Рухавік Стырлінга - прынцып працы. Нізкатэмпературны рухавік Стырлінга (фота)

Рухавік Стырлінга, прынцып працы якога якасна адрозніваецца ад звыклага для ўсіх ДВС, некалі складаў апошняму годную канкурэнцыю. Аднак на нейкі час пра яго забыліся. Як гэты матор выкарыстоўваецца сёння, у чым заключаецца прынцып яго дзеяння (у артыкуле можна знайсці таксама чарцяжы рухавіка Стырлінга, наглядна дэманструюць яго працу), і якія перспектывы прымянення ў будучыні, чытайце ніжэй.

гісторыя

У 1816 годзе ў Шатландыі Робертам Стырлінга была запатэнтавана цеплавая машына, названая сёння ў гонар свайго вынаходніка. Першыя рухавікі гарачага паветра былі вынайдзены яшчэ да яго. Але Сцірлінг дадаў у прылада ачышчальнік, які ў тэхнічнай літаратуры называецца рэгенератар, або цеплаабменнікам. Дзякуючы яму прадукцыйнасць матора ўзрастала пры ўтрымліванні агрэгата ў цяпле.

Рухавік прызналі найбольш трывалай паравой машынай з наяўных на той момант, бо ён ніколі не выбухаў. Да яго на іншых маторах такая праблема ўзнікала часта. Нягледзячы на хуткі поспех, на пачатку дваццатага стагодзьдзя ад яго развіцця адмовіліся, так як ён стаў меней эканамічным, у параўнанні з якія з'явіліся тады іншымі рухавікамі ўнутранага згарання і электрарухавікамі. Аднак Сцірлінг яшчэ працягваў прымяняцца ў некаторых вытворчасцях.

Рухавік знешняга згарання

Прынцып працы ўсіх цеплавых матораў заключаецца ў тым, што для атрымання газу ў пашыраным стане неабходныя вялікія механічныя высілкі, чым пры сціску халоднага. Для нагляднай дэманстрацыі гэтага можна правесці досвед з двума каструлямі, напоўненымі халоднай і гарачай вадой, а таксама бутэлькай. Апошнюю апускаюць у халодную ваду, затыкаюць коркам, затым пераносяць у гарачую. Пры гэтым газ у бутэльцы