядерної енергії), невимогливість до виду паливу і низькій токсичності вихлопних газів (при використанні органічного палива).

Двигун Стірлінга — теплова машина, що працює не тільки від спалювання палива, але від будь-якого джерела тепла, наприклад — сонячних променів. Відноситься до двигунів зовнішнього згоряння. Двигун Стірлінга був уперше запатентований шотландським священиком Робертом Стірлінгом 27 вересня 1816 року. Однак перші елементарні «двигуни гарячого повітря» були відомі ще наприкінці 17-го століття, задовго до Стірлінга. Досягненням Стірлінга є додавання очисника який він назвав «економ». У сучасній науковій літературі, цей очисник називається «регенератор» (теплообмінник). Він збільшує продуктивність двигуна утримуючи тепло в теплій частині двигуна в той час як повітря прохолоджується. Цей процес набагато підвищує ефективність системи. У 1843 році Джеймс Стірлінг використовував цей двигун на заводі, де він працював інженером. У 1938 році фірма «Філліпс» інвестувала в мотор Стірлінга, потужністю більш двохсот кінських сил і віддачею більш 30%. Двигун Стірлінга має багато переваг і був сильно розповсюджений в епоху парових машин.

 

У XIX столітті інженери хотіли створити безпечну альтернативу паровим двигунам того часу, казани яких часто вибухали через високі тиски пари і невідповідних матеріалів їхньої структури. Гарна альтернатива паровим машинам з'явилася зі створенням двигуна Стірлінга, який може перетворювати в роботу будь-яку різницю температур. Основний принцип роботи двигуна Стірлінга полягає в постійному чергуванні нагрівання й охолодження газу в закритому циліндрі. Звичайно в ролі газу виступає повітря, але також використовуються водень і гелій. З термодинаміки відомо, що тиск, температура й обсяг газу взаємозалежні і діють за законом ідеальних газів:

 

Дія циклу Стірлінга

РV = nRT

де р — тиск газу

V — обсяг газу

n — кількість молів газу

R — універсальна газова константа

Т — температура газу в кельвінах

Тобто при нагріванні газу, його обсяг збільшується, а при охолодженні — зменшується. Це властивість газів лежить в основі роботи двигуна Стірлінга. Газ у закритому циліндрі використовує цикл Карно, який складається з чотирьох фаз, і розділений двома перехідними фазами: нагріванням, розширенням, перехідом до джерела холоду, охолодженням, стисканням і переходом до джерела тепла. У такий спосіб при переході від теплого джерела до холодного джерела, відбувається розширення і стискання газу, який знаходиться в циліндрі. Різницю обсягів газу можна перетворити в роботу, чим і займається двигун Стірлінга.

 

 

Інженери підрозділяють двигуни Стірлінга на три різних типи:

• Альфа Стірлінг містить два роздільних силових поршні в роздільних циліндрах. Один поршень - гарячий, інший - холодний. Циліндр із гарячим поршнем знаходиться в теплообміннику з більш високою температурою, у той час як циліндр із холодним поршнем знаходиться в більш холодному теплообміннику. У даного типу двигуна відношення потужності до обсягу досить велико, але на жаль в Альфа Стірлінга мається ряд технічних проблем викликаних високою температурою "гарячого" поршня і його ізоляції.

• Бета Стірлінг

• Гама Стірлінг

 

    

 Ключовим принципом двигуна Стірлінга є те, що незмінна кількість газу закрита усередині двигуна. Цикл Стірлінга містить у собі послідовність подій, що змінюють тиск газу усередині двигуна і приводять його в роботу. 

     Є кілька якостей газів, що важливі для роботи двигунів Стірлінга: 

• При наявності незмінної кількості газу в незмінному обсязі і збільшенні температури, тиск буде збільшуватися. 

• При збереженні незмінної кількості газу і зменшенні обсягу, у якому він укладений, температура газу буде зростати. 

Глянемо докладніше на кожну з частин циклу Стірлінга на прикладі спрощеного двигуна Стірлінга, що використовує два циліндри. Один циліндр нагрівається зовнішнім джерелом тепла (наприклад, вогнем), а другий прохолоджується, наприклад льодом. Циліндри заповнені газом і з'єднані один з одним, а їхні поршні механічно зв'язані за допомогою пристрою, що забезпечує визначений порядок їхнього руху. 

     У циклі Стірлінга чотири фази. Два поршні на вищенаведеній  схемі роблять усі частини цього циклу: 

1. Тепло, впливаючи на газ усередині циліндра, що нагрівається,(ліворуч), викликає збільшення тиску газу, що змушує поршень рухатися вниз. У цій частині циклу двигун Стірлінга робить роботу. 

2. Лівий поршень рухається нагору, а правий рухається вниз. При цьому газ перетікає в охолоджуваний (правий) циліндр і охолодження приводить до падіння тиску, завдяки чому буде простіше зжати газ у наступній частині циклу. 

3. Поршень правого, охолоджуваного циліндра починає стискати газ. При стиску виділяється тепло, що віддаляється через стінки охолоджуваного циліндра. 

4. Правий поршень рухається нагору, а лівий рухається вниз. Це приводить до переміщення газу в циліндр, що нагрівається, де він швидко розігрівається, тиск збільшується і цикл повторюється. 

