Двигатель стирлинга принцип своими руками

Что такое двигатель Стирлинга и как его сделать своими руками

Дата публикации: 12 ноября 2019

В 1816 году преподобный Роберт Стирлинг, стремившийся создать более безопасную альтернативу паровым двигателям, котлы которых часто взрывались из-за высокого давления пара и доступных в то время примитивных материалов, изобрёл новое устройство. Как и другие похожие агрегаты, двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию в механическую. Его существенная особенность заключаются в том, что это разновидность двигателя внешнего сгорания. Это значит, что в нём используется фиксированное количество рабочего тела, обычно воздуха, а тепло, потребляемое им, подводится извне. Это позволяет устройству работать практически на любом источнике тепла, включая ископаемое топливо, горячий воздух, солнечную, химическую и ядерную энергию. Он также может работать с очень низкими температурными перепадами.

Конструкция двигателя Стирлинга

Агрегаты бывают разных форм, большинство из которых — варианты четырёх базовых конфигураций, главные их части следующие:

1. Источник тепла. Он может быть любой: от огня, производимого горящим углем или дровами, до солнечной света, концентрируемого гелиостатами, поскольку фактическое сгорание топлива не нужно, используется только разница температур между радиатором и источником тепла.
2. Газ, или рабочее тело, постоянно находится в закрытом баллоне внутри машины. Это может быть гелий, обычных воздух, водород, а также любое другое доступное вещество, которое не меняет своей формы при нагреве и охлаждении. Его основная задача — передать тепловую энергию.
3. Радиатор. Нужен для охлаждения горячего газа.
4. Поршни и цилиндры, между которыми движутся газовые заслонки, которые при нагреве расширяются, а при охлаждении сжимаются перед тем, как весь цикл повторится.
5. Теплообменник, или регенератор. Расположен между радиатором и тепловым источником. Нагретый газ, проходя мимо, отдаёт часть своего тепла, а возвращаясь забирает его. Без этого узла тепло будет уходить, то есть тратиться впустую.

Как работает двигатель Стирлинга

Если рассматривать рабочую схему двигателя Стирлинга на примере альфа-конфигурации, где фиксированное количество воздуха или другого рабочего тела заключено в два цилиндра, один из которых горячий, а другой — холодный, перемещается между ними вперёд и назад. Газ нагревается и расширяется в горячем цилиндре, охлаждается в холодном, там же он сжимается, по ходу отдавая энергию для выполнения механической работы.

Надо отметить, что два поршня соединены с коленчатым валом, но их движения не совпадают по фазе на 90 ° между верхней и нижней частями. Поэтапно это выглядит следующим образом:

1. Рабочее тело, расширяясь от нагрева, толкает горячий поршень к нижней части цилиндра, поворачивая коленчатый вал. Расширение продолжается, заставляя газ двигаться к холодному цилиндру. Поршень внутри холодного цилиндра, который находится на четверть оборота позади горячего поршня, также толкается вниз.
2. Газ в максимальном объёме. Импульс маховика на коленчатом валу толкает поршень в горячем цилиндре к вершине его хода, заставляя большую часть газа попадать в холодный цилиндр, толкая холодный поршень вниз. В холодном цилиндре газ охлаждается, давление падает.
3. Когда горячий поршень достигает вершины своего хода, почти весь газ теперь переместился в холодный цилиндр, где охлаждение продолжается, и рабочее тело сжимается, снижая давление ещё больше, что позволяет холодному поршню подняться. Сила импульса маховика сжимает газ и направляет его обратно к горячему цилиндру.
4. На этом этапе рабочая жидкость, достигая своего минимального объема, подаётся в горячий цилиндр, где начинает толкать горячий поршень вниз. Газ снова нагревается, его давление увеличивается, он расширяется, толкая горячий поршень вниз во время рабочего хода, и цикл начинается снова.

Регенератор, расположенный в воздушном канале между двумя поршнями, не строго необходим в конструкции двигателя Стирлинга, но служит для повышения эффективности двигателя. Обычно это металлическая или керамическая матрица с большой площадью поверхности, способная поглощать или отдавать тепло. С ее помощью можно снизить расход топлива и повысить общую эффективность рабочего цикла. Канал для переноса газа между двумя цилиндрами по существу мертвое пространство, часто он остается максимально коротким.

Двигатели Стирлинга использовались в различных формах с 1930-х годов в качестве движущей силы для целого ряда транспортных средств с двигателями мощностью 75 кВт и более. Несмотря на то, что ранние разработки были предназначены для автомобильной промышленности, из-за своей низкой удельной мощности двигатель Stirling больше подходит для стационарного применения, а в последние годы его стали больше использовать для производства электрической энергии:

1. Идеально подходит для использования небольшими комбинированными теплоэнергетическими установками для сбора отработанного тепла. Генераторы двигателя Стирлинга с выходной электрической мощностью от 1 кВт до 10 кВт доступны для бытового применения, а отработанное тепло используется котлом центрального отопления. Общая тепловая эффективность этих установок может достигать 80%.
2. В некоторых странах такие устройства используются для выработки электроэнергии из тепловой энергии.

Как сделать самостоятельно

Несмотря на кажущуюся простоту, сделать двигатель Стирлинга своими руками в домашних условиях непросто. На это нужно потратить немного времени, уделяя внимание деталям. Никакие станки не потребуются. Вот несколько советов для тех, кто решился на эксперимент.

1. Создание цилиндра. Можно использовать ёмкость из нержавеющей стали, диаметр которой около 95 мм, а высота 235 мм. Этот материал выдерживает сильный нагрев. Не стоит заменять его на алюминиевую банку. Для изготовления диафрагмы подойдёт пластиковая крышка.
2. Охладители. Подойдут нескольких жестяных банок диаметром 150 мм. Чтобы сделать водовыпускное отверстие, можно использовать сантехнические детали.
3. Поршень. Его легко изготовить из проволоки. Понадобится вата, выполненная из нержавеющей стали, которую нужно намотать на сетку из того же материала.
4. Коленчатый вал — самое сложное. Он должен быть прямым с жесткими изгибами. Нужны подшипники, латунные соединители и 4-миллиметровая стальная катанка.
5. Маховик. Стальной круг 4 мм толщиной и 170 мм в диаметре, который нужно навинтить на коленчатый вал.
6. Диафрагма. Понадобится отрезок тонкой резины, её нужно растянуть и нагреть, чтобы придать форму. Как шаблон подойдёт выпуклая пластиковая крышка.
7. Статор. Содержит примерно одинаковые катушки из медной проволоки. Затем их нужно приклеить к фанерному диску, который будет привинчен к боковой части двигателя.

Когда катушки будут готовы, стоит проверить, что у всех одинаковое сопротивление, а провод без разрывов.

Источник

Термоакустический двигатель – двигатель Стирлинга без поршней

Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.

Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа

Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.

Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.

Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.

Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.

В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).

Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга

На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.

Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.

Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.

В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).

Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.

Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.

Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).

Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной

Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?

Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.

Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.

Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.

Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.

Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.

В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору [3].

Рисунок 6 – Схема импульсной турбины

Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:

Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины

Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами.

Так же, я разрабатываю собственный термоакустический двигатель, подробнее о котором можно узнать в этой статье:«Создание и запуск термоакустического двигателя»

Список использованных источников

[1] М.Г. Круглов. Двигатели Стирлинга. Москва «Машиностроение», 1977.
[2] Г. Ридер, Ч. Хупер. Двигатели Стирлинга. Москва «Мир», 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Acoustic to electric power conversion, 2014.

Источник