Образовательный портал claw.ru

Referats
двигатель Стирлинга — прошедшее, истинное и будущее

Содержание

1. Введение

2. Механизм работы и устройство

3. Перспективы использования

4. Заключение

5. Перечень литературы

6. Приложения

Введение

21 сентября 1816 года в Эдинбурге, столице Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал машину, которую он именовал «экономайзер» (economiser ). В реальной жизни Роберт Стирлинг был священником шотландской церкви и продолжал вести службы, хотя ему к этому времени исполнилось восемьдесят 6 лет. В свободное время в собственной домашней мастерской он моделировал термические машины. Одну из его работавших моделей позже использовал лорд Кельвин для собственных институтских лекций.

Образовательный портал claw.ru

Один из первых движков Стирлинга

В то время двигатель Стирлинга получил признание как надежная паровая машина, которая никогда не взрывается, как это достаточно нередко бывало с другими типами паровых движков в те времена.

В 1850 обычная и стильная динамика мотора Стирлинга была в первый раз на теоретическом уровне описана доктором Рэнкином МакКорном ( Professor McQuorne Rankine ). Примерно через 100 лет термин «двигатель Стирлинга» был применен Рольфом Мейером (Rolf Meijer) для обозначения всех типов регенеративных паровых машин замкнутого цикла.

двигатель Стирлинга является уникальной термический машиной, так как его теоретическая эффективность фактически равна наибольшей эффективности термических машин ( эффективность цикла Карно ). двигатель Стирлинга работает за счет термического расширения газа, за которым следует сжатие газа после его остывания. двигатель Стирлинга содержит некий неизменный объем рабочего газа, который перемещается меж «прохладной» частью (обычно комнатной температуры) и «жаркой» частью, которя обычно разогревается за счет сжигания хоть какого вида горючего, ядерным реактором либо за счет солнечного тепла. Нагрев делается снаружи, потому двигатель Стирлинга относят к движкам наружного сгорания.

С момента изобретения было создано огромное количество разных разновидностей движков Стирлинга с целью увеличения мощности и эффективности. Все же, они уступали по удельной мощности движкам Отто и Дизеля. двигатель Отто, придуманный в 1877 году и двигатель Дизеля, придуманный в 1893 имели более высшую уделбную мощность, чем движки Стирлинга тех пор. Это привело к постепенному вытеснению мотора Стирлинга из индустрии. Они еще обширно применялись сначала нашего века на фермах и шахтах — в главном для приведение в действие разных насосов и других применений, где не требуется высочайшая удельная мощность, а основными аспектами являются надежность и экономичность. Но к 1940 году их выпуск был прекращен.

Образовательный портал claw.ru

Демо модель мотора Стирлинга

Достаточно длительно движки Стирлинга использовались только как игрушки и учебные пособия в школах и институтах при исследовании термодинамики. Но в последние годы энтузиазм к движку Стирлинга стремительно растет. Начат промышленный выпуск домашних электрогенераторов на движке Стирлинга ( см. приложение 1 ). Государственным Аэрокосмическим Агентством США (NASA) были проведены сравнительные оценки разных типов термических машин для использования в галлактической аппаратуре ( см. приложение 2 ). двигатель Стирлинга был признан более многообещающим из-за собственного высочайшего кпд и надежности. Выпускаются холодильные установки, работающие на оборотном цикле Стирлинга — как промышленные, дозволяющие получать температуру до -240
0
С ( см. приложение 3 ), так и созданные для использования в бытовых холодильниках. В последнем случае их достоинства перед классическими системами обоснованы тем, что в качестве хладогента в их может быть применен обыденный воздух.

Таким макаром, можно сказать, что история мотора Стирлинга далековато не закончена. Его развитие заходит в новый перспективный шаг.

двигатель Стирлинга является термический машиной замкнутого цикла. Его работа базирована на расширении газа, применяемого как рабочее тело, при повышении температуры. На последующем рисунке приведены диаграммы для безупречного цикла Стирлинга в координатах давление-обьем P-V и температура-энтропия T-S и иллюстрации соответственных процессов.