     Двигун Стірлінга робить роботу під час першої частини циклу. Є два основних шляхи збільшити потужність циклу Стірлінга: 

• Збільшити вихід потужності на першому кроці - у першій частині циклу тиск газу, що нагрівається, на поршень здійснює роботу. Збільшення тиску в цій фазі циклу збільшить чинену двигуном роботу. Один зі шляхів збільшення тиску складається в збільшенні температури газу. Пізніше в цій статті на прикладі двухпоршневої машини Стірлінга ми побачимо також, як пристрій, називаний регенератором (regenerator) може підвищити потужність двигуна шляхом тимчасового збереження тепла. 

• Зменшити витрати на третьому кроці - у цій частині циклу поршні роблять роботу над газом, використовуючи частину енергії, зробленої в першій фазі циклу. Зменшення тиску на цьому кроці може скоротити обсяг затрачуваної енергії, тобто загальна віддача двигуна зросте. Одним зі шляхів зменшити тиск є охолодження газу до більш низьких температур. 

     Ми розглянули ідеальний цикл Стірлінга. У реальних машинах використовуються варіації цього циклу, що зв'язано з фізичними обмеженнями в їхніх конструкціях. У наступних двох частинах статті будуть розглянуті два різних типи конструкцій двигунів Стірлінга. Двигун з витіснювачем ймовірно відноситься до найбільш простиї для розуміння типам, так що ми почнемо з його. 

 

 

Замість використання двох поршнів, цей тип двигунів має один поршень і витіснювач. Витіснювач керує переміщенням газу між охолоджуваною і частинами двигуна, який нагрівається. Цей тип двигунів найчастіше використовують при демонстраціях.

 

Цей двигун може працювати навіть 

від тепла людської руки.

     Для роботи двигун потребує тільки різницю температур між верхньою і нижньою частинами великого циліндра. У цьому випадку тепла долоня знизу й охолодження повітрям зверху цілком достатньо. 

      

 

      На вищенаведеній схемі є два поршні: 

1. Робочий поршень - менший з поршнів у верхній частині двигуна. Цей поршень щільно прилягає до стінок циліндра і рухається, коли газ усередині розширюється, під його тиском. 

2. Витіснювач - більший з поршнів на схемі. Він вільно ходить у циліндрі, так що газ може легко переходити між охолоджуваною і частинами циліндра, що нагрівається, коли поршень рухається нагору і вниз. 

Витіснювач рухається нагору і вниз і в такий спосіб керує процесом чи нагрівання охолодження газу. У нього дві основних позиції: 

• Коли витіснювач поблизу верхньої частини більшого циліндра, основна частина газу нагрівається джерелом тепла і розширюється, роблячи тиск на малий поршень, що робить роботу, рухаючи нагору. 

• Коли витіснювач поблизу нижньої частини більшого циліндра, основна частина газу прохолоджується і тиск падає, а робочому поршню легшає рухатися вниз і стискати газ. 

Двигун повторює цикли нагрівання й охолодження газу, виділяючи енергію з розширення і стиску газу. 

     Тепер розглянемо двухпоршневий двигун Стірлінга. 

 

 

У цьому двигуні один циліндр нагрівається, наприклад полум'ям, а іншої прохолоджується повітрям, для чого на ньому є ребра, що збільшують площу охолоджуваної поверхні і прискорюють процес охолодження. Шатуни від кожного з поршнів йдуть до невеликого диска, розміщеному на одній осі з маховиком. Це дозволяє поршням рухатися в ході тих частин циклу Стірлінга, коли не виробляється робота.

Вогонь постійно нагріває нижній циліндр. 

1. У першій частині циклу зростаюче тиск газу змушує поршень рухатися вліво, роблячи роботу. Охолоджуваний поршень залишається майже нерухомим, тому що він знаходиться поблизу крапки зміни напрямку руху (мертвої крапки). 

2. На наступному етапі обидва поршні рухаються. Поршень у циліндрі, що нагрівається 

3. рухається вправо, а поршень в охолоджуваному рухається нагору. Цей рух змушує газ перетікати через регенератор усередину охолоджуваного циліндра. Регенератор тимчасово зберігає тепло, для цього використовується дротяна сітка, через которую тече газ, віддаючи їй своє тепло. Велика площа поверхні сітки швидко поглинає основну кількість тепла,а залишок легше може бути відведений за допомогою ребер охолодження від верхнього циліндра. 

4. Потім поршень в охолоджуваному циліндрі починає стискати газ. При цьому виділяється тепло, що поглинається охолодними ребрами циліндра. 

5. У заключній фазі циклу обидва поршні рухаються - охолоджений рухається вниз, а нагрітий вліво. При цьому газ проходить через регенератор у зворотному напрямку і віднімає від нього частина тепла, збереженого раніше, а потім попадає в циліндр, який нагрівається. Отут цикл починається знову. 

     Ймовірно хтось буде здивований тим, що двигуни Стірлінга практично не представлені на ринку. У наступній частині ми спробуємо розглянути деякі причини цього. 

 

 

Є декілька важливих характеристик, що роблять застосування двигунів Стірлінга непрактичним для багатьох застосувань, включаючи використання в автомобілях. 

     Те, що джерело тепла розташоване зовні, обумовлює повільне реагування двигуна на зміну теплового потоку, який підводиться до циліндра. Потрібен час на те, щоб стінка циліндра нагрілася сильніше або остудилася при зменшенні подачі тепла. А це означає що 

• Двигун повинен якийсь час розігріватися до того, як він зможе почати робити роботу. 

• Потужність двигуна не може швидко змінюватися. 

     Ці недоліки сильно утрудняють застосування двигуна Стірлінга там, де зараз використовуються двигуни внутрішнього згоряння. Однак застосування двигунів Стірлінга в гібридних автомобілях цілком можливо.