Студенческий доклад Двигатель Стирлинга

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА

Паль А.Д.
Дальневосточный федеральный университет, филиал в г. Большой Камень
Научный руководитель: преподаватель Дюжая И.А.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], задолго до Стирлинга. Достижением Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом». В современной научной литературе этот очиститель называется «[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]» (теплообменник). Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. В [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] фирма «[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.
Двигатель Стирлинга  [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], но и от любого источника тепла.
Цикл двигателя Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга.
Существует несколько разновидностей теплового двигателя:
- 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, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы;
- 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;
- Гамма-Стирлинг  тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра  один холодный, а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром;
- Роторный двигатель Стирлинга решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставки в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, т.к. двигатель роторный).
К преимуществам двигателя Стирлинга, по отношению к другим существующим двигателям, относится:
- «Всеядность» двигателя  как все двигатели внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями 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;
- 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;
- экологичность  сам по себе Стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. 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.
У двигателя Стирлинга есть ряд недостатков:
- материалоёмкость основной недостаток двигателя, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов;
- тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания.
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.
Двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любой теплоты. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые фирмы выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи. NASA рассматривает варианты генераторов на основе Стирлинга, работающие от ядерных и радиоизотопных источников тепла.
Стирлинг для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель-насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно служит для охлаждения рабочего тела.
Насос на основе двигателя Стирлинга может служить для накачки воды в ирригационные каналы посредством солнечного тепла, для подачи горячей воды от солнечного коллектора в дом.
Стирлинг-насос может использоваться для перекачки химических реагентов, поскольку абсолютно герметичен.
[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] позволяют экономить на отоплении. Принцип действия аналогичен [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], действующему наоборот. Обычно используются теплонасосы, приводимые в движение электричеством. Но электричество в ряде стран производится на теплоэлектростанциях, сжигающих газ, уголь, мазут, и в результате каллория, полученная на таком теплонасосе оказывается не дешевле, чем полученная от сжигания газа.
Практически, все холодильники используют те же тепловые насосы. Применительно к системам охлаждения их судьба оказалась более счастливой. Ряд производителей бытовых холодильников собирается установить на свои модели Стирлинги. Они будут обладать большей экономичностью, а в качестве рабочего тела будут использовать обычный воздух.
Стирлинги оказались эффективны для сжижения газов. Если не требуется больших объёмов, то Стирлинги выгоднее, чем турбинные установки.
Стирлинги выгодно применять для охлаждения датчиков в сверхточных приборах.
Преимущества Стирлинга привели к тому, что ещё в первой половине 1960-х годов военно-морские справочники указывали на возможность установки на подводных лодках типа «[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]» производства Швеции воздухонезависимых двигателей Стирлинга. Однако ни «Шёурмены», ни последовавшие за ними «[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]» и «[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]» указанные силовые установки так и не получили. И только в 1988 году головная субмарина типа «Наккен» была переоборудована под двигатели Стирлинга. С ними она прошла под водой более 10 000 часов.
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.
Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель Стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] двигателя Стирлинга используется, как правило, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], или [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Маленький двигатель Стирлинга служит для охлаждения материнской плате. Принцип работы прост, чем сильней она нагревается, тем быстрее работает двигатель Стирлинга. Следовательно, сильнее охлаждается.
Будущее двигателей Стирлинга видится достаточно перспективным. В дальнейшем будут продолжены разработки по усовершенствованию двигателя Стирлинга. Об этом говорят все различные обзоры по двигательным установкам для транспорта и стационарным энергетическим установкам.
Уже через каких-то сто лет всеобщая экономия в энергетике станет неизбежной. В связи с этими обстоятельствами двигатель Стирлинга в сочетании с подзаряжаемой теплоаккумулирующей системой может оказаться главным в двигательных установках для обеспечения потребностей всего человечества.

Список использованных источников

Двигатели Стирлинга. Пер. с англ. Под ред. В.М. Бродянского. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www. [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Двигатели Стирлинга/В.Н. Даниличев, С.И. Ефимов, В.А. Звонок и др.; под ред. М.Г. Круглова. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].
Уокер Г. Машины, работающие по циклу Стирлинга: Пер. с англ. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ][ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ].