Като начало фамилията Стърлинг е доста често срещана както в Англия, така и в Шотландия. Тоест, ако има замък Стърлинг, тогава защо не и „Мистър Стърлинг“? И точно такъв човек - шотландският свещеник Робърт Стърлинг, на 27 септември 1816 г. получава британски патент за двигател, който няма нищо общо с парна машина! Нещо повече, двигателят, кръстен на него, се оказа уникален, тъй като можеше да работи от всеки източник на топлина!
Робърт Стърлинг.
През 1843 г. синът му Джеймс Стърлинг използва двигателя на баща си във фабрика, където работи като инженер. Е, вече през 1938 г. бяха създадени стирлинги с мощност до 200 к.с. и ефективност от 30 процента.
Принципът на работа на този двигател е да се редува нагряване и охлаждане на работната течност в напълно затворен цилиндър. Обикновено работната среда е въздух, но могат да се използват водород и хелий, както и фреони, азотен диоксид, втечнен пропан-бутан и дори вода. Освен това той остава течен през целия термодинамичен цикъл. Тоест, дизайнът на двигателя е изключително прост и използва добре познатото свойство на газовете: техният обем се увеличава от нагряване, а от охлаждането намалява.
Един от многото домашни стерлинги.
Двигателят на Стърлинг използва … "цикъла на Стърлинг", който по отношение на своята термодинамична ефективност не само не е по -лош от цикъла на Карно, но дори има някои предимства. Във всеки случай, "цикълът на Стърлинг" ви позволява да получите работещ двигател, направен от обикновена тенекия, само за няколко часа.
Бета устройство на Стърлинг.
Самият "цикъл на Стърлинг" включва четири основни фази и две преходни: нагряване, разширяване, преход към студен източник, охлаждане, компресия и преход към източник на топлина. Е, получаваме полезна работа в процеса на разширяване на обема на нагрятия газ.
Фаза 1.
Фаза 2.
Фаза 3.
Фаза 4.
Работният цикъл на бета -типа двигател на Стърлинг: а - бутало с работен обем; б - работно бутало; в - маховик; г - пожар (отоплителна зона); д - охлаждащи перки (охлаждаща зона).
Работи по следния начин: има два цилиндъра и две бутала. Външен източник на топлина - а те могат да бъдат дори изгаряне на дърва, дори газова горелка, дори слънчева светлина - повишава температурата на газа в долната част на топлообменния цилиндър. Възниква налягане и изтласква работното бутало нагоре, а буталото за изместване не приляга плътно към стените на цилиндъра. Освен това маховикът, превъртайки, го натиска надолу.
Схема на Стърлинг от консервна кутия.
В този случай горещият въздух от дъното на цилиндъра влиза в охладителната камера. В работната камера обаче се охлажда и свива, а след това работното бутало се втурва надолу. Буталото за изместване се движи нагоре и по този начин охладеният въздух се движи към дъното. По този начин цикълът се повтаря. В Stirling движението на работното бутало се измества с 90 ° спрямо буталото за изместване.
Снимка на разбъркване от консервна кутия.
С течение на времето се появяват много различни дизайни на „стилизиране“, кръстени на буквите от гръцката азбука: алфа, бета, гама, които имат различия в работния цикъл. Основните разлики между тях са малки и се свеждат до подреждането на цилиндрите и размера на буталата.
Стърлинг двигател с линеен алтернатор.
Alpha Stirling има две отделни бутала с мощност в различни цилиндри: гореща и студена. Цилиндърът с горещото бутало се намира в топлообменника, който има по -висока температура, а цилиндърът със студеното бутало, съответно, в по -студения. Регенераторът (т.е. топлообменникът) е разположен между горещата и студената част.
Бета Стърлинг има само един цилиндър, горещ в единия край и студен в другия. Буталото се движи вътре в цилиндъра (от който се изважда захранването) и изместващото устройство, което променя обема на своята гореща зона. Газът се изпомпва към горещия край на бутилката от студения край на бутилката през регенератор.
Гама Стърлинг също има бутало и изместител, както и два цилиндъра - студен (където буталото се движи, от което се изважда захранването) и горещ (където изместващият механизъм се движи съответно). Регенераторът е външен, в този случай той свързва горещата част на втория цилиндър със студения и едновременно с първия (студен) цилиндър. Вътрешният регенератор в този случай е част от изместителя.
Има разновидности на двигателя на Стърлинг, които не попадат в тези три класически типа: например ротационният двигател на Стърлинг, при който проблемите с изтичането се решават и няма колянов механизъм, тъй като той е ротационен.
Какво е добро за бъркалките и защо са лоши? На първо място, те са всеядни и могат да използват всякаква температурна разлика, включително тази между различните слоеве вода в океана. Изгарянето в тях е с постоянен характер, което осигурява ефективно изгаряне на гориво, което означава, че неговата екологичност е по -висока. Освен това той няма изпускателни газове. По -ниско ниво на шум - няма "експлозии" в цилиндрите. По -малко вибрации, например, с бета бъркане. Работната течност не се консумира от стилизиране. Дизайнът на двигателя е изключително прост, не изисква механизми за разпределение на газ. Стартер не е необходим, както и скоростна кутия.
Простотата и отсъствието на редица „деликатни“възли осигуряват на „разбъркването“безпрецедентно изпълнение за всички останали двигатели за десетки и стотици хиляди часове непрекъсната работа.
Шведска подводница "Gotland".
Стърлингите са много икономични. По този начин превръщането на слънчевата енергия в електрическа чрез разбъркване дава по -висока ефективност (до 31, 25%) от топлинните двигатели, работещи на пара. За тази цел „стайлингът“е поставен във фокуса на параболичното огледало, което „следва“слънцето, така че цилиндърът му да се нагрява постоянно. Именно на такава инсталация в Калифорния горният резултат беше получен през 2008 г., а сега има изграждане на голяма слънчева станция върху бъркалките. Можете да ги прикрепите към корпуса на доменните пещи и тогава непрекъснатото топене на чугун ще ни даде много … евтина енергия, защото сега тази топлина се губи!
Като цяло има само един недостатък на стила. Може да се прегрее и тогава веднага ще се провали. Освен това, за да се постигне висока ефективност, газът трябва да е под много високо налягане в бутилката. Водород или хелий. И това е изключителна прецизност при монтажа на всичките му работни единици и специална високотемпературна грес. Е, размерите … горивната камера не е необходима. Стърлинг не може да живее без нея! А това е допълнителен обем и система за изолация и охлаждане!
Soryu е японска подводница, задвижвана от двигатели на Стърлинг.
Промяната в приоритетите обаче вероятно ще проправи пътя за двигателите на Стърлинг. Ако поставим екологичността на преден план, тогава ще бъде възможно да се сбогуваме с двигателя с вътрешно горене веднъж завинаги. Освен това им се възлагат големи надежди за създаването на обещаващи слънчеви електроцентрали. Те вече се използват като автономни генератори за туристи. И някои предприятия са установили производството на стерлинги, които работят от конвенционална горелка за газова фурна. НАСА обмисля и варианти за генератори на енергия на Стърлинг, задвижвани от ядрени и радиоизотопни източници на топлина. По -специално се планира използването на такъв стил, съчетан с електрически генератор, в планираната от НАСА космическа експедиция до Титан.
"I litter" - оформлението.
Интересно е, че ако стартирате двигателя на Стърлинг в обратен режим, тоест завъртите маховика от друг двигател, той ще работи като хладилна машина (обратен цикъл на Стърлинг) и именно тези машини се оказаха много ефективни за производство на втечнени газове.
Е, сега, тъй като имаме военен обект, отбелязваме, че Стърлингс е тестван на шведски подводници през 60 -те години на миналия век. И тогава през 1988 г. „Стърлингс“се превръща в основен двигател на подводницата клас „Наккен“. С тях тя плаваше под вода повече от 10 000 часа. След "Nakken" последваха серийните подводници от типа "Gotland", които станаха първите подводници, оборудвани със двигатели на Stirling, което им позволява да останат под вода до 20 дни. Днес всички подводници на шведския флот имат двигатели с бъркане, а шведските корабостроители са разработили оригиналната технология за инсталиране на такива двигатели на конвенционални подводници, като са врязали в тях допълнително отделение с нова задвижваща система. Те работят с течен кислород, който след това се използва в лодката за дишане и се отбелязва, че те имат много ниски нива на шум. Е, гореспоменатите недостатъци (проблем с размера и охлаждането) на подводен боен кораб не са значителни. Примерът на шведите изглеждаше на японците достоен за внимание и сега Стърлингите също са на японските подводници от клас „Soryu“. Именно тези двигатели днес се считат за най-обещаващите едномодови двигатели за подводници от 5-то поколение.
И така изглежда стайлингът на студент от Пензенския държавен университет Николай Шевелев.
Е, сега доста за това каква … "лоша младост" имаме. На 1 септември идвам при студенти - бъдещи инженери -инженери, задавам им традиционни въпроси, какво четат (практически нищо!), На какво им харесва (с това положението не е много по -добро, но предимно краката са заети, не главата!), Какви технически списания са известни - „Млад техник“, „Моделен дизайнер“, „Наука и технологии“, „Популярна механика“… (няма!), а след това един ученик ми казва, че е обичам двигателите. Един на 20, но това вече е нещо! И тогава той ми казва, че сам е направил двигателя на Стърлинг. Знам как да направя такъв двигател от обикновена тенекия, но после се оказа, че е направил нещо много по -ефективно. Казвам: "Донеси го!" - и той донесе. "Опиши как го направи!" - и той описа и аз толкова харесах неговото "есе", че го представям тук без никакви промени или съкращения.
Началото на работата е „творчески хаос“.
„Винаги съм харесвал технологиите, но най -вече двигателите. Занимавам се с поддръжка, ремонт и персонализиране с голям интерес. След като научих за двигателя на Стърлинг, бях очарован от него като никой друг двигател. Светът на стила е толкова разнообразен и голям, че е просто невъзможно да се опишат всички възможни варианти за неговото изпълнение. Никой друг двигател няма да даде такова разнообразие по отношение на дизайна и най -важното - възможността да го направите сами.
Имах идеи да направя модел на двигател от консервна кутия и други импровизирани средства, но не беше в моите правила да правя „така или иначе от това, което получи“. Затова реших да се захвана сериозно с тази задача, за да започна с теоретична подготовка. Проучих литературата в интернет, но търсенето не донесе желания резултат: преглед на статии и видеоклипове, липса на чертежи за моделите на този двигател. Готовите модели бяха продадени на твърде висока цена. В допълнение, голямо желание да направите всичко сами, да разберете принципа на работа, да отстраните грешки и да проведете тестове, да получите полезна работа от този двигател и дори да се опитате да намерите неговото приложение в икономиката.
"Обръщащ се бизнес!" (Умен ученик, той засне целия процес на работа като спомен. Настоящи, граждани, документални фотографски доказателства … и ето ги!)
Попитах из форумите и те споделиха литературата с мен. Това беше книгата „Стирлинг двигатели“(Автори: Г. Райдър и Ч. Хупър). Той отразява цялата история на този тип двигателно строителство, защо бързото развитие спира и къде тези двигатели все още се използват. От книгата научих по -подробно всички процеси, протичащи в двигателя, намерих отговорите на въпросите, които представляват интерес. Беше ми интересно да се чете, но исках да тренирам. Разбира се, нямаше чертежи на гаражни модели, както и в интернет, добре, разбира се, с изключение на модел от кутия и пяна.
За мое голямо щастие, човекът, който продаде стилизиращите модели, публикува курс за производство на такива модели, той го изложи по това време за 20 долара, аз му писах и платих курса. След като изгледах всички видеоклипове, във всеки от които той обясни определен тип стайлинг, реших да направя точно високотемпературния стайлинг от гама типа. Тъй като той ме заинтересува със своя дизайн, характеристики и външен вид. От видео курса научих приблизителното съотношение на диаметъра на цилиндъра, диаметрите на буталата, какви хлабини, грапавост трябва да бъдат, какви материали да използвам при производството, някои от нюансите на конструкцията. Но никъде не бяха налични размерите на двигателите на автора, само приблизително съотношението на размерите на възлите.
Аз самият живея на село, може да се каже в предградията, майка ми е счетоводител, а баща ми е дърводелец, така че някак си беше неуместно да се обръщам към тях за съвет относно изграждането на двигател. И аз се обърнах за помощ към моя съсед, Генадий Валентинович, той работеше в сега срутения завод KZTM в Кузнецк.
Като цяло на следващия ден Генадий Валентинович ми донесе алуминиева заготовка с дължина около 1 м и диаметър около 50 мм. Бях много щастлив, отрязах заготовките, от които се нуждаех, и на следващия ден отидох на училище, за да се опитам да изостря нагревателя и хладилника за моя двигател с вътрешно горене. Заточих на тренировъчен струг (на който работеше дядо Ленин).
Разбира се, там нямаше точност, външната част на нагревателя се оказа доста добра, но самата цилиндрична част под буталото беше върху конус. Трудовик ми обясни, че скучният нож се огъва, тъй като машината за такива неща е доста малка и слаба. Възникна въпросът какво да се прави по -нататък … Имаше късмет, че майка ми по това време работеше като счетоводител в частно предприятие, което беше бивш завод за ремонт на автомобили. Валери Александрович (директорът на този завод) се оказа прекрасен човек и много ми помогна, вече бях снабден с професионална съветска машина и стругар, който ми помогна. Нещата станаха по -забавни и буквално седмица по -късно почти всичко беше готово, сглобяването на мотора започна. Имаше интересни моменти в конструкцията, например: валът, върху който беше притиснат маховикът, беше предаден на цеха за прецизна механика в друг завод (за да се получи необходимата точност за лагерите); хладилникът е заточен на струг, а местата за крепежните елементи са направени с фреза, маховикът е смлян на мелница. Беше много интересно и вълнуващо за мен. Работниците във фабриката мислеха, че съм студент и пиша някакъв научен труд. Седях във фабриката до късно вечерта и ме докараха в служебния автомобил на Валери Александрович. Двигателят беше стартиран в голям кръг работници от завода, всички бяха много заинтересовани. Стартирането беше успешно, но двигателят работеше лошо.
Резултатът увенчава сделката! Ъгълът на стойката е изгорял по време на тестването.
Откриха се недостатъци, пластмасовите панти бяха заменени с флуоропластични, маховикът беше олекотен и балансиран, буталото получи флуоропластична приставка за по -нисък топлообмен, а хладилникът стана с по -голяма охладителна площ. След фина настройка двигателят значително подобри техническите си характеристики.
Аз самият се зарадвах. Когато приятели дойдат в къщата ми, първото нещо, което правят, е да се приближат до него, да го помолят да започне. Генадий Валентинович караше, за да покаже стайлинга на работата си, всички бяха много заинтересовани, дори нямаше нужда да се обаждат на някого, всички се приближаваха, гледаха и се интересуваха."
Името на младежа е Николай Шевелев и той е ръководител на групата. Заведох го при декана и тримата говорихме много добре. И тогава се сетих за статистиката, че само 2% от населението на света е достатъчно, за да напредне човечеството по пътя на научно -техническия прогрес. Преброих общия брой студенти и разбрах, че … няма нужда да се притеснявате твърде много. С хора като Николай напредъкът все още ще бъде гарантиран за нас!
