Автомобиль с двигателем стирлинга. Двигатель стирлинга

Двигатель Стирлинга - тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела.

Данный тип двигателей изобретен в девятнадцатом веке. Они прошли стадию подъема, затем были забыты, однако пережили паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания и снова возродились в двадцатом веке. Сегодня над их созданием трудятся многие инженеры и любители.

Стоит отметить, что универсальной методики расчета Стирлинг-машин не существует до сих пор. Львиная доля технических решений и методик расчета при создании опытных образцов двигателей Стирлинга автоматически становится «ноу-хау» компаний-разработчиков и тщательно скрывается. Двигатели Стирлинга не встретишь в свободной продаже, как газонокосилки или автономные генераторы. При этом «Стирлинги» используются в качестве энергоустановок на космических спутниках, применяются как маршевые двигатели на современных подводных лодках.

Стирлинг-машины с одинаковым успехом можно «вмонтировать» и в триммер для стрижки газонов, и в марсоход. В конструкции двигателя нет клапанов, распределительных валов, отсутствует система зажигания в ее привычной форме, нет стартера! Некоторые конструкции обладают эффектом самозапуска. Для работы годится любой источник тепла: энергия солнца, навоз, сено, дрова, уголь, нефть, газ, ядерный реактор - подойдет все! И при данной «всеядности» коэффициент полезного действия «Стирлингов» не уступает показателям двигателей внутреннего сгорания. Но и это не все. Стирлинг-машины обратимы. Т.е. подводя тепловую энергию, получаем механическую, раскручивая маховик двигателя вырабатываем холод.

Двигатель Стирлинга зависит только от внешнего поступления тепла. Что это тепло поставляет принципиального значения не имеет. Поэтому двигатель Стирлинга являеться идеальным кандидатом для перевода солнечного излучения в механическую энергию:

1. В двигателе Стирлинга постоянное количество рабочего газа (гелий или водород) постоянно нагреваеться и охлаждаеться.

2. Через расширение при нагревании и сжатии при охлаждении, рабочий газ приводит в движение два поршня, каждый из которых прикреплен к валу - таким образом передаеться энергия.

3. Эфективность двигателя Стирлинга растет при росте температуры, поэтому он являеться идеальной комбинацией для производства энергии через солнечный коллектор.

4. Здесь нет внутреннего сгорания, поэтому установка Стирлинга работает почти бесшумно.

5. Потенциальный жизненный цикл двигателя Стирлинга являеться очень длительным, так как здесь нет внутренного износа из-за горения топлива.

Можно запасать с его помощью энергию, используя в качестве источника тепла теплоаккумуляторы на расплавах солей. Такие аккумуляторы превосходят по запасу энергии химические аккумуляторы и дешевле их. Используя для регулировки мощности изменение фазного угла между поршнями, можно аккумулировать механическую энергию, тормозя двигателем. В этом случае двигатель превращается в тепловой насос.

Плюсы стирлингов

КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того крутящий момент двигателя почти не зависит от скорости вращения коленвала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный крутящий момент достигается в узком диапазоне частот вращения.

В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.

В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.

Двигатель не будет «капризничать» из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие «двигатель заглох» не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным проворотом маховика коленчатого вала.

Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.

Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом.

Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличии от ДВС ), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).

Минусы стирлингов

Поскольку сгорание топлива происходит вне двигателя, а отвод тепла осуществляется через стенки радиатора (Стирлинги имеют замкнутый объем) габариты двигателя увеличиваются.

Еще один минус - материалоемкость. Для производства компактных и мощных Стирлинг-машин требуются жаропрочные стали, выдерживающие высокое рабочее давление и в то же время, обладающие низкой теплопроводностью. Обычная смазка для Стирлингов не годится - коксуется при высокой температуре, по этому необходимы материалы с низким коэффициентом трения.

Для получения высокой удельной мощности в качестве рабочего тела в Стирлингах используют водород или гелий. Водород взрывоопасен, при высоких температурах растворяется в металлах, образуя металлогидриды - т.е. разрушает цилиндры двигателя. К тому же водород, как и гелий обладает высокой проникающей способностью и просачивается через уплотнения подвижных частей двигателя, снижая рабочее давление.

“- В ДВС сгорание томливо-воздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек.”
———-
5-7 км/сек – это скорость движения продуктов взрыва ТЭН а в кумулятивном снаряде, её хватает чтобы пробить 20 см пакет гомогенной брони. Не мелите чушь. Продукты сгорания топливной смеси в цилиндре ДВС двигаются со скоростью, не превышающей 360 м(!)/сек, т.е. дозвуковое горение. Сверхзвуковое горение считается детонацией и гробит двигатель.

Под детонацией следует понимать необычно высокую скорость распространения взрывной химической реакции . В цилиндре двигателя при детонации скорость распространения пламени в последней части горючей смеси достигает примерно 2000 м сек

Двигатель Стирлинга может построить любой для дачи в ручную,но не в этой жизни.

Я советую сделать такой двигатель
http://www.valentru.ru/index/gibridja_teplovaja_mashina/0-5

Первый рисунок рисовал человек, незнакомый с принципом действия сабжа. По ходу, попутал местами вытеснитель с рабочим поршнем. 1) Цилиндр вытеснителя имеет меньший обьем/диаметр, чем рабочий цилиндр. Иначе оно работать не будет.
2) Принцип действия. Прямой ход. Вытеснитель входит в свой цилиндр, продавливая газ через охладитель, регенератор, нагреватель. Именно в такой последовательности. В нагревателе он расширяется, заполняя рабочий цилиндр, и выдавливает оный. Обратный ход – вытеснитель выходит из своего цилиндра, снижая давление. Газ из рабочего цилиндра проходит нагреватель, регенератор, охладитель, сжимается и может поместиться в цилиндр вытеснителя. Рабочий поршень выжимает газ из своего цилиндра при низшем давлении, чем при прямом ходе. За счет разности давлений прямого и обратного хода получается механическая энергия на валу.

Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

При движении вытеснителя в бета-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных стирлингах, ниже потери на трение, т. к. давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным диаметром поршней. Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, т. е. между рабочим поршнем и штоком вытеснителя.

Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от рекуператора рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу При изобарном сжатии происходит отдача тепла рекуператору.
В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

Альфа-Стирлинг - содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

Бета-Стирлинг - цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг - тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга не попадающие под вышеуказанные три классических типа:

Роторный двигатель Стирлинга - решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, т.к. двигатель роторный) .

Недостатки

Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела - водород, гелий.

Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно , а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

«Всеядность» двигателя - как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
Простота конструкции - конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
Увеличенный ресурс - простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
Экономичность - в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.
Бесшумность двигателя - стирлинг не имеет выхлопа, а значит - не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
Экологичность - сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Применение

Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Термоакустика – раздел физики о взаимном преобразовании тепловой и акустической энергии. Он образовался на стыке термодинамики и акустики. Отсюда такое название. Наука эта очень молодая. Как самостоятельная дисциплина она возникла в конце 70-х годов прошлого века, когда швейцарец Никалаус Ротт закончил работу над математическими основами линейной термоакустики. И всё же она возникла не на пустом месте. Её возникновению предществовали открытия интересных эффектов, которые мы просто обязаны рассмотреть.

С ЧЕГО ЭТО НАЧИНАЛОСЬ
Термоакустика имеет длинную историю, которая берёт своё начало более двух веков назад.

Первые официальные записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом в 1777 г. Он экспериментировал с открытой стеклянной трубкой, в которой акустические колебания возбуждались с помощью водородной горелки, расположенной определённым образом. Этот опыт вошёл в историю, как «поющее пламя Хиггинса».

Рисунок 1. Поющее пламя Хиггинса

Однако, современным физикам более известен другой эксперимент, получивший название «трубка Рийке». В процессе своих опытов Рийке создал новый музыкальный инструмент из органной трубки. Он заменил водородное пламя Хиггинса на подогреваемый проволочный экран и экспериментально показал, что самый сильный звук рождается в том случае, когда экран расположен на расстоянии четверти трубки от её нижнего конца. Колебания прекращались, если накрыть верхний конец трубки. Это доказывало, что для получения звука необходима продольная конвективная тяга. Работы Хиггинса и Рийке позже послужили основой для зарождения науки о горении, которая сегодня применяется везде, где используется это явление от

Рисунок 2. Трубка Рийке.

горения пороховых шашек до ракетных двигателей. Явлениям, протекающим в трубке Рийке посвящены тысячи диссертаций во всём мире, но интерес к этому устройству не ослабевает до сих пор.

В 1850 г. Сондхаусс обратился к странному явлению, которое наблюдают в своей работе стеклодувы. Когда шарообразное утолщение из горячего стекла гонит воздух в холодный конец трубки стеклодува, генерируется чистый звук. Анализируя явление, Сондхаусс обнаружил, что звук генерируется, если нагревать шарообразное утолщение на конце трубки. При этом звук изменяется с изменением длины трубки. В отличие от трубки Рийке трубка Сондхаусса не зависела от конвективной тяги.

Рисунок 3. Трубка Сондхаусса.

Похожий эксперимент позже осуществил Таконис. В отличие от Сондхаусса он не подогревал конец трубки, а охлаждал его криогенной жидкостью. Это доказывало, что для генерации звука важен не подогрев, а перепад температур.
Первый качественный анализ колебаний, вызванных теплом, был дан в 1887 г. Лордом Рэлеем. Сформулированное Рэлеем объяснение перечисленных выше явлений сегодня известно термоакустикам как принцип Рэлея. Он звучит примерно так: «Если газу передать тепло в момент наибольшего сжатия или отобрать тепло в момент наибольшего разряжения, то это стимулирует колебания. » Несмотря на свою простоту, эта формулировка полностью описывает прямой термоакустический эффект, то есть преобразование тепловой энергии в энергию звука.

Вихревой эффект

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect ) - эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре - закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. В конце 1931 г Ж.Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как труба Ранке). Получить патент удается только в 1934 году в Америке (Патент США № 1952281). В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода.

С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.

Существуют и применяются вихревые теплогенераторы и микрокондиционеры.

В этом мире есть вещи гениальные, непостижимые и совершенно нереальные. Настолько нереальные, что кажутся артефактами из некой параллельной Вселенной. К числу таких артефактов наряду с двигателем Стирлинга, вакуумной радиолампой и чёрным квадратом Малевича в полной мере относится т.н. "турбина Тесла".
Вообще говоря отличительная черта всех подобных вещей - абсолютная простота. Не упрощённость, а именно простота. То есть как в творениях Микеланджело - отсутствует всё лишнее, какие-то технические или смысловые "подпорки", чистое сознание, воплощённое "в железе" или выплеснутое на холст. И при всём при этом абсолютная нетиражность. Чёрный Квадрат - это своего рода "орт" искусства. Второго такого написанного другим художником быть не может.

Всё это в полной мере относится и к турбине Тесла. Конструктивно она представляет собой несколько (10-15) тонких дисков, укреплённых на оси турбины на небольшом расстоянии друг от друга и помещённые в кожух, напоминающий милицейский свисток.

Не стоит и объяснять, что дисковый ротор намного более технологичен и надёжен, чем даже "колесо Лаваля", я уж молчу о роторах обычных турбин. Это первое достоинство системы. Второе состоит в том, что в отличие от других типов турбин, где для ламинаризации течения рабочего тела необходимо принимать специальные меры. В турбине Тесла рабочее тело (которым может быть воздух, пар или даже жидкость) течёт строго ламинарно. Поэтому потери на газодинамическое трение в ней сведены к нулю: КПД турбины составляет 95%.

Правда следует иметь в виду, что КПД турбины и КПД термодинамического цикла - несколько разные вещи. КПД турбины можно охарактеризовать, как отношение энергии, преобразуемой в механическую энергию на валу ротора турбины к энергии рабочего цикла (то есть разнице начальной и конечной энергий рабочего тела). Так КПД современных паровых турбин так же весьма высок - 95-98%, однако КПД термодинамического цикла в силу ряда ограничений не превышает 40-50%.

Принцип действия турбины основан на том, что рабочее тело (допустим - газ), закручиваясь в кожухе, за счёт трения "увлекает" за собой ротор. При этом отдавая часть энергии ротору, газ замедляется, и благодаря возникающей при взаимодействии с ротором кориолисовой силе, подобно чаинкам в чае "скатывается" к оси ротора, где имеются специальные отверстия, через которые осуществляется отвод "отработанного" рабочего тела.
Турбина Тесла, как и турбина Лаваля преобразует кинетическую энергию рабочего тела. То есть превращение потенциальной энергии (например сжатого воздуха или перегретого пара) в кинетическую необходимо произвести до подачи на ротор турбины с помощью сопла. Однако турбина Лаваля, имея в целом достаточно высокий КПД, оказывалась крайне неэффективной на низких оборотах, что заставляло конструировать редукторы, размеры и масса которых многократно превышали размеры и массы самой турбины. Фундаментальным отличием турбины Тесла является тот факт, что она вполне эффективно работает в широком диапазоне частот вращения, что позволяет соединять её вал с генератором непосредственно. Кроме того, турбина Тесла легко поддаётся реверсированию.

Интересно, что сам Никола Тесла позиционировал своё изобретение, как способ высокоэффективного использования геотермальной энергии, которую он считал энергией будущего. Кроме того турбина без каких-либо переделок может превратиться в высокоэффективный вакуумный насос - достаточно раскрутить её вал от другой турбины или электродвигателя.

Технологичность турбины Тесла позволяет изготавливать её варианты буквально из чего угодно: дисковый ротор можно сделать из старых компакт-дисков или "блинов" от вышедшего из строя компьютерного "винчестера". При этом мощность такого двигателя не смотря на "игрушечные" материалы и габариты получается весьма внушительной. Кстати о габаритах: двигатель мощностью 110 л.с. был не больше системного блока нынешнего персонального компьютера.

Устройства на эффекте Ранка

Эффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации - в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы - его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто - добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение - например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) - область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил - стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее - возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».

Двигатель Стирлинга, принцип работы которого качественно отличается от привычного для всех ДВС, когда-то составлял последнему достойную конкуренцию. Однако на какое-то время о нем забыли. Как этот мотор используется сегодня, в чем заключается принцип его действия (в статье можно найти также чертежи двигателя Стирлинга, наглядно демонстрирующие его работу), и каковы перспективы применения в будущем, читайте ниже.

История

В 1816 году в Шотландии Робертом Стирлингом была запатентована названная сегодня в честь своего изобретателя. Первые двигатели горячего воздуха были изобретены еще до него. Но Стирлинг добавил в устройство очиститель, который в технической литературе называется регенератором, или теплообменником. Благодаря ему производительность мотора возрастала при удерживании агрегата в тепле.

Двигатель признали наиболее прочной паровой машиной из имеющихся на тот момент, так как он никогда не взрывался. До него на других моторах такая проблема возникала часто. Несмотря на быстрый успех, в начале двадцатого столетия от его развития отказались, так как он стал менее экономичным, по сравнению с появившимися тогда другими двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями. Однако Стирлинг еще продолжал применяться в некоторых производствах.

Двигатель внешнего сгорания

Принцип работы всех тепловых моторов заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии необходимы большие механические усилия, чем при сжатии холодного. Для наглядной демонстрации этого можно провести опыт с двумя кастрюлями, наполненными холодной и горячей водой, а также бутылкой. Последнюю опускают в холодную воду, затыкают пробкой, затем переносят в горячую. При этом газ в бутылке начнет выполнять механическую работу и вытолкнет пробку. Первый двигатель внешнего сгорания основывался на этом процессе полностью. Правда, позже изобретатель понял, что часть тепла можно применять для подогрева. Таким образом, производительность значительно возросла. Но даже это не помогло двигателю стать распространенным.

Позже Эриксон, инженер из Швеции, усовершенствовал конструкцию, предложив охлаждать и нагревать газ при постоянном давлении вместо объема. В результате немало экземпляров стало использоваться для работы в шахтах, на судах и в типографиях. Но для экипажей они оказались слишком тяжелыми.

Двигатели внешнего сгорания от Philips

Подобные моторы бывают следующих типов:

паровой;
паротурбинный;
Стирлинга.

Последний вид не стали развивать из-за небольшой надежности и остальных не самых высоких показателей по сравнению с появившимися другими типами агрегатов. Однако в 1938 году компания Philips возобновила работу. Двигатели стали служить для приводов генераторов в неэлектрофицированных районах. В 1945 году инженеры компании нашли им обратное применение: если вал раскручивать электромотором, то охлаждение головки цилиндров доходит до минус ста девяносто градусов по Цельсию. Тогда решено было применять в холодильных установках усовершенствованный двигатель Стирлинга.

Принцип работы

Действие мотора заключается в работе по термодинамическим циклам, в которых при разной температуре происходит сжатие и расширение. При этом регулирование потоком рабочего тела реализуется за счет изменяющегося объема (или давления - в зависимости от модели). Таков принцип работы большинства подобных машин, которые могут иметь разные функции и конструктивные схемы. Двигатели могут быть поршневыми или роторными. Машины с их установками работают в качестве тепловых насосов, холодильников, генераторов давления и так далее.

Помимо этого, есть моторы с открытым циклом, где регулирование потоком реализуется посредством клапанов. Именно их называют двигателями Эриксона, кроме общего названия имени Стирлинга. В ДВС полезная работа осуществляется после предварительного сжатия воздуха, впрыска топлива, нагрева полученной смеси вперемешку со сгоранием и расширения.

Двигатель Стирлинга принцип работы имеет такой же: при низкой температуре происходит сжатие, а при высокой - расширение. Но по-разному осуществляется нагрев: тепло подводится через стенку цилиндра извне. Поэтому он и получил название двигателя внешнего сгорания. Стирлинг применял периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Последний перемещает газ с одной полости цилиндра в другую. С одной стороны, температура постоянно низкая, а с другой - высокая. При передвижении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость, а вниз - возвращается в горячую. Сначала газ отдает много тепла холодильнику, а затем от нагревателя получает столько же, сколько отдал. Между нагревателем и холодильником размещается регенератор - полость, наполненная материалом, которому газ отдает тепло. При обратном течении регенератор возвращает его.

Система вытеснителя соединена с рабочим поршнем, сжимающим газ в холоде и позволяющим расширяться в тепле. За счет сжатия в более низкой температуре происходит полезная работа. Вся система проходит четыре цикла при прерывистых движениях. Кривошипно-шатунный механизм при этом обеспечивает непрерывность. Поэтому резких границ между стадиями цикла не наблюдается, а Стирлинга не уменьшается.

Учитывая все вышесказанное, напрашивается вывод, что этот двигатель является поршневой машиной с внешним подводом тепла, где рабочее тело не покидает замкнутое пространство и не заменяется. Чертежи двигателя Стирлинга хорошо иллюстрируют устройство и принцип его действия.

Детали работы

Солнце, электричество, ядерная энергия или любой другой источник тепла может подводить энергию в двигатель Стирлинга. Принцип работы его тела заключается в применении гелия, водорода или воздуха. Идеальный цикл обладает термическим максимально возможным КПД, равным от тридцати до сорока процентов. Но с эффективным регенератором он сможет работать и с более высоким КПД. Регенерацию, нагрев и охлаждение обеспечивают встроенные теплообменники, работающие без масел. Следует отметить, что смазки двигателю нужно очень мало. Среднее давление в цилиндре составляет обычно от 10 до 20 МПа. Поэтому здесь требуется отличная уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Сравнительная характеристика

В большинстве работающих сегодня двигателей подобного рода используется жидкое топливо. При этом непрерывное давление легко контролировать, что способствует снижению уровня выбросов. Отсутствие клапанов обеспечивает бесшумную работу. Мощность с массой сопоставимы моторам с турбонаддувом, а удельная мощность, получаемая на выходе, равна показателю дизельного агрегата. Скорость и крутящий момент не зависят друг от друга.

Затраты на производство двигателя гораздо выше, чем на ДВС. Но при эксплуатации получается обратный показатель.

Преимущества

Любая модель двигателя Стирлинга имеет много плюсов:

КПД при современном проектировании может доходить до семидесяти процентов.
В двигателе нет системы высоковольтного зажигания, распределительного вала и клапанов. Его не нужно будет регулировать в течение всего срока эксплуатации.
В Стирлингах нет того взрыва, как в ДВС, который сильно нагружает коленвал, подшипники и шатуны.
В них не бывает того эффекта, когда говорят, что «двигатель заглох».
Благодаря простоте прибора его можно эксплуатировать в течение длительного времени.
Он может работать как на дровах, так и с ядерным и любым другим видом топлива.
Сгорание происходит вне мотора.

Недостатки

Применение

В настоящее время двигатель Стирлинга с генератором используют во многих областях. Это универсальный источник электрической энергии в холодильниках, насосах, на подводных лодках и солнечных электрических станциях. Именно благодаря применению различного вида топлива имеется возможность его широкого использования.

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Будущее

Явные преимущества, которые имеет поршневой и Стирлинга, заключающиеся в большом ресурсе работы, применении разного топлива, бесшумности и малой токсичности, делают его очень перспективным на фоне мотора внутреннего сгорания. Однако с учетом того, что ДВС на протяжении всего времени совершенствовали, он не может быть легко смещен. Так или иначе, именно такой двигатель сегодня занимает лидирующие позиции, и сдавать их в ближайшее время не намерен.

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.

Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно . Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники . К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).

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 .

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.

Что ж, будем продолжать пристально следить за развитием термоакустических двигателей.

Список использованных источников

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

Как и большинство "виртуальных стирлингостроителей", заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя "Стирлинга" , столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике. Вот то, что смог нарыть в Интернет.

1. Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур), но при условии "идеального" регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями - горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра - горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) - чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики - такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристиками, как удельная мощность и оборотистость, чтобы противопоставить «стирлинги» ДВС, а КПД приносят в жертву.

Но ведь можно оставить пока гонки с ДВС на транспорте и сосредоточится на стационарных двигателях Стирлинга, работая над повышением их КПД и удешевлением конструкции. Работающие на любом виде топлива, в том числе и на солнечной энергии, эти двигатели могут, в перспективе, конкурировать с солнечными батареями. И у них неплохие перспективы в области возобновляемой энергии, в том числе древесное топливо, которое за счет солнечной энергии «восстанавливается» за несколько десятилетий. И опять же, всеядность этих двигателей позволяет создавать электростанции (в том числе бытовые) комбинированного типа - пока есть солнце, работает от солнечной энергии, когда нет, то на твердом топливе.

Правда, достижение высокого КПД, это не единственное направление, за которое стоит бороться, двигатели Стирлинга имеют еще один недостаток - так как источник тепла находится за пределами объема двигателя, а рабочее тело (газ) имеет низкую теплопроводность, то получается, что в работе участвует только газ, находящийся у стенок цилиндра. А значит, что отношение роста мощности к увеличению объема цилиндра, находится в обратной квадратичной зависимости. То есть, чтобы увеличить мощность в 5 раз, надо увеличить объем цилиндра в 25 раз.
Именно поэтому, на заре «стирлингостроения» более-менее мощные двигатели были массивнее даже паровых машин при той же мощности. Сейчас эта проблема решается путем накачки двигателя газом под большим давлением, то есть увеличивается масса рабочего тела при том же объеме. Но этот путь тоже тупиковый - в двигателях больше пары литров, опять же, стоит та же проблема, квадратичное отношение роста объема к росту мощности. Да и проблемы с утечкой рабочего тела при давлениях в 100-200 атмосфер трудно решить.

На этом фоне, более перспективным видится другое решение - заставить работать весь газ внутри двигателя, независимо от объема. Такое решение, несмотря на простоту реализации было предложено только недавно (источник - http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) - поставить насос или вентилятор, которые будут создавать потоки газа внутри двигателя. И, по аналогии с вентилятором, дующим на радиатор, будет увеличиваться скорость охлаждения стенок цилиндров рабочим газом двигателя и обеспечиваться максимальное участие этого газа в работе, независимо от размера цилиндра. По идее, это должно дать толчок развитию двигателей Стирлинга, так как позволяет создавать довольно простые и мощные варианты этих двигателей.
А если не гнаться за массогабаритными показателями автомобильных ДВС, то, может быть, скоро мы наконец то услышим о двигателях, работающих на дровах или солнечной энергии, с КПД 60-70%. И пусть они не смогут конкурировать по размерам с ДВС, но зато могут обеспечить выработку дешевой электроэнергии. А это, в свою очередь, может поспособствовать увеличению экономической целесообразности электромобилей. Ну, а в сочетании с получающими распространение пиролизными котлами, может привести к полной автономии в энергоснабжении жилья (особенно новых домов, для подключения которых к электросети и газопроводу требуется немалая сумма).

Вот как-то так. Буду рад услышать критику моих выкладок.