Какво е двигател на Стърлинг? Как работи двигател на Стърлинг?

Какво е двигател на Стърлинг? Как работи двигателят на Стърлинг? Как е открит двигателят на Стърлинг? В какви области се използва? Как се превръща топлинната енергия в енергия на движение? Подробности за двигателите на Стърлинг са в нашата статия.

Какво е двигател на Стърлинг?

Двигателят на Стърлинг е машина, която преобразува енергията, генерирана от външното нагряване на затворена камера, в механична енергия. Известен още като двигател с горещ въздух. Когато нагрятият въздух се разширява и компресира, двигателят започва да се движи. Той е изобретен през 1816 г. от шотландския свещеник, преподобния Робърт Стърлинг. Двигателят е разработен от брат му Джеймс Стърлинг. По времето на изобретателите са били използвани парни машини и са били доста опасни. Те се заеха да намерят по-надеждна алтернатива. Това, което искаха, беше да преобразуват топлинната енергия директно в енергия на движение.

Какво има в двигателя на Стърлинг?

• Силово бутало (изместител): Той служи за придвижване на газа в затворената камера. Обикновено се използва в двигатели от бета и алфа тип.
• бутала: Той помага да се преобразува топлинната енергия в механична чрез движение в цилиндрите на двигателя.
• маховик: Това е конструкцията, към която са прикрепени буталата. Задачата на тази структура е да прехвърля генерираната механична енергия към движещите се части.
• Охладител: Помага за охлаждане на газа в затворената камера. Помага на двигателя да се използва за по-дълги периоди.
• нагревател: Това е най-важната част от двигателя. Използва се за загряване на газа в затворената камера за преобразуване на топлинната енергия в енергия на движение.

В допълнение, при някои типове двигатели, той може да се използва в различни компоненти, различни от тези. Това е изцяло по преценка на разработчиците.

Принцип на работа на двигателя на Стърлинг

Двигателят на Стърлинг работи чрез многократно нагряване и охлаждане на изолирано количество работен газ (обикновено въздух или газове като хелий, водород).

Газът проявява поведение, дефинирано от законите за газа (по отношение на налягането, температурата и обема). Когато газът се нагрява, тъй като се намира в изолирано пространство, налягането му се повишава и въздейства на буталото на мощността, предизвиквайки захранващ удар. Когато газът се охлади, налягането спада и в резултат буталото използва част от работата, извършена при обратния си ход, за да компресира отново газа. Получената мрежа създава сила върху шпиндела. Работният газ периодично протича между горещия и студения топлообменник. Работният газ е запечатан в буталните цилиндри. Така че тук няма изгорели газове. За разлика от други видове бутални двигатели, клапаните не са необходими.

Някои двигатели на Стърлинг използват разделително бутало за преместване на работния газ напред и назад между студен и горещ резервоар. Работният газ се движи, като поддържа цилиндрите при различни температури, благодарение на взаимното свързване на силовите бутала на множеството цилиндри.

В истинските двигатели на Стърлинг между резервоарите е поставен регенератор. Тази топлина се предава от регенератора, тъй като газовият цикъл възниква между горещата и студената страна. В някои конструкции буталото на сепаратора е самият регенератор. Този регенератор допринася за ефективността на цикъла на Стърлинг. Структурата, посочена тук като регенератор, всъщност е твърда конструкция, която няма да попречи на малко въздух да премине през нея. Например, за тази работа могат да се използват стоманени топки. Докато въздухът се движи между студено помещение и топло помещение, той преминава през този регенератор. Преди горещият въздух да достигне до студената част, той оставя малко топлинна енергия върху тези топки. Тъй като студеният въздух преминава към горещата страна, той се затопля малко с освободената преди това топлинна енергия. С други думи, повишава ефективността на двигателя чрез предварително загряване на въздуха преди влизане в горещата част и предварително охлаждане преди влизане в студената част.

Идеалният цикъл на двигателя на Стърлинг има същата теоретична ефективност като топлинния двигател на Карно за същите температури на входа и на изхода. Термодинамичната му ефективност е по-висока от тази на парните машини. (или някои прости двигатели с вътрешно горене и дизелови двигатели)

Всеки източник на топлина може да захранва двигателя на Стърлинг. Двигател с външно горене, горенето в израза често се разбира неправилно. Източникът на топлина може да бъде генериран чрез изгаряне, но може да бъде и слънчева енергия, геотермална енергия или ядрена енергия. По същия начин, източникът на студ, използван за създаване на температурна разлика, може да бъде различни материали под температурата на околната среда. Охлаждането може да се постигне с помощта на студена вода или хладилен агент. Въпреки това, тъй като температурната разлика, която ще се получи от източника на студ, ще бъде ниска, това ще изисква работа с по-големи маси, а загубата на мощност, която ще възникне при изпомпването, ще намали ефективността на цикъла. Продуктите на горенето не влизат в контакт с вътрешните части на двигателя. Животът на смазочното масло в двигателя на Стърлинг е по-дълъг, отколкото в двигателите с вътрешно горене.

Типове двигатели на Стърлинг

Има 3 основни типа двигатели на Стърлинг. Други типове двигатели са подобрени версии на 3 двигателя.

• Стърлинг двигател от алфа тип:

Състои се от две бутала, маховик, затворена газова камера с буталата, топлообменници, топлогенератор и маховик. Той има за цел да активира газа в него чрез нагряване на областта на буталото, поставено отгоре с източник на топлина. Нагрятият газ започва да бута буталото напред-назад, другото свързано бутало започва да се движи, така че горещият и студеният газ се изместват в камерата. Генерираната енергия се прехвърля с помощта на маховика, към който са свързани тези две бутала.

• Бета тип двигател на Стърлинг:

На един и същи вал има 2 бутала. Тези две бутала са свързани едно с друго. Чрез нагряване на камерата с буталото на дъното, газът в затворената камера се нагрява и активира. По този начин буталото започва своето движение нагоре. Другото свързано бутало също помага на студения газ да се движи в камерата. Маховикът, към който са прикрепени буталата, пренася генерираната енергия.

• Гама тип Стърлинг двигател:

Има две отделни бутала. Камерата с по-голямото бутало се нагрява и газът в нея се активира. По този начин буталата, свързани едно с друго с маховика, започват да се движат.

Предимства на двигателите на Стърлинг

• Тъй като топлината се прилага външно, можем точно да контролираме сместа гориво и въздух.
• Тъй като за осигуряване на топлина се използва непрекъснат източник на топлина, количеството неизгорено гориво е много малко.
• Този тип двигатели изискват по-малко поддръжка и смазване от типовете двигатели на тяхното ниво на мощност.
• Те са доста прости по структура в сравнение с двигателите с вътрешно горене.
• Те могат да работят дори при ниско налягане, по-безопасни са от машините с източник на пара.
• Ниското налягане позволява използването на по-леки и по-издръжливи цилиндри.

Недостатъци на двигателите на Стърлинг

• Цената е висока по отношение на икономия на гориво, тъй като необходимата топлина е необходима при първото стартиране на двигателя.
• Доста трудно е да изведем силата му на друго ниво.
• Някои двигатели на Стърлинг не могат да стартират бързо. Те се нуждаят от достатъчно топлина.
• Обикновено водородният газ се използва в затворена камера. Въпреки това, когато молекулите на този газ са доста малки, е трудно да се задържи в камерата. Поради това сме изправени пред допълнителни разходи.
• По-хладната част трябва да абсорбира достатъчно топлина. Ако има твърде голяма загуба на топлина, ефективността на двигателя ще намалее.

Области на приложение на двигателите на Стърлинг

Двигателите на Стърлинг се използват в авиационни двигатели с ниска мощност, морски двигатели, термопомпи, комбинирани топлинни и енергийни системи. Днес той се използва най-вече за генериране на електроенергия в полета на слънчеви панели.