Двигатель Стирлинга - прошлое, настоящее и будущее (стр. 1 из 2)
Содержание.
1. Введение 2
2. Принцип работы и устройство 5
3. Перспективы использования 8
4. Заключение 14
5. Список литературы 15
6. Приложения 18
Введение
21 сентября 1816 года в Эдинбурге, столице Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал машину, которую он назвал "экономайзер" (economiser ). В реальной жизни Роберт Стирлинг был священником шотландской церкви и продолжал вести службы, хотя ему к этому времени исполнилось восемьдесят шесть лет. В свободное время в своей домашней мастерской он конструировал тепловые машины. Одну из его работавших моделей позднее использовал лорд Кельвин для своих университетских лекций.
Один из первых двигателей Стирлинга
В то время двигатель Стирлинга получил признание как надежная паровая машина, которая никогда не взрывается, как это довольно часто случалось с другими типами паровых двигателей в те времена.
В 1850 простая и элегантная динамика двигателя Стирлинга была впервые теоретически описана профессором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Приблизительно через сто лет термин "Двигатель Стирлинга" был использован Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для обозначения всех типов регенеративных паровых машин замкнутого цикла.
Двигатель Стирлинга является уникальной тепловой машиной, поскольку его теоретическая эффективность практически равна максимальной эффективности тепловых машин ( эффективность цикла Карно ). Двигатель Стирлинга работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Двигатель Стирлинга содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между "холодной" частью (обычно комнатной температуры) и "горячей" частью, которя обычно разогревается за счет сжигания любого вида топлива, атомным реактором или за счет солнечного тепла. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель Стирлинга относят к двигателям внешнего сгорания.
С момента изобретения было разработано большое количество различных разновидностей двигателей Стирлинга с целью повышения мощности и эффективности. Тем не менее, они уступали по удельной мощности двигателям Отто и Дизеля. Двигатель Отто, изобретенный в 1877 году и двигатель Дизеля, изобретенный в 1893 имели более высокую уделбную мощность, чем двигатели Стирлинга того времени. Это привело к постепенному вытеснению двигателя Стирлинга из промышленности. Они еще широко применялись в начале нашего века на фермах и шахтах - в основном для приведение в действие различных насосов и других применений, где не требуется высокая удельная мощность, а основными критериями являются надежность и экономичность. Но к 1940 году их выпуск был прекращен.
Демонстрационная модель двигателя Стирлинга
Довольно долго двигатели Стирлинга использовались лишь как игрушки и учебные пособия в школах и университетах при изучении термодинамики. Но в последние годы интерес к двигателю Стирлинга быстро возрастает. Начат промышленный выпуск домашних электрогенераторов на двигателе Стирлинга ( см. приложение 1 ). Национальным Аэрокосмическим Агентством США (NASA) были проведены сравнительные оценки различных типов тепловых машин для использования в космической аппаратуре ( см. приложение 2 ). Двигатель Стирлинга был признан наиболее перспективным из-за своего высокого кпд и надежности. Выпускаются холодильные установки, работающие на обратном цикле Стирлинга - как промышленные, позволяющие получать температуру до -2400 С ( см. приложение 3 ), так и предназначенные для использования в бытовых холодильниках. В последнем случае их преимущества перед традиционными системами обусловлены тем, что в качестве хладогента в них может быть использован обычный воздух.
Таким образом, можно сказать, что история двигателя Стирлинга далеко не закончена. Его развитие входит в новый многообещающий этап.
Двигатель Стирлинга является тепловой машиной замкнутого цикла. Его работа основана на расширении газа, используемого как рабочее тело, при повышении температуры. На следующем рисунке приведены диаграммы для идеального цикла Стирлинга в координатах давление-обьем P-V и температура-энтропия T-S и иллюстрации соответствующих процессов.
На диаграммах цифрами обозначены точки, разделяющие этапы работы двигателя. На первом этапе (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Далее, на следующем этапе (2-3) - охлаждение при постоянном объеме. Далее (этап 3-4) - изотермическое сжатие охлажденного газа. И наконец на этапе 4-1 разогрев при постоянном объеме. Полезная работа производится газом только на первом этапе. Все остальные происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).
Существуют два основных типа двигателей Стирлинга, отличающихся устройством цилиндров. В первом - так называемом двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) используются раздельные цилиндры для нагревания и охлаждения рабочего газа.
Двухцилиндровый двигатель Стирлинга
На этом рисунке верхняя часть горячего цилиндра с поршнем (hot piston) постоянно разогревается внешним источником тепла, в то время, как верхняя часть холодного цилиндра с поршнем (cold piston) постоянно охлаждается. Следует обратить внимание, что поршни закреплены на коленчатом валу (crank shaft) так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как горячий поршень достигает верхнего положения, холодный находится в среднем положении, двигаясь вверх. Этот момент сооответствует этапу 2-3 на предыдущем рисунке - охлаждению при постоянном объеме. Затем холодный поршень поднимается вверх, сжимая охлажденный газ при постоянной температуре - этап 3-4. Когда холодный поршень вытесняет охлаженный и сжатый газ в горячий цилиндр, тот разогревается при постоянном объеме - этап 4-1. И наконец, горячий газ расширяется, толкая поршень в горячем цилиндре вниз - этап 1-2. На последнем этапе выделяется мощность, часть которой запасается вращающимся колесом (flywheel).
В другой конструкции - двигателе Стирлинга поршневого типа (Displacer type Stirling engine) - используется один цилиндр, одна сторона которого (верхняя на приведенном ниже рисунке) постоянно охлаждается, а другая - постоянно нагревается. Поршень-дисплейсер (displacer), разделяющий холодную и горячую части цилиндра, неплотно прилегает к стенкам цилиндра, что позволяет газу перемещаться между ними. В этой конструкции поршни так же закреплены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов. Двигатель работаетпо тому же принципу, что и предыдущая конструкция.
Двигатель Стирлинга поршневого типа
И в той, и в другой конструкции тепловая энергия нагревателя преобразуется в механическую энергию вращения вала. Однако, возможно использование и обратного цикла Стирлинга - если за счет внешнего двигателя вращать вал в этих машинах, рабочий газ будет двигаться по тому же циклу. При этом "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. То есть двигатель Стирлинга в этом случае будет работать как тепловой насос, т.е. холодильная машина. Рабочим телом в нем может служить любой газ, в том числе и атмосферный воздух.
Перспективы использования.
Развитие науки и техники ривело к образованию новых "экологических ниш", в которых с успехом может применяться двигатель Стирлинга. Некоторые из них показаны на приведенных ниже рисунках.
Перспективные применения двигателя Стирлинга.
На первом из них показан пример солнечной энергетической установки (solar power system). Высокий к.п.д., простота и надежность конструкции двигателя Стирлинга обуславливают эффективность его использования в данных системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух. Роль такого экологически чистого источника энергии в современном мире легко оценить.
На втором рисунке схематически изображен тепловой насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat Pump). Известно, что при использовании обратного цикла Срирлинга, т.е. если, например, приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например, окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на "перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффетивнее. Для идеального случая к.п.д.такой системы может быть посчитан как
где
Тс - абсолютная температура холодной части
Тh - абсолютная температура горячей части
Поскольку даже в сильные морозы Тс редко опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Тh на уровне 300 градусов Кельвина ( 270 ) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. То есть, затратив 1 кВт.ч электроэнергии на работу теплового насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если бы подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда легко понять интерес к тепловым насосам на основе цикла Стирлинга.