Stirlingův motor - princip činnosti. Nízkoteplotní motor Stirling (fotografie)

Stirlingův motor, jehož princip fungování je kvalitativně odlišný od běžného motoru pro všechny ICE, byl jednou poslední dobrou soutěží. Nicméně na to chvíli zapomněli. Jak se používá tento motor dnes, jaký je princip jeho fungování (v tomto článku lze také nalézt Stirlingova motoru výkresy, které ukazují svou práci), a jaké jsou vyhlídky na budoucí využití, viz níže.

Historie

V roce 1816 byl ve Skotsku patentován Robert Stirling tepelný stroj, pojmenovaný dnes na počest svého vynálezce. První motory horkého vzduchu byly vynalezeny ještě předtím. Ale Stirling přidal do přístroje čistič, který se v technické literatuře nazývá regenerátor nebo výměník tepla. Díky tomu výkon motoru vzrostl, když byla jednotka udržována v teple.

Motor byl v té době považován za nejvyspělejší parní stroj, protože nikdy nevybuchl. Předtím, než se na jiných motorech objevil takový problém. Navzdory rychlému úspěchu, na počátku dvacátého století, byl jeho vývoj opuštěn, protože se stal méně ekonomickým, než ve srovnání s tehdy se objevujícími spalovacích motorů a elektromotory. Nicméně, Stirling pokračoval být používán v některých odvětvích.

Externí spalovací motor

Princip činnosti všech tepelných motorů spočívá v tom, že pro vytváření plynu v expandovaném stavu jsou vyžadovány větší mechanické síly než při stlačení chladného. Pro vizuální ukázku toho můžete provést experiment se dvěma hrnci naplněnými studenou a horkou vodou, stejně jako láhev. Ten je spuštěn do studené vody, propojen s korku, poté přemístěn do horké vody. Současně plyn v lahvi začne provádět mechanickou práci a vytlačí korku. První motor s externím spalováním byl zcela založen na tomto procesu. Později si však vynálezce uvědomil, že některé z tepla mohou být použity pro vytápění. Produktivita se tak výrazně zvýšila. Ale ani to nepomohlo, aby se motor stal běžným.

Později Ericson, inženýr ze Švédska, zlepšil návrh tím, že navrhl chlazení a ohřívání plynu za stálého tlaku místo objemu. V důsledku toho bylo mnoho kopií použito k práci v dolech, na lodích av tiskárnách. Ale pro posádky byly příliš těžké.

Externí spalovací motory společnosti Philips

Takové motory jsou těchto typů:

• pára;
• parní turbína;
• Stirling.

Druhý typ se nezačal rozvíjet kvůli nízké spolehlivosti a zbývající nejvyšší ukazatele ve srovnání s ostatními typy agregátů, které se objevily. Nicméně v roce 1938 Philips pokračoval v práci. Motory začaly sloužit pro pohony generátorů v neelektrifikovaných oblastech. V roce 1945, inženýři společnosti našli je jinak používat: v případě, že hřídel točit elektrický motor, chlazení hlavy válců přichází do minus sto devadesát stupňů Celsia. Pak bylo rozhodnuto použít v chladicích jednotkách vylepšený Stirlingův motor.

Princip činnosti

Působením motoru je pracovat na termodynamických cyklech, ve kterých dochází ke kompresi a expanzi při různých teplotách. V tomto případě je řízení toku pracovní tekutiny realizováno díky měnícímu se objemu (nebo tlaku - v závislosti na modelu). To je princip činnosti většiny takových strojů, které mohou mít různé funkce a konstruktivní schémata. Motory mohou být pístové nebo rotační. Stroje se zařízeními fungují jako tepelná čerpadla, ledničky, tlakové generátory a tak dále.

Kromě toho existují motory s otevřeným cyklem, kde je regulace průtoku realizována pomocí ventilů. Právě tito jsou nazýváni Ericksonovými motory, kromě společného jména Stirlingova jména. V ICE se provádí užitečná práce po předběžném stlačení vzduchu, vstřikování paliva, ohřevu výsledné směsi rozptýlené spalováním a expanzí.

Stirlingův motor má stejný princip: při nízkých teplotách dochází ke kompresi a při vysoké teplotě - expanzi. Jinak se však vytápění provádí: teplo je dodáváno přes stěnu válce zvenčí. Proto se nazýval externí spalovací motor. Stirling použil periodickou změnu teploty s posuvným pístem. Ten druhý pohybuje plynem z jedné dutiny válce do druhé. Na jedné straně je teplota stále nízká a na druhé vysoká. Když se píst pohybuje nahoru, plyn se pohybuje z horké do studené dutiny a dolů - vrátí se do horkého. Za prvé, plyn dává chladničce spoustu tepla a poté z ohřívače dostane tolik, kolik dává. Mezi ohřívačem a chladničkou je regenerátor - dutina vyplněná materiálem, ke kterému plyn odvádí teplo. Při zpětném toku ho regenerátor vrátí.

Systém pohonných hmot je připojen k pracovnímu pístu, který stlačuje plyn v chladu a umožňuje jeho expanzi do tepla. Díky kompresi při nižší teplotě se provádí užitečná práce. Celý systém prochází čtyřmi cykly s přerušovanými pohyby. Klikový mechanismus zajišťuje kontinuitu. Proto mezi jednotlivými etapami cyklu neexistují ostré hranice a účinnost Stirlingova motoru se nezhoršuje.

Vzhledem k výše uvedenému závěr naznačuje, že tento motor je pístový stroj s externím přívodem tepla, kde pracovní kapalina neopouští uzavřený prostor a není nahrazena. Výkresy Stirlingova motoru dobře ilustrují zařízení a princip jeho provozu.

Podrobnosti o práci

Slunce, elektřina, jaderná energie nebo jakýkoli jiný zdroj tepla mohou dodávat energii Stirlingovu motoru. Princip práce jeho těla je použití hélia, vodíku nebo vzduchu. Ideální cyklus má maximální tepelnou účinnost, která činí třicet až čtyřicet procent. Ale s účinným regenerátorem může pracovat s vyšší účinností. Regenerace, vytápění a chlazení zajišťují vestavěné výměníky tepla, které pracují bez oleje. Je třeba poznamenat, že motor potřebuje velmi málo mazání. Průměrný tlak ve válci je obvykle 10 až 20 MPa. Proto vyžaduje vynikající těsnící systém a možnost vnikání oleje do pracovních dutin.

Srovnávací charakteristiky

Ve většině dnešních motorů tohoto typu se používá tekuté palivo. Současně lze snadno řídit nepřetržitý tlak, což přispívá ke snížení emisí. Absence ventilů zajišťuje tichý provoz. Výkon s hmotností srovnatelnou s motory s turbodmychadlem a specifický výkon přijímaný na výstupu odpovídá ukazateli naftové jednotky. Rychlost a točivý moment nezávisí na sobě.

Náklady na výrobu motoru jsou mnohem vyšší než náklady na ICE. V provozu je však dosažen opak.

Výhody

Jakýkoli model motoru Stirling má mnoho výhod:

• Účinnost v moderním designu může dosáhnout až sedmdesát procent.
• Motor nemá vysokonapěťový zapalovací systém, vačkový hřídel a ventily. Během celé životnosti nebude nutné jej měnit.
• V Stirlingu není takový výbuch, jako v ICE, který silně nakládá klikové hřídele, ložiska a spojovací tyče.
• Nemají to takový účinek, když říkají, že motor zmizel.
• Díky jednoduchosti zařízení je možné ho používat po dlouhou dobu.
• Může pracovat jak na palivovém dříví, tak i na jaderném a jiném typu paliva.
• Spalování probíhá mimo motor.

Nevýhody

• Hlavní nevýhodou návrhu je spotřeba materiálu.
• Pracovní těleso musí být ochlazeno, díky čemuž se rozměry výrazně zvyšují.
• Aby bylo dosaženo shodných vlastností s ICE, je nutné použít vysoký tlak.
• Pro pracovní těleso se dodává teplo stěnami výměníků tepla, v nichž je omezena tepelná vodivost.
• Změna výkon motoru, změňte hlasitost vyrovnávací kapacita, průměrný tlak pracovní tekutiny, fázový úhel mezi posuvem a pístem.

Aplikace

V současné době se Stirlingův motor s generátorem používá v mnoha oblastech. Jedná se o univerzální zdroj elektrické energie v chladničkách, čerpadlech, ponorech a solárních elektrárnách. Je to díky použití různých druhů paliva, které lze široce využít.

Obnova

Tyto motory se začaly znovu rozvíjet díky společnosti Philips. V polovině dvacátého století uzavřela smlouvu s General Motors. Vedla vývoj pro aplikaci Stirlingu do vesmírných a podvodních zařízení, na lodě a automobily. Následovala další vývoj od švédské společnosti United Stirling, včetně případného použití u osobních automobilů.

Dnes je lineární Stirlingův motor používán v instalacích podvodních, prostorových a solárních zařízení. Velký zájem o něj je kvůli naléhavosti problémů zhoršování situace v oblasti životního prostředí a boje proti hluku. V Kanadě a v USA, Německu a Francii, stejně jako v Japonsku, existují aktivní hledání vývoje a zlepšení jeho využívání.

Budoucnost

Výrazné výhody, které mají píst a rotačního motoru Stirling, spočívající ve velkém zdroji práce, použití různých paliv, bezhlučnosti a nízké toxicitě, je velmi slibné na pozadí spalovacího motoru. Vzhledem k tomu, že ICE se po celou dobu zlepšila, nelze ji snadno přesunout. Tak či onak, je tento motor, který v současné době zaujímá vedoucí pozici a nebude je v blízké budoucnosti předávat.