РОЗДІЛ 17. Двигун стирлінга

Двигун Стерлінга - двигун, що працює по замкненому регенеративному циклу (цикл Стерлінга). Цей цикл складається з послідовно чергуючих двох ізотермічний і двох ізохоричних процесів. Діаграма ідеалізованого циклу Стирлінга показано на Рис. 17.1. Робочим тілом цього двигуна може служити гелій або водень, які перебувають під тиском 100-140 кгс/див. Робоче тіло перебуває в замкненому просторі й під час роботи не витрачається, а тільки змінює свій обсяг при нагріванні й при охолодженні. Регенератор - теплообмінник розділяє робочий простір на дві частини: гарячу (верхню) порожнина й холодну (нижню) порожнина. При цьому до верхньої порожнини тепло підводить від нагрівана, а від нижньої порожнини тепло приділяється охолоджувачем, у якому циркулює вода. Гаряча й холодна порожнини з'єднані між собою каналами, що проходять через нагрівач, регенератор-теплообмінник і охолоджувач.

Спрощена схема двигуна Стирлінга наведено на Рис. 17.2. На цьому Рис.: 1 - гаряча порожнина; 2 – нагрівач; 3 - поршень - визискувач; 4 - теплообмінник; 5 - охолоджувач; 6 - холодна порожнина; 7 - робочий поршень; 8 - зовнішнє ущільнення; 9 -колеса, що синхронізують роботу поршнів; 10- ромбічний механізм: 11 - корпус. Як видно з малюнка двигун Стерлінга має два поршні: робочий поршень і поршень- витискувач. Робочий цикл двигуна Стирлінга здійснюється за 4 такти. Під час 1-го такту поршень визискувач нерухливий, а робочий поршень переміщається нагору й

Рис. 17.2. Схема двигуна Стирлінга

Рис. 17.1. Діаграма ідеалізованого циклу Стирлінга

стискає робоче тіло в нижній порожнині. Наприкінці стиску робочий поршень зупиняється. Починається 2 такт, під час якого витискувач рухається до низу, при цьому холодне стисле робоче тіло перетікає з нижньої порожнини у верхню, підігріваючись спочатку в регенераторі, а потім у нагрівачі. 3-такт робочій хід, під час якого робоче тіло, розширюючись у верхній порожнині, робить корисну роботу. Під час робочого ходу оба поршня спільно рухаються вниз. В 4-м такті робочий поршень залишається неруховим, а витискувач рухається нагору; робоче тіло з верхньої порожнини надходить у нижню, віддаючи спочатку частину теплоти регенератору, а потім остаточні) охолоджується в охолоджувачі.

Перетворення зворотно - поступального руху поршнів в обертовий рух здійснюється ромбічним механізмом. Схема роботи двигуна Стирлінга показано на Рис. 17.3. На цьому Рис.: І - такт стиску; II -такт нагрівання; Ш - такт робочого ходу; IV - такт охолодження.

Існують і V - образні двигуни Стирлінга подвійної дії. У цих двигунах у кожному із двох циліндрів знаходиться по одному поршню, шо забезпечують стиск, розширення й витиснення робочого тіла. Робочий процес здійснюється одночасно у двох порожнинах, розташованих по обидва боки поршня. При цьому, робочий поршень кожного циліндра одночасно с витискувачем для сусіднього циліндра. Повний робочий цикл здійснюється за оберт кривошипного механізму, як це відбувається у двотактному двигуні внутрішнього згоряння. Схема такого двигуна показано на Рис. 17.4. На цьому Рис.: 1 - теплообмінник; 2 - гаряча порожнина; 3 - холодна порожнина; 4 – поршня.

Рис. 17.3. Схема роботи двигуна Стирлінга

Існуючі різновиди двигуна Стирлінга підрозділяються на три типи.

Альфа - Стирлінг – містить два роздільні силові поршні в роздільних циліндрах. Один поршень - гарячий, інший - холодний. Циліндр з гарячим поршнем перебуває в теплообміннику з більш високою температурою, у той час як циліндр із холодним поршнем перебуває в більш холодному теплообміннику. Регенератор перебуває між гарячою частиною сполучної Образного двигуна Стирлінга трубки й холодної. У даного типу двигуна відношення потужності до обсягу досить велике, але висока температура "гарячого" поршня створює певні технічні труднощі.

Бета-Стирлінг - циліндр усього один, гарячий з одного кінця й холодний з іншого. Усередині циліндра рухаються поршень (з якого знімається потужність) і "визискувач", що змінює обсяг гарячої порожнини. Газ перекачується з холодної частини циліндра в гарячу його частину через регенератор. Регенератор може бути зовнішнім, як частина теплообмінника, або може бути сполучений з поршнем- витискувачем.

Гама - Стирлінг - є поршень і "визискувач", але при цьому два є два циліндри - один холодний (там рухається поршень, з якого знімається потужність), а другий гарячий з одного кінця й холодний з іншого (там рухається "визискувач"). Регенератор може бути зовнішнім, у цьому випадку він з'єднує гарячу частину другого циліндра з холодної й одночасно з першим (холодним) циліндром. Внутрішній регенератор є частиною визискувача.

Також слід зазначити ще один різновид двигуна Стирлінга - роторний двигун Стирлінга. Цей двигун відрізняється від вище описаних наявністю проміжного контуру, що виконує роль буферної ємності для відпрацьованого газу й тимчасового сповільнювача. Тимчасовий сповільнювач дає можливість

Рис. 17.4. Схема V-

нагріти газ за час руху кулачка по проміжному контуру. Роторний принцип мас значні позитивні якості, які недоступні поршневим двигунам, і перше з них - це мініатюрність, що дозволяє зробити не тільки мініатюрним сам двигун, алев розмістити всередині нього електрогенератор без істотного збільшення розмірів. Інша важлива перевага - сталість круглого моменту, тому що плече ротора постійно. Ще одна перевага - це стругаючи черговість протікання тактів - ротор переходить у наступний сегмент тільки після того, як повністю відробив у попередньому, у поршневому ж двигуні рух поршнів підлеглий синусоїдальному закону, що знижує зусилля газу на величину протитиску. Немаловажною якістю є й те, що відсутні зворотні рухи, ротор рухається тільки поступально, немає необхідності демпфірування, що також збільшує ефективний ККД. Ще однією позитивною якістю є те, що в тепло переносі бере участь увесь обсяг робочого тіла, а не частина його, як у поршневих двигунах.

Двигун Стирлінга може використовуватися для перетворення сонячної енергії в електричну енергію. Для цього двигун Стирлінга встановлюється у фокус параболічного дзеркала, таким чином, щоб область нагрівання була постійно освітлена. Параболічний відбивач управляється по двом координатам при спостереженні за сонцем. Енергія сонця фокусується на невеликій площі. Дзеркала відбивають близько 92% падаючого на них сонячного випромінювання. У якості робочого тіла двигуна Стирлінга, використовуваного для перетворення сонячної енергії, застосовується водень, або гелій.

В 2008 році Національна лабораторія Sandia одержала ефективність перетворення сонячної енергії 31,25% на установці, що складається з параболічного концентратора й двигуна Стирлінга. Компанія Stirling Solar Energy розробляє сонячні колектори великої потужності - до 150 кВт на одне дзеркало. Компанія будує в південній Калифорнии найбільшу у світі сонячну електростанцію, з використанням двигуна Стирлінга.

До основних перевагам ставляться наступні фактори. Двигун Стерлінга може працювати від майже будь-якого перепаду температур: наприклад, між різними шарами води в океані, від сонця, від ядерного або ізотопного нагрівана, вугільної або дров'яної печі, при невеликих перепадах температур цей двигун є найефективнішим, у порівнянні з іншими видами двигунів. Цей двигун не має вихлопу, а значить рівень його шуму набагато менше, чим у поршневих двигунів внутрішнього згоряння. Сам по собі двигун Стерлінга не має якихось частин або процесів, які можуть сприяти забрудненню навколишнього середовища. Він не витрачає робоче тіло. Екологічність двигуна обумовлена, насамперед, екологічністю джерела тепла.

Недоліки цього типу двигунів. Робоче тіло, використовуване у двигуні, необхідно охолоджувати, і це приводить до істотного збільшення масогабаритних показників силової установки за рахунок збільшених радіаторів. Тепло підводить не до робочого тіла безпосередньо, а тільки через стінки теплообмінників. Стінки мають обмежену теплопровідність, через що ККД виявляється нижче, чим можна було очікувати. Що сильно нагрівається теплообмінник працює в дуже напружених умовах теплопередачі, і при високих тисках, що вимагає застосування високоякісних і дорогих матеріалів.