ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА Содержание Введение Что представляет собой двигатель Стирлинга? Развитие двигателя Стирлинга Классификация двигателей Схема работы двигателя Стирлинга Характеристики и особенности конструкции Области применения 6.1. Автомобильные двигатели 6.2. Рефрижераторные установки 6.3. Криогенные газовые машины 6.4. Электрогенераторы малой мощности 6.5. Двигатели для морских судов 6.6. Подводные энергетические системы 6.7. Солнечные энергетические установки 6.8. Механический привод в аппаратах “искусственное сердце” 6.9. Универсальные энергетические системы Заключение Приложение Список литературы
Введение В начале XXI века человечество смотрит в будущее с оптимизмом. На это есть самые веские доводы. Ученая мысль не стоит на месте. Сегодня нам предлагаются все новые и новые разработки. Идет внедрение в нашу жизнь все более экономичных, экологически безопасных и перспективных технологий Это касается, прежде всего, альтернативного двигателестроения и использования так называемых "новых" альтернативных видов топлива: ветра, солнца, воды и других источников энергии Благодаря двигателям всевозможных типов человек получает энергию, свет, тепло и информацию. Двигатели являются сердцем, которое бьется в такт с развитием современной цивилизации. Они обеспечивают рост производства, сокращают расстояния. Распространенные в настоящее время двигатели внутреннего сгорания имеют целый ряд недостатков: их работа сопровождается шумом, вибрациями, они выделяют вредные отработавшие газы, загрязняю тем самым нашу природу, и потребляют много топлива. Но на сегодняшний день альтернатива им уже существует. Класс двигателей, вред от которых минимален, - двигатели Стирлинга. Они работают по замкнутому циклу, без непрерывных микро взрывов в рабочих цилиндрах, практически без выделения вредных газов, да и топлива им требуется гораздо меньше Изобретенные задолго до двигателя внутреннего сгорания и дизеля, двигатель Стирлинга был незаслуженно забыт Возрождение интереса к двигателям Стирлинга обычно ассоциируется с деятельностью фирмы Philips. Работы по конструированию двигателей Стирлинга небольшой мощности начались в фирме в середине 30-х годов ХХ века. Целью работ было создание небольшого электрического генератора с низким уровнем шума и тепловым приводом для питания радиоаппаратуры в районах мира с отсутствием регулярных источников электроснабжения. В 1958 году компания General Motors заключила лицензионное соглашение с фирмой Philips, и их сотрудничество продолжалось до 1970 года. Разработки были связаны с использованием двигателей Стирлинга для космических и подводных энергетических установок, автомобилей и судов, а также для систем стационарного энергоснабжения. Шведская фирма United Stirling, сконцентрировавшая свои усилия в основном на двигателях для транспортных средств большой грузоподъемности, распространили свои интересы на область двигателей для легковых машин. Настоящий же интерес к двигателю Стирлинга возродился только во времена так называемого “энергетического кризиса”. Именно тогда особенно привлекательными показались потенциальные возможности этого двигателя в отношении экономического потребления обычного жидкого топлива, что представлялось весьма важным в связи с ростом цен на топливо
1. Что представляет собой двигатель Стирлинга? Двигатель Стирлинга – это машина, которая работает по замкнутому термодинамическому циклу. Циклические процессы сжатия и расширения происходят при отличных температурах, а управление потоком рабочего тела осуществляется путем изменения его объема. Двигатель характеризуется: отсутствием клапанного механизма; свободным от масла рабочим пространством; высокими значениями среднего давления газа; передачей тепла через стенки цилиндра или теплообменник. Эта формулировка является общей для большого семейства машин Стирлинга, различающихся по своим характеристикам, функциям и конструктивным схемам. Эти двигатели могут быть роторными и поршневыми различной степени сложности. Машины Стирлинга могут работать как двигатели, тепловые насосы, холодильные установки и генераторы давления. Вместе с тем, существуют машины, работающие по открытому циклу, в которых управление потоком рабочего тела осуществляется с помощью клапанов. Такие машины более точно могут быть названы двигателями Эриксона по фамилии его изобретателя. Между двумя типами этих машин не делается никакого различия, поэтому название "двигатель Стирлинга" употребляется для всех без исключения регенеративных машин Основные термодинамические процессы, протекающие в обычных тепловых двигателях: сжатие газа, поглощение тепла, расширение газа и отвод тепла, легко различимы и в цикле двигателя Стирлинга, однако имеется радикальное различие в процессе поглощения тепла в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Двигатель Стирлинга представляет собой преобразователь энергии, относящийся к типу тепловых двигателей, совершающих механическую работу на выходном валу при подводе к ним тепловой энергии. Полезная работа в рабочем цикле Стирлинга совершается за счет сжатия рабочего тела, в качестве которого используется гелий или водород при низкой температуре, и расширения того же рабочего тела после нагрева при более высокой температуре В ДВС распыленное топливо соединяется с окислителем, чаще всего это воздух, до фазы сжатия или после этой фазы, и образовавшаяся горючая смесь отдает свою энергию во время кратковременной фазы горения (сгорания). А в двигатель Стирлинга энергия поступает и отводится от него через стенки цилиндра или теплообменник (Схема 1). Самым значительных отличием между двигателем внутреннего сгорания и двигателем Стирлинга является отсутствие в последнем клапанов или отверстий для впуска и выпуска, поскольку рабочее тело (газ) постоянно находится в полостях двигателя Изменение количества газа или величины среднего давления позволяет изменять характеристики двигателя Стирлинга. Применяя эти средства регулирования скорости, необходимо предусмотреть клапанный механизм с соответствующей системой патрубков, примыкающих к цилиндрам, но не составляющих с ними одно целое. При этом клапанный механизм имеет другое назначение и другие характеристики по сравнению с клапанным механизмом двигателя внутреннего сгорания У двигателя Стирлинга, работающего по замкнутому циклу имеются как свои преимущества, так и существенные недостатки. В связи с тем, что рабочее газообразное тело постоянно находится в полости двигателя, отвод неиспользованного тепла в атмосферу полностью осуществляется через теплообменник. А в двигателях с незамкнутым циклом производится выпуск горячих газов из цилиндров. Это значит, что двигателю Стирлинга, по сравнению с двигателем внутреннего сгорания, требуется более развитая система охлаждения, что и видно из структуры энергетического баланса (Схема 2). В системах, предназначенных для транспортных средств, где необходимо сэкономить пространство, занимаемое двигателем, необходимость использования радиатора с увеличенным рабочим объёмом является недостатком, в то же время это может стать преимуществом в системах, потребляющих всю энергию, и в тепловых насосах, где холодильник больших размеров может увеличить КПД системы В конструкции двигателя отсутствуют клапаны в основном корпусе. Работа без периодических взрывов означают, что устранены основные источники шума, как газодинамического, так и механического. Это делает двигатель Стирлинга существенно значительно менее шумным, чем другие устройства для выработки механической энергии с возвратно-поступательным движением, и тем самым более перспективным для применения в военных целях Двигатель Стирлинга нельзя с достаточной строгостью назвать двигателем внешнего сгорания, поскольку любой источник тепла с подходящей температурой (энергия солнца, аккумулированная, тепловая энергия, энергия, выделяющаяся при горении, ядерная энергия и т.п.) может быть использована для этой цели. Из-за простоты использования и из-за требований, обусловленных конкретным назначением установки в настоящее время в большинстве установок с двигателями Стирлинга применяется жидкое топливо В двигателях Стирлинга применяются регенеративные теплообменники (регенераторы), размещенные в каналах, по которым газ перемещается между горячей и холодной зонами двигательной установки. Функцией регенератора является попеременное накопление и возвращение части тепловой энергии, полученной в рабочем цикле двигателя. Передача энергии пульсирующему газовому потоку должна происходить таким образом, чтобы свести к минимуму подвод тепла к установке и в то же время поддерживать на заданном уровне мощность, снимаемую с вала. Результатом действия регенератора является возрастание КПД цикла, поэтому теплообменник такого типа - существенный элемент любого двигателя Стирлинга, рассчитанного на практическое применение Наиболее верным будет определение двигателя Стирлинга как теплового двигателя, работающего по замкнутому регенеративному циклу (Схема 3). Конструктивной особенностью двигателя Стирлинга является пр