Образовательный портал claw.ru

Образовательный портал claw.ru

На диаграммах цифрами обозначены точки, разделяющие этапы работы мотора. На первом шаге (1-2) происходит изотермическое расширение газа. Дальше, на последующем шаге (2-3) — остывание при неизменном объеме. Дальше (шаг 3-4) — изотермическое сжатие охлажденного газа. И в конце концов на шаге 4-1 разогрев при неизменном объеме. Нужная работа делается газом лишь на первом шаге. Все другие происходят за счет запасенной части энергии (обычно, энергии вращающегося колеса).

Есть два главных типа движков Стирлинга, отличающихся устройством цилиндров. В первом — так именуемом двухцилиндровом (Two pistons type Stirling engine) употребляются раздельные цилиндры для нагревания и остывания рабочего газа.

Образовательный портал claw.ru

Двухцилиндровый двигатель Стирлинга

На этом рисунке высшая часть жаркого цилиндра с поршнем (hot piston) повсевременно разогревается наружным источником тепла, в то время, как высшая часть прохладного цилиндра с поршнем (cold piston) повсевременно охлаждается. Следует направить внимание, что поршни закреплены на коленчатом валу (crank shaft) так, что обеспечивают сдвиг по фазе на 90 градусов, т.е. в то время, как жаркий поршень добивается верхнего положения, прохладный находится в среднем положении, двигаясь ввысь. Этот момент сооответствует шагу 2-3 на прошлом рисунке — остыванию при неизменном объеме. Потом прохладный поршень движется вверх, сжимая охлажденный газ при неизменной температуре — шаг 3-4. Когда прохладный поршень теснит охлаженный и сжатый газ в жаркий цилиндр, тот разогревается при неизменном объеме — шаг 4-1. И в конце концов, жаркий газ расширяется, толкая поршень в жарком цилиндре вниз — шаг 1-2. На завершающем шаге выделяется мощность, часть которой запасается вращающимся колесом (flywheel).

В другой конструкции — движке Стирлинга поршневого типа (Displacer type Stirling engine) — употребляется один цилиндр, одна сторона которого (верхняя на приведенном ниже рисунке) повсевременно охлаждается, а другая — повсевременно греется. Поршень-дисплейсер (displacer), разделяющий прохладную и жаркую части цилиндра, неплотно прилегает к стенам цилиндра, что позволяет газу передвигаться меж ними. В этой конструкции поршни так же закреплены на коленчатом валу со сдвигом по фазе на 90 градусов. двигатель работаетпо тому же принципу, что и предшествующая конструкция.

Образовательный портал claw.ru

двигатель Стирлинга поршневого типа

И в той, и в другой конструкции термическая энергия нагревателя преобразуется в механическую энергию вращения вала. Но, может быть внедрение и оборотного цикла Стирлинга — если за счет наружного мотора крутить вал в этих машинах, рабочий газ будет двигаться по тому же циклу. При всем этом «жаркий» цилиндр будет охлаждаться, а «прохладный» — разогреваться. Другими словами двигатель Стирлинга в данном случае будет работать как термический насос, т.е. холодильная машина. Рабочим телом в нем может служить хоть какой газ, в том числе и атмосферный воздух.

Перспективы использования.

Развитие науки и техники ривело к образованию новых «экологических ниш», в каких с фуррором может применяться двигатель Стирлинга. Некие из их показаны на приведенных ниже рисунках.

Образовательный портал claw.ru

Многообещающие внедрения мотора Стирлинга.

На первом из их показан пример солнечной энергетической установки (solar power system). Высочайший к.п.д., простота и надежность конструкции мотора Стирлинга обуславливают эффективность его использования в данных системах. Солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева мотора (в качестве источника тепла). В роли охладителя может употребляться окружающий атмосферный воздух. Роль такового экологически незапятнанного источника энергии в современном мире просто оценить.

На втором рисунке схематически изображен термический насос Вуллемейера (Vuillemeier Heat Pump). Понятно, что при использовании оборотного цикла Срирлинга, т.е. если, к примеру, приводить двигатель Стирлинга в движение при помощи какого-нибудь наружного источника (к примеру, еще 1-го мотора Стирлинга), то «жаркий» цилиндр будет охлаждаться, а «прохладный» — разогреваться. Если при всем этом разогревать «жаркий» цилиндр (к примеру, окружающим воздухом), то «прохладный» цилиндр будет разогреваться до более высочайшей температуры. При всем этом наружняя энергия расходуется не конкретно на разогрев, а на «перекачку» тепла из прохладного места в более теплое, что еще эффетивнее. Для безупречного варианта к.п.д.таковой системы может быть посчитан как

где

Т
с
— абсолютная температура прохладной части

Т
h
— абсолютная температура жаркой части

Так как даже в сильные морозы Т
с
изредка опускается ниже 250 градусов Кельвина, для поддержания Т
h
на уровне 300 градусов Кельвина ( 27
0
) к.п.д. составляет 250/(300-250)=5. Другими словами, затратив 1 кВт
.
ч электроэнергии на работу термического насоса, мы получим в 5 раз больше тепла, чем если б подавали ту же мощность прямо на электронагреватель. Отсюда просто осознать энтузиазм к термическим насосам на базе цикла Стирлинга.

На последующем рисунке представлен криокулер Стирлинга (Stirling cryocooler). Он работает по тому же принципу термического насоса, но употребляется в качестве холодильной установки для получения очень низких температур. Дальше будут более тщательно описаны перспективы и достоинства устройств этого типа.

На последнем рисунке покан двигатель Стирлинга, установленный на атомной подводной лодке. Так как в данном случае вес и габариты мотора не играют решающей роли, высочайший к.п.д. и надежность делают его безупречным кандидатом для преобразования термический энергии, вырабатываемой ядерным реактором, в механическую. Благодаря тому, что двигатель Стирлинга фактически не нуждается в уходе и настройке, он может быть расположен в изолированной части корпуса, что в особенности значительно в случае затрудненного доступа (как в случае подводных лодок либо галлактических аппаратов). Так, спецами NASA ( Государственного Аэрокосмического Агентства США) были проделаны подготовительные проработки проекта сотворения обитаемой базы на Луне ( см. приложение 2 ). Проектом предусматривается постепенное, «эволюционное» строительство базы — начиная с малеханького обитаемого модуля и до большой производственой базы с полной обработкой нужных ископаемых. В качестве основного источника энергии для работы в критериях лунной поверхности был избран ядерный реактор SP-100 с термический мощностью 2500 кВт и 8 электронных генераторов, работающих от движков Стирлинга. Два из их предполагалось держать в резерве для обеспечения требуемого уровня резервирования мощности, а другие планировалось использовать на 91.7 процентов от их номинальной электронной мощности (150 кВт). Таким макаром, полная проектная электронная мощность составляет 825 кВт. В качестве дополнительного источника на первом шаге строительства предвидено внедрение наращиваемых солнечных батарей. В проекте приводится подробное техническое описание реакторной установки, конструкции и термического подсоединения движков Стирлинга, систем отвода тепла и рассредотачивания мощности.

Описанный лунный проект показывает потенциальные внедрения движков Стирлинга в будующем. Если возвратиться в текущее время, можно привести, в качестве примера, начавшийся выпуск домашних электрогенераторов на движке Стирлинга ( см. приложение 1 ). В приведенном маркетинговом материале описан совмещенный нагреватель-электрогенератор WG800 мошностью 800 Вт на движке Стирлинга. Прибор универсальный, предназначен для использования как в домашних критериях, так и под открытым небом. Его достоинства — высочайшая надежность и автономность (5000 часов работы до первого технического обслуживания), малый уровень шума — горючее сгорает безпрерывно, в отличие от движков внутреннего сгорания, где оно поступает в цилиндр порциями и там взрывается. В качестве горючего может употребляться природный газ, все виды водянистого горючего, уголь и даже дроваВсе это делает его очень комфортным для использования в удаленных от электосетей. На рынке доступны так же более массивные, 3 кВт, модели прибора.

Другой пример современного использования устройств, основанных на цикле Стирлинга — криокулеры. В широких масштабах их начали создавать около 10 годов назад — в большей степени для использования в военной технике: на танках и самолетах требовалось устанавливать высокочувствительные охлаждаемые до температур порядка -200
0
С датчики и приемники. Для их остывания и были разработаны криокулеры на базе оборотного цикла Стирлинга. Ниже приводится короткое описание 1-го из российских криокулеров, которые в связи с конверсией поступили на открытый рынок.

Вообше говоря, современная полупроводниковая электроника подошла в собственном развитии к лимиту, обусловленному физическими законами. Предстоящее увеличение характаристик просит перехода к охлаждаемым до температур порядка -100
0
-200
0
С элементам. На последних конференциях по электронике (ISEC-97, EUCAS-97) интенсивно дискуссируются разные методы остывания аппаратыры. На сегодня более многообещающим признано внедрение криокулеров на цикле Стирлинга. Доступные в текущее время, выпускаемые маленькими сериями модели маломощных криокулеров стоят порядка 10-15 тыщ баксов. При переходе к крупносерийному производству ожидается, что их цены свалятся в пару раз, что сделает коммерчески выгодным внедрение охлаждаемых частей поначалу в более ответственных системах — таких, как файл-серверы, и огромные компы, а в перспективе и в бытовых компьютерах. Таким макаром, можно ждать, что к середине последующего века, по мере распространения домашних компов, двигатель Стирлинга придет фактически в каждый дом

Заключение

После собственного изобретения в 1816 году, двигатель Стирлинга пережил 1-ый период собственного широкого распространения — в конце прошедшего — начале нашего века, после этого был фактически забыт. Но в последние годы он вновь завлекает к для себя завышенный энтузиазм в самых различных областях использования. В текущее время стремительно расширяется внедрение криокулеров на базе цикла Стирлинга, выпускаются электрогенераторы, работающие от движков Стирлинга. Его достоинства — высочайший к.п.д., надежность, неприхотливость, возможность использования экологически незапятнанных источников энергии позволяют рассчитывать на обширное распространение мотора Стирлинга в будующем.

Литература.

1. El-Genk, Mohamed S.; Editor (1994) A Critical Review of SPACE NUCLEAR POWERAND PROPULSION 1984-1993, American Institute of Physics Press

2. Organ, A. J. (1992) Thermodynamics and Gas Dynamics of the Stirling Cycle Machine, Cambridge University Press

3. Reader, G. T. and Hooper, C. (1983) Stirling Engines, E. & F. N. Spon

4. Urieli, I. and Berchowitz, D. M. (1984) Stirling Cycle Engine Analysis, Adam Hilger Ltd.

5. Walker, G. (1973) Stirling-Cycle Machines, Oxford University Press

6. West, C. D. (1986) Principles and Applications or Stirling Engines, Van Nostrand Reinhold Company, Inc.

7. Roberts, M.L.: Inflatable Habitation for the Lunar Base. Presented at the Symposium on Lunar Bases and Space Activities of the 21st Century, Apr. 5-7, 1988, Houston, TX, Paper Number LBS-88-266.

8. Conceptual Design of a Lunar Oxygen Pilot Plant—Lunar Base Systems Study. (EEI-88-182, Eagle Engineering, Inc., NASA Contract NAS9-17878) NASA-CR-172082.

9. Brinker, D.J.; and Flood, D.J.: Advanced Photovoltaic Power Power System Technology for Lunar Base Applications. NASA TM-100965, 1988.

10. A.C. Klein, NASA Lewis Summer Intern Report.

11. Personal communication from J. Alfred, NASA Johnson Space Center.

12. Bloomfield, H.S.: Small Reactor Power Systems for Manned Planetary Surface Bases. NASA TM-100223, 1987.

13. Slaby, J.G.: Overview of the 1988 Free-Piston Stirling SP-100 Activities at the NASA Lewis Research Center. NASA TM-87305, 1986.

14. English, R.E.; and Guentart, D.G.: Segmenting of Radiators for Meteoroid Protection. ARS J., vol. 31, no.8, Aug. 1961, pp. 1162-1163.

15. Bien, D.D.; and Guentart, D.C.: A Method for Reducing the Equivalent Sink Temperature of a Vertically Oriented Radiator on the Lunar Surface. NASA TM X-1729, 1969.

16. Roberts, B.B.; and Bland, D.: Office of Exploration: Exploration Studies Technical Report, Volume 2: Studies Approach and Results. NASA TM-4075-VOL-2, 1988.

17. Lee S. Mason and Harvey S. Bloomfield National Aeronautics and Space Administration Lewis Research Center, Cleveland, Donald C. Hainley Sverdrup Technology, Inc. NASA Lewis Research Center Group Cleveland SP-100 Power System Conceptual Design for Lunar Base Applications 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems. 6th Symposium on Space Nucelar Power Systems sponsored by the Institute for Space Nucelar Power Studies, Albuquerque, NM, January 8-12, 1989

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *