- Суть винаходу Стірлінга
- Історія розвитку двигунів зовнішнього згоряння
- Як працює теплова машина Стірлінг
- Сфера застосування двигунів зовнішнього згоряння
- Чи можна використовувати двигуни Стірлінга замість ДВС
- Як працює і де застосовується двигун зовнішнього згоряння
Парові двигуни, широко використовувані в дев'ятнадцятому столітті, не забезпечували достатній безпеці при їх експлуатації. Механізми володіли множинними конструктивними недоліками, не витримували високого тиску пара, що призводило до розривів котлів. Двигун зовнішнього згорання , Запатентований в 1816 році священиком з Шотландії на ім'я Роберт Стірлінг, став вдалим рішенням для того часу. Його унікальність полягала в застосуванні спеціального очищувача (регенератора) в, відомих раніше, «двигунах гарячого повітря».
Принципова схема теплового двигуна :
На представленій схемі в доступній формі проілюстровано пристрій поршневого механізму і порядок його роботи.
Суть винаходу Стірлінга
На схемі теплової двигун складається з двох циліндрів компресійного і робітника. Ліва і права сторони подовженого циліндра розділені теплоізоляційної стінкою. Усередині ходить спеціальний витіснювальний поршень, який не стикається з бічними стінками.
- До лівій стороні пристрою підводиться тепло, до правої - охолодження.
- Коли поршень рухається вліво, гаряче повітря витісняється в холодну праву зону і охолоджується.
- При цьому газ зменшується обсязі.
- Робочий поршень втягується вліво.
- При русі витіснювальний поршня вправо холодне повітря витісняється в гарячу зону, де нагрівається і розширюється.
- Штовхає робочий поршень вправо.
- Робочий і витіснювальний поршні пов'язані між собою через колінчастий вал з кутом зсуву 90 градусів.
важливо: тепловий двигун - це механізм поршневого типу з підведенням тепла від зовнішнього джерела. Робоче тіло пристрої постійно знаходиться в замкнутому просторі і не підлягає заміні. Для поставки необхідної кількості тепла можуть бути використані наступні джерела:
- електрика;
- сонце;
- ядерна енергія та ін.
Історія розвитку двигунів зовнішнього згоряння
На відміну від двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), де енергія виділяється в результаті розширення обсягу повітря при згорянні паливних сумішей, тут нагрів робочого матеріалу здійснюється через зовнішні стінки циліндра. Звідси пішла назва «Двигун зовнішнього згорання».
Завдяки появі в конструкції двигуна регенеруючого елемента, тепло надовго зберігається в зоні дії при охолодженні робочого тіла, що сприяє значному підвищенню продуктивності двигуна. Винахід дозволило збільшити ефективність механізмів, його стали широко застосовувати в промисловому виробництві.
З плином часу, пристрої Стірлінга втратили популярність, але за інерцією продовжували застосовуватися на деяких нечисленних виробництвах. Парові двигуни поступилися лідируючу сходинку механізмам нового покоління:
- двигунів внутрішнього згоряння;
- парових машин;
- електричних двигунів.
Про достоїнства теплових пристроїв знову стали згадувати тільки в двадцятому столітті. Впровадженням двигунів Стірлінга в сучасні розробки займаються кращі інженерні колективи відомих виробників Америки, Швеції, Японії та ін.
Як працює теплова машина Стірлінг
Принцип роботи двигуна зовнішнього згоряння полягає в постійній зміні режимів - нагрівання / охолодження робочого матеріалу, що знаходиться в замкнутому просторі. Виходячи із законів фізики, при нагріванні газу, його обсяг збільшується, а при зниженні температури, він зменшується відповідно. Кількість енергії, що виробляється залежить від коефіцієнта зміни обсягу робочого тіла.
Під терміном «робоче тіло» маються на увазі такі речовини:
- Повітря.
- Пар.
- Газ (гелій, водень, фреон, двоокис азоту).
- Рідина (вода, зріджений бутан або пропан).
Сфера застосування двигунів зовнішнього згоряння
В результаті подальших удосконалень конструкції мотора, газ нагрівається / охолоджується при постійному тиску в системі (замість збереження обсягу). Цей винахід інженера зі Швеції на ім'я Еріксон, дозволило створювати двигуни, призначені для використання працівниками шахт, друкарень, судів тощо. У пасажирських екіпажах того часу теплові двигуни не застосовувалися, т. К. Володіли порівняно великою вагою.
Двигуни зовнішнього згорання часто використовувалися для приведення в дію генераторів в районах, де була відсутня подача електроенергії.
Цікаво: У 1945 році винахідники-ентузіасти компанії Philips придумали зворотне застосування теплових пристроїв. При розкручуванні вала електричним двигуном, головка циліндра охолоджується до мінус 190 ° С. Це дало можливість використовувати вдосконалений поршневий двигун зовнішнього згоряння Стірлінга в холодильних агрегатах.
Чи можна використовувати двигуни Стірлінга замість ДВС
Компанія General Motors з другої половини ХХ століття почала займатися впровадженням у виробництво V-образних стирлингов для кривошипно-шатунних механізмів. При випробуваннях двигунів зовнішнього згоряння було помічено, що вони ідеально працюють без звуків і шуму. Тут відсутні карбюратор, система запалювання, форсунки, що вимагають високий тиск, свічки, клапани та ін. Для створення достатнього тиску в циліндрах двигуна не потрібно підривати паливо, як в ДВС. При використанні автомобілів, оснащених двигунами зовнішнього згоряння, можна вирішити проблему, пов'язану зі зниженням шуму у великих містах.
В результаті проведених випробувань були виявлені такі переваги і недоліки двигунів зовнішнього згоряння.
- Переваги даних пристроїв:
- безшумна робота (немає необхідності встановлювати глушник);
- відсутність вібрацій;
- немає необхідності в створенні високого тиску в системі;
- універсальність, здатність працювати від різних джерел тепла;
- легкість регулювань.
До недоліків двигунів відносяться:
- порівняно велику вагу конструкції;
- мала економічність;
- висока собівартість механізму.
Спрощена схема V- образного двигуна зовнішнього згоряння:
Один з циліндрів двигуна є робочим (1), інший, відповідно, компресійним (7). У кожному з них розташований свій поршень (2). У центральній частині схеми розміщені: охолоджувач (6), теплообмінник (4), нагрівальний елемент (3). При максимальній швидкості одного з поршнів, інший в цей же час знаходиться в нерухомому стані, його швидкість дорівнює нулю. Кут зсуву фаз дорівнює 90 °, завдяки взаємно перпендикулярному розташуванню циліндрів.
Як працює і де застосовується двигун зовнішнього згоряння
Незважаючи на те, що двигуни Стірлінга були забуті на деякий період, в сучасному виробництві при створенні нових модифікацій видатний винахід набирає нову популярність. Народні умільці гідно оцінили переваги двигунів зовнішнього згоряння і споруджують самостійно в домашніх умовах різні пристосування, засновані на їх застосуванні. Для виготовлення теплового двигуна своїми руками в домашніх майстерень використовуються різні матеріали і підручні засоби:
- Великі і середні ємності, запозичені з домашнього господарства.
- Підшипники від старих механізмів.
- Диски.
- Металеві стрижні різного діаметра для осей, стійок.
- Листи з металу, деревних плит для виготовлення платформи.
Дані пристрої використовуються в домашньому господарстві для виконання самих різних робіт:
- Вироблення електричної енергії в дрібних масштабах.
- Створення теплової енергії.
Кількості потужності деяких зразків саморобних двигунів Стірлінга, досить для облаштування електричної мережі та забезпечення теплом приватних будинків, невеликих шкіл, лікувальних корпусів, спортивних споруд, виробничих майстерень та ін.
Двигуни, створені своїми руками, функціонують від різних джерел тепла:
- природний газ;
- дрова;
- вугілля;
- торф;
- пропан і інші види палива місцевого виробництва або корисних копалин.
Завдяки простоті конструкції, теплові пристрої, виготовлені своїми руками, не потребують регулярного технічного обслуговування агрегату. Спалювання палива здійснюється за межами корпусу циліндра, тому робоче тіло не забруднюється продуктами згоряння, на внутрішніх стінках обладнання не скупчуються шкідливі відкладення.
У порівнянні з ДВС, до складу даної конструкції входить вдвічі менше рухомих вузлів і деталей. Тут потрібно набагато менше мастила для догляду за швидко зношуються елементами. Вимоги до якості мастильних матеріалів - мінімальні.
Для підведення електромережі до споживачів не потрібно купувати дороге обладнання. Підключення проводів до електричної мережі здійснюється простими звичними методами.
Двигуни зовнішнього згорання, вироблені в побутових умовах, легко монтуються на рівних майданчиках, покритих гравієм, без міцної фіксації. Дані установки не схильні до шкідливих атмосферних впливів. Для забезпечення безперебійної стабільної роботи двигуна не потрібен спеціальний захисний корпус.