Двигатель Стирлинга. Двигатель внешнего сгорания стирлинга.

Несмотря на столь быстрый успех в распространении модели, в начале 20-го века от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались в пользу двигателя внутреннего сгорания по соображениям стоимости.

У какого двигателя Стирлинга лучшая конструкция с максимальным КПД

Современная автомобильная промышленность достигла той стадии развития, когда без фундаментальных научных исследований практически невозможно добиться кардинальных улучшений в конструкции обычных двигателей внутреннего сгорания. Это заставляет конструкторов рассматривать альтернативные концепции привода. Некоторые центры разработок направляют свои усилия на разработку и адаптацию гибридных и электрических моделей для серийного производства, в то время как другие автопроизводители инвестируют в разработку двигателей, работающих на возобновляемом топливе (например, на биодизеле с рапсовым маслом). Существуют и другие концепции привода, которые в будущем могут стать новым стандартным приводом для автомобилей.

Одним из возможных источников механической энергии для автомобилей будущего является двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине девятнадцатого века шотландцем Робертом Стирлингом как двигатель теплового расширения.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует подводимую извне тепловую энергию в полезную механическую работу путем изменения температуры рабочей жидкости (газа или жидкости), циркулирующей в замкнутом объеме.

В целом, устройство работает следующим образом: Рабочая жидкость (например, воздух) нагревается в нижней части двигателя и, увеличивая свой объем, толкает поршень вверх. Горячий воздух достигает верхней части двигателя, где охлаждается радиатором. Давление рабочей жидкости снижается, и поршень опускается для следующего цикла. Система герметична, рабочая жидкость не расходуется, а просто перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько концепций электростанций, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух отдельных движущих поршней (горячего и холодного), каждый в своем цилиндре. Тепло к цилиндру подводится горячим поршнем, а холодный цилиндр находится в охлаждающем змеевике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположной стороны. Приводной поршень и расширитель перемещаются в цилиндре для изменения объема рабочего газа. Обратное движение охлажденной рабочей жидкости в горячую полость двигателя осуществляется регенератором.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый — полностью холодный, в нем движется рабочий поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, используется для привода расширителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или встроенным в расширитель.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать на нескольких видах топлива: Двигатель приводится в действие разницей температур, независимо от причины этой разницы.

Интересный факт! Однажды был показан завод, работающий на двадцати различных видах топлива. Бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительные масла подавались во внешнюю камеру сгорания без остановки двигателя — электростанция продолжала работать непрерывно.

Двигатель имеет простую конструкцию и не требует дополнительных систем или компонентов (управляющие колеса, стартер, коробка передач).

Характеристики устройства гарантируют длительный срок службы: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга работает бесшумно, поскольку цилиндры не сжигаются, и выхлопным газам не нужно выходить наружу. Версия Beta, оснащенная поршневым кривошипно-шатунным механизмом, представляет собой идеально сбалансированную систему, которая не вибрирует во время работы.

В цилиндрах двигателя не происходит никаких процессов, которые могли бы оказать негативное воздействие на окружающую среду. Если выбрать подходящий источник тепла (например, солнечную энергию), Стирлинг может стать полностью экологически чистой электростанцией.

Для сравнения, лучшие коммерчески доступные фотоэлектрические элементы имеют КПД всего 24 %. Низкий уровень шума стал решающим фактором для использования двигателя Стирлинга в последней серии подводных лодок Японии и Швеции.

Содержание

Принцип работы всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что для расширения нагретого газа требуется больше механической работы, чем для сжатия холодного газа. Все, что необходимо для демонстрации этого, — бутылка и две емкости с горячей и холодной водой. Бутылку сначала погружают в холодную воду, а когда воздух в ней остынет, горлышко закупоривают пробкой и быстро опускают в горячую воду. Через несколько секунд раздается звук хлопка, и нагретый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Затем колбу можно снова поместить в холодную воду — цикл повторяется. Цилиндры, поршни и сложные рычаги первого двигателя Стирлинга воспроизводили этот процесс почти в точности, пока изобретатель не понял, что часть тепла, извлекаемого из газа при охлаждении, можно использовать для частичного нагрева газа. Все, что было необходимо, — это некий контейнер, в котором можно было бы хранить тепло, извлеченное из газа при охлаждении, и возвращать его при нагревании. Однако, к сожалению, даже это важное усовершенствование не смогло спасти двигатель Стирлинга. К 1885 году результаты были скромными: КПД 5-7 %, 2 лошадиные силы, 4 тонны веса и 21 кубический метр объема. Даже успех другого проекта шведского инженера Эриксона не смог спасти двигатели внутреннего сгорания. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ при постоянном давлении, а не при постоянном объеме. К 1887 году несколько тысяч небольших машин Эриксона прекрасно работали в типографиях, домашних хозяйствах, на шахтах и кораблях. Они наполняли резервуары для воды и приводили в действие лифты. Эриксон даже пытался приспособить их для управления повозками, но они оказались слишком тяжелыми. Большое количество таких двигателей производилось в России до революции под названием «Тепло и сила». Однако попытка увеличить мощность до 250 л.с. полностью провалилась. Двигатель с диаметром цилиндра 4,2 метра выдавал менее 100 л.с., топки сгорели, а судно, на котором были установлены двигатели, было потеряно. Инженеры распрощались с этими слабыми двигателями, как только появились мощные, компактные и легкие бензиновые и дизельные двигатели. И вдруг, в 1960 году, почти 80 лет спустя, люди заговорили о «Стирлингах» и «Эриксонах» (будем называть их условно по аналогии с дизелями) как о серьезных конкурентах двигателей внутреннего сгорания. Эти дискуссии не прекращаются и по сей день. Чем же объясняется такое резкое изменение мировоззрения?

Когда слышишь о возрождении старой технической идеи в современной технологии, сразу возникает вопрос: что до сих пор мешало ее реализации? Что было проблемой, препятствием, без которого он не мог найти дорогу к жизни? Почти всегда оказывается, что старая идея возродилась благодаря новому техническому приему, новому дизайну, о котором не подумал предшественник, или новому материалу. Двигатель внутреннего сгорания можно считать редким исключением. Теоретические расчеты показывают, что КПД двигателей Стирлинга и Эриксона может достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. Это означает, что неудачи их предшественников обусловлены вторичными, в основном устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, тщательное изучение характеристик каждого компонента, а также тщательная обработка и доработка каждого компонента позволили реализовать преимущества цикла. Первые прототипы уже работали с эффективностью 39%! (КПД бензиновых и дизельных двигателей, используемых в течение многих лет, составлял 28-30 и 32-35% соответственно). Какие возможности «исследовали» в свое время Стирлинг и Эрикссон: тот же бак, в котором тепло попеременно накапливается и отдается. Рассчитать регенератор в то время было просто невозможно: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры были определены расчетным путем, а расчеты показали, что эффективность двигателей внешнего сгорания во многом зависит от качества регенератора. Правда, его низкая производительность может быть в некоторой степени компенсирована за счет увеличения давления. Второй причиной неудачи было то, что первые устройства работали на воздухе при атмосферном давлении: Они были огромного размера и имели низкую производительность. Сегодня, увеличив эффективность регенератора до 98% и заполнив замкнутый контур водородом или гелием, сжатым до 100 атмосфер, инженеры смогли повысить экономичность и эффективность двигателя Стирлинга, который даже в таком виде был эффективнее двигателей внутреннего сгорания. Одного этого было бы достаточно, чтобы говорить о внедрении двигателей внутреннего сгорания в автомобили. Однако преимущества этих регенерированных автомобилей не ограничиваются их высокой эффективностью.

Как работает Стирлинг

Схематическое изображение двигателя внешнего сгорания: 1 — инжектор; 2 — выхлопная труба; 3 — воздухонагреватель; 4 — нагреватель воздуха; 5 — горячие газы; 6 — камера горячего цилиндра; 7 — регенератор; 8 — цилиндр; 9 — стороны охлаждения; 10 — холодная камера; 11 — рабочий поршень; 12 — толкатель; 13 — шатун рабочего поршня; 14 — синхронизирующая передача; 15 — камера сгорания, 16 — трубы отопления; 17 — горячий воздух; 18 — поршень эжектора; 19 — воздушный резервуар; 20 — подача охлаждающей воды; 21 — прокладка; 22 — объем буфера; 23 — прокладка, 24 — плунжер поршня; 25 — плунжер эжектора; 26 — ярмо эжектора; 27 — палец ярма эжектора; 28 — шатун эжектора; 29 — ярмо эжектора; 30 — коленчатый вал. Красный фон — контур отопления; пунктирный фон — контур охлаждения.

В современной конструкции системы Стирлинга с жидкостным топливом имеется три контура, между которыми существует только тепловой контакт. Это контур рабочей жидкости (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Основная цель нагревательного контура — поддержание высокой температуры в верхней части рабочего контура. Охлаждающий контур поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Контур самого рабочего органа замкнут. Схема рабочего тела. В цилиндре 8 перемещаются два поршня — рабочий поршень 11 и разгрузочный поршень 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочей среды, его движение вниз вызвано расширением газа и связано с выделением полезной работы. Движение вверх расширительного поршня заставляет газ опускаться в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Его движение вниз соответствует нагреванию газа. Поршневой привод 12 перемещает поршни в соответствии с четырьмя стадиями цикла (стадия I — охлаждение рабочей жидкости). Поршень расширителя 18 движется вверх и сжимает рабочую жидкость, проходя через регенератор 7, где сохраняется тепло нагретого газа, в нижнюю, охлажденную часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в NFT. Цикл II — сжатие рабочего поршня. Энергия, запасенная в буферном объеме 22 сжатого газа, сообщает движение вверх рабочему поршню 11, сопровождающееся сжатием охлажденного рабочего тела. Цикл III — Нагрев рабочего тела. Выталкивающий поршень 18, расположенный в непосредственной близости от рабочего поршня 11, выталкивает газ через регенератор 7 в горячую камеру, где тепло, накопленное при охлаждении, отдается обратно в газ. Рабочий контур IV — расширение рабочего органа. Газ нагревается в горячем пространстве, расширяется и совершает полезную работу. Часть его хранится в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя. Отопительный контур. Воздух подается вентилятором на воздухозаборник 19, проходит через нагревательные элементы 3, нагревается и поступает к топливным форсункам. Образующиеся горячие газы нагревают печные трубы 16 рабочего органа, обтекают нагревательные элементы 3 и передают свое тепло воздуху, который служит для сжигания топлива и выбрасывается в атмосферу через выходной патрубок 2. Охлаждающий контур: Вода направляется через форсунки 20 в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра радиатора 9, непрерывно охлаждает их.

«Стирлинги» вместо ДВС

Первые испытания, проведенные полвека назад, показали, что Стирлинг почти полностью бесшумен. У него нет карбюратора, нет инжекторов высокого давления, нет системы зажигания, нет клапанов и свечей зажигания. Давление в цилиндре повышается примерно до 200 атм, но взрыв происходит плавно, а не как в двигателе внутреннего сгорания. Глушители в двигателе не требуются. Поршневой роторный двигатель полностью сбалансирован. Нет ни вибраций, ни дребезжания. Это означает, что, даже положив руку на двигатель, вы не всегда сможете определить, работает он или нет. Эти характеристики автомобильного двигателя особенно важны, поскольку в больших городах остро стоит проблема снижения уровня шума. Еще одной особенностью является то, что он «всеяден». Фактически, нет такого источника тепла, который не подходил бы для двигателя стиля. Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, соломе, угле, парафине, ядерном топливе и даже на солнечном свете. Он может работать за счет тепла, накопленного в расплавленной соли или оксиде. Например, расплав 7 литров оксида алюминия заменит 1 литр бензина. Такая гибкость не только всегда сможет помочь водителю, попавшему в беду. Это решит насущную проблему задымленности городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и позволяет соли в баке растаять. В черте города топливо не сжигается: Двигатель работает на расплаве. А сцена? Чтобы уменьшить мощность, просто подайте нужное количество газа из замкнутого контура в стальной цилиндр двигателя. Автоматическая система немедленно уменьшает подачу топлива, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения эффективности газ вытесняется из цилиндра обратно в контур. Помимо стоимости и веса, двигатель Стирлинга все еще уступает двигателям внутреннего сгорания. У них 5 кг на 1 л.с., что намного больше, чем у бензиновых и дизельных двигателей. Однако не стоит забывать, что это первые модели и они еще не достигли высшего уровня совершенства. Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях стерлингу требуется меньшее давление. Это значительное преимущество. Если окажется, что у них есть и производственные преимущества, они могут стать сильнейшим конкурентом двигателя внутреннего сгорания в автомобильной промышленности. Никаких турбин.

Серьезная работа над двигателем внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Было предложено несколько вариантов конструкции двигателя Стирлинга. Существуют конструкции двигателей с откидывающимся ободом для регулировки хода поршня, выдан патент на двигатель с кольцевым поршнем, в котором одна часть ротора используется для сжатия, а другая — для расширения, а тепло подводится и отводится по каналам, соединяющим полости. Максимальное давление в цилиндрах каждого образца достигает 220 кг/см2, а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кг/см2 и более. Производительность была увеличена до 150 г/ч. Наибольшего прогресса добилась компания General Motors, которая в 1970-х годах создала V-твин с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Он имеет рабочий цилиндр и цилиндр сжатия. В рабочем цилиндре находится только рабочий поршень, а выталкивающий поршень размещен в цилиндре сжатия. Подогреватель, регенератор и охладитель расположены между цилиндрами. Угол фазы, т.е. угол отставания одного цилиндра от другого, в этом «Стирлинге» составляет 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвой точке). Фазовый сдвиг в движении поршней достигается за счет расположения цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «Стирлинг». Но по балансировке он уступает поршневому кривошипно-шатунному двигателю. Чтобы полностью уравновесить инерционные силы в V-образном двигателе, количество цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Двигатель Стирлинга преобразует подводимую извне тепловую энергию в полезную механическую работу путем изменения температуры рабочей жидкости (газа или жидкости), циркулирующей в замкнутом объеме.

Виды двигателей

Существует несколько типов двигателей Стирлинга с различными конструкциями:

Конструкция каждого типа двигателя подробно описана ниже.

Альфа

Конструктивно он состоит из двух цилиндров. На одном из цилиндров установлен радиатор. Другой конец этого цилиндра нагревается. В каждой рабочей камере находится отдельный поршень. Мощность передается от поршневой группы через коленчатый вал. Коленчатый вал, поршень и расширитель соединены шарнирно.

В конструкции имеется внутренняя камера. Он нагревается и охлаждается одновременно. Один конец внутренней камеры нагревается, а другой охлаждается. Изменение давления воздуха или газа в рабочей камере вызывает движение поршня.

Гамма

Разница заключается в двух отдельных рабочих цилиндрах. Одна рабочая камера постоянно обогревается. В нем установлен радиатор охлаждения. Вторая камера постоянно охлаждается.

Роторный двигатель Стирлинга

Он характеризуется отсутствием кривошипно-шатунного механизма. Это уменьшает размер и вес устройства. Роторный двигатель предназначен для улучшения герметичности рабочей камеры.

Двигатель преобразует энергию, полученную от источника тепла, в механическую мощность. Рабочая камера содержит воздух или газ. Часть рабочей камеры оснащена теплоотводом или водяной рубашкой. Это необходимо для охлаждения воздушной массы в полости цилиндра. Другая часть нагревается.

СОВЕТ: Для нормальной работы устройства подходит любое жидкое, твердое или газообразное топливо.

Работа двигателя осуществляется следующим образом:

• Высокая температура воздуха в полости нагревает ее и увеличивает объем. Увеличение объема воздействует на поршень и смещает его в верхнюю мертвую точку,
• Под воздействием радиатора или рубашки охлаждения воздушная масса охлаждается. Поршень движется в обратном направлении. Затем цикл повторяется.

Воздух в рабочей камере нагревается и охлаждается расширителем. Он перемещает воздушную массу из горячей части цилиндра в холодную и наоборот. Расширитель занимает большую часть объема рабочей камеры.

Область применения

Для производства можно использовать двигатели Стирлинга, приводимые в действие внешним источником тепла:

• Генераторы. Устройство можно использовать для преобразования тепловой энергии в электрическую. Это очень практично в местах, где электроснабжение нерегулярно или отсутствует,
• насосы для перемещения различных жидкостей,
• системы кондиционирования воздуха,
• транспортных средств и самоходных машин.

Простота конструкции позволяет использовать силовые агрегаты для транспортных средств и различных устройств. Работа на любом топливе позволяет использовать такие двигатели в местах, где электроснабжение нерегулярно или отсутствует вовсе.

Корпус выполнен из металла или пластика. Можно использовать стальную и медную проволоку, прутья, трубы и т.д. Нижняя часть емкости прочно соединена с корпусом печи. Это делается путем приклеивания или приваривания к поверхности. Верхняя часть втулки шарнирно соединена с коленчатым валом.

Как работает двигатель Стирлинга по типу «вытеснитель»?

Подобно паровому двигателю или двигателю внутреннего сгорания в автомобиле, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую (работу), повторяя серию базовых операций — циклов.

На практике это напоминает процесс, в котором газ попеременно расширяется и сжимается, перемещаясь от горячей стороны цилиндра к холодной и обратно между этими фазами.

Функция рабочего поршня заключается в использовании энергии расширения газа путем передачи эффекта на привод двигателя. Затем газ сжимается, чтобы цикл можно было повторить.

Функция поршня расширителя заключается в перемещении газа из горячей части цилиндра в холодную и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократную передачу тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводу). Это производит полезную механическую работу.

Подробное описание функциональности

1. Охлаждающий режим сжатия: большая часть газа находится в более холодной части цилиндра. Когда оба поршня движутся внутрь (к центру), охлажденный газовый компонент сжимается, отдавая часть тепла более холодной конструкции.
2. Режим перекачки — регенерация: Движется «поршень эжектора». Это позволяет обойти более горячую область цилиндра от более холодного газа. Объем газа остается постоянным, пока он проходит через регенератор (теплообменник).
3. Режим расширения нагрева: большая часть газа находится в «горячей» области цилиндра. Газ нагревается от огня (или другого источника тепла), что приводит к повышению давления газовой составляющей. Возникает эффект расширения и поглощения энергии. Результат расширения толкает рабочий поршень, который, в свою очередь, приводит в движение маховик, механическую часть. В этой части цикла двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую.
4. Режим передачи — охлаждение: поршень «расширителя» перемещается, горячий газ отводится через байпас в более холодную часть цилиндра. Объем газа остается постоянным, пока он проходит через регенератор (теплообменник), высвобождая часть энергии. Цикл завершен и теперь может быть повторен.

Хотя двигатель Стирлинга проходит весь цикл и в конце концов возвращается в точку, с которой он начинал, существует асимметричный процесс. Энергия постоянно отводится от источника и оседает в теплообменнике.

Конечно, горячий газ совершает некоторую работу с рабочим поршнем во время расширения, но поршень совершает меньшую работу, сжимая холодный газ и возвращая его в исходную точку.

Теоретическое обоснование полезности двигателя Стирлинга

Не исключено скептическое отношение к слишком сложной конструкции. Зачем два поршня, если можно построить простой локомотив с одним поршнем? В чем смысл всех этих отдельных шагов? А нельзя ли проще?

Ярким примером практического применения является двигатель Стирлинга с шестнадцатью цилиндрами. Оригинальный, современный дизайн технического устройства

Понимание теории двигателя дает логические ответы на такие вопросы. По-настоящему эффективный двигатель перемещает газ в цикле процессов в соответствии с газовыми законами классической физики, где

• давление,
• объем,
• температура газа.

Идеальный цикл, как мы знаем, был открыт физиком Карно. Француз Николя Карно смог описать повторение цикла изотермического (при постоянной температуре) и адиабатического (сохраняющего тепло) расширения, за которым следует изотермическое и адиабатическое сжатие.

Таким образом, двигатель Стирлинга использует несколько иной цикл, который (в идеале) демонстрирует:

1. Изотермическое сжатие: объем газа уменьшается, а давление увеличивается, передавая тепло в теплообменник.
2. Изоволюметрический нагрев: объем газа остается постоянным при прохождении через регенератор. Часть отработанного тепла рекуперируется.
3. Изотермическое расширение: газ поглощает энергию от источника, объем газового компонента увеличивается, давление уменьшается, а температура остается постоянной.
4. Изоволометрическое охлаждение: объем газа остается постоянным за счет прохождения через регенератор и эффекта охлаждения.

Реальный двигатель Стирлинга, конечно же, является более сложной, менее идеальной версией теоретического цикла. Следует отметить, что все четыре фазы описанного процесса не разделены строго, а скорее накладываются друг на друга.

Преимущества и недостатки двигателей Стирлинга

Несомненным преимуществом двигателя Стирлинга является то, что он более эффективен, чем паровые системы. Не нужны бойлеры — технологически опасные конструкции, не нужны резервуары для хранения воды, не нужно разрабатывать сложные системы открытия и закрытия клапанов.

Следует отметить, что двигатели Стирлинга работают тише, чем паровые двигатели, из-за отсутствия сложных систем клапанов. Учитывая возможное использование энергии, не поступающей от источников сгорания, эти конструкции относятся к экологически чистым системам. Поддерживается работа на всех видах топлива.

Среди возможных недостатков — относительно медленный запуск. Обычно требуется некоторое время для прогрева системы от теплообменника и маховика до рабочей скорости.

Процедуры выключения также довольно сложны. Для эффективного отвода тепла требуются кулеры больших размеров, что ограничивает применение в некоторых случаях.

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Z-Sila — Публикации интересных и полезных материалов для общества. Новости о технологиях, исследованиях и экспериментах в глобальном масштабе. Социальная мультидисциплинарная информация — медиа .

Функция поршня расширителя заключается в перемещении газа из горячей части цилиндра в холодную и обратно. Работая вместе, два поршня обеспечивают многократную передачу тепловой энергии от источника к радиатору (теплоотводу). Это производит полезную механическую работу.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто можно встретить сувениры в виде этого двигателя в интернет-магазине. Конструктивно и технологически механизмы довольно просты, и при желании можно легко построить двигатель Стирлинга своими руками из подручных средств. В Интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчеты и другую информацию на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант шахтного станка, для которого необходимы баллончик, мягкий пенополиуретан, лоток, винты и крепеж. Все эти материалы легко найти дома, все, что нужно, — это выполнить следующие действия:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену и вырежьте круг диаметром на два миллиметра меньше внутреннего диаметра банки. Пена на два миллиметра выше, чем половина высоты банки. Пена действует как расширитель в двигателе,
• Возьмите крышку банки и просверлите в центре отверстие диаметром два миллиметра. Приварите в отверстие полый стержень, который будет служить направляющей для шатуна двигателя,
• Вырежьте круг из пенопласта, поместите винт в центр круга и закрепите его с обеих сторон. Припаяйте предварительно высушенный крепеж к шайбе,
• Просверлите отверстие диаметром три миллиметра в двух сантиметрах от центра, пропустите расширитель через отверстие в крышке и приварите крышку к стеклу,
• Сделайте из листового металла небольшой цилиндр диаметром полтора сантиметра и приклейте его к крышке банки так, чтобы отверстие в боковой стенке крышки находилось точно посередине цилиндра двигателя,
• Сделайте коленчатый вал двигателя из канцелярской скрепки. Рассчитайте так, чтобы коленчатый вал был смещен на 90°,
• Изготовьте кронштейн для коленчатого вала двигателя. Сделайте эластичный лист из полиэтиленовой пленки, положите пленку на цилиндр, прижмите и зафиксируйте,

• Сделайте шатун двигателя самостоятельно, согните один конец прямого изделия в круг, другой конец положите на кусочек ластика. Отрегулируйте длину так, чтобы ремень был натянут на крайнем нижнем конце вала и максимально растянут на крайнем верхнем конце. Таким же образом отрегулируйте другой шатун,
• Приклейте шатун двигателя к мачте резиновым концом. Присоедините шатун к расширителю без резинового конца,
• Сдвиньте маховик с диска на кривошип двигателя. Прикрепите ножки к резервуару, чтобы вам не приходилось держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить свечу под канистрой.

После того как вам удалось построить двигатель Стирлинга у себя дома, его запускают. Для этого под канистру ставится зажженная свеча, и как только канистра нагревается, маховик приходит в движение.

Описанную выше установку можно быстро соорудить в домашних условиях в качестве иллюстративного материала. Если цель и желание — построить двигатель Стирлинга, максимально приближенный к заводской модели, чертежи всех компонентов находятся в свободном доступе. Пошаговое выполнение отдельных компонентов позволяет создать рабочую модель, ни в чем не уступающую коммерческим версиям.

Преимущества

Двигатель Стирлинга характеризуется такими преимуществами:

• Для работы двигателя необходима разница температур, независимо от того, какое топливо вызывает нагрев,
• Нет необходимости использовать аксессуары и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя проста и надежна,
• Благодаря специальной конструкции ресурс двигателя составляет 100000 часов работы,
• Работа двигателя не вызывает лишнего шума, так как отсутствует вентиляция,
• Отсутствие выброса выхлопных газов во время работы,
• Отсутствие вибраций во время работы,
• Процессы в заводских цилиндрах являются экологически чистыми. При использовании правильного источника тепла двигатель становится «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Сложность серийного производства, так как двигатель конструктивно сложен и требует большого количества материалов,
• Большой вес и большие размеры двигателя, так как для эффективного охлаждения необходимо использовать большой радиатор,
• Тяжелый вес и большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя, большой размер двигателя,
• Устойчивость стальных сплавов к высоким температурам и их теплопроводность усложняют процесс производства двигателей. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а использование специальных материалов делает конструкцию двигателя дорогой,
• Для регулировки и переключения двигателя с одного режима на другой необходимо использовать специальные устройства управления.

Схема двигателя Стирлинга (лабораторная): 1 — источник тепла; 2 — «горячий» цилиндр; 3 — «эжектор»; 4 — кулачок; 5 — «холодный» цилиндр; 6 — рабочий поршень; 7 — кулачок.

Альтернативные источники тепла для генератора Стирлинга

При рассмотрении различных подходов к производству электроэнергии из альтернативных источников энергии выделяется одна особенность. Было показано, что сочетание высокотемпературных солнечных концентраторов с двигателем Стирлинга увеличивает эффективность системы до 34 %!

С 2005 года генераторы альтернативной энергии, не требующие высокотехнологичных материалов, таких как фотоэлектрические элементы, были установлены сначала в США, затем в Испании и даже в Великобритании. Схематично такую структуру можно представить в виде параболического зеркала, в центре которого размещался генератор в двигателе Стирлинга.

Результат был потрясающим! Такая комбинация простых устройств практически не имела недостатков:

• Бесшумная работа,
• Отсутствие выбросов в атмосферу,
• Двигатели не требовали технического обслуживания,

Чтобы иметь возможность работать ночью, разработчики придумали гениальную систему, в которой избыточная тепловая энергия хранится в подземных тепловых резервуарах.

В течение дня нагретый теплоноситель закачивается в небольшие, хорошо изолированные подземные карманы. Ночью этот теплоноситель перекачивается через систему изолированных труб в рабочий цилиндр генератора Стирлинга, и производство продолжается непрерывно. Мощность снижается почти на 50 %, но производство энергии продолжается бесперебойно круглосуточно!

Преимущество перед солнечными коллекторами также проявилось в стабильности работы при изменении облачности. Когда солнце закрыто облаками, фотоэлементы резко снижают свою мощность, а альтернативный генератор Стирлинга продолжает работать.

Такая солнечная система Стирлинга генерирует 34 кВт электроэнергии в пиковый момент. С 2015 года компания United Sun Systems произвела более 20 000 таких устройств. Успешно работают такие серьезные электростанции, как Imperial и Calico, которые производят более 800 МВт электроэнергии по самым низким ценам.

Некоторые конструкции, такие как SunCatcher, хорошо масштабируются, и небольшие солнечные батареи Стирлинга мощностью 3-5 кВт устанавливаются на крышах домов с 2010 года.

Альтернативный генератор Стирлинга в свой дом

Этот сегмент альтернативной энергетики в бывшем Советском Союзе еще практически не освоен. На практике государственная политика препятствует развитию альтернативных источников энергии. Основное внимание уделяется нефтегазовому сектору, как и в колониальных странах.

Для личных нужд эта комбинация скоро будет рассматриваться ремесленниками. Как только трансформация страны, которая была скрыта под маской эпидемии коронавируса COVID-19, будет завершена.

Следующий материал также может вас заинтересовать:

Спасибо, что дочитали до конца! Не забудьте подписаться на наш канал, если вам понравилась статья!

Не забывайте следить за нами в Twitter: https://twitter.com/Alter2201.

Поделитесь им со своими друзьями, оставьте свои мысли (ваши комментарии очень помогут проекту).

Добавляйтесь в нашу группу VK:

и предлагайте темы для обсуждения, вместе будет интереснее.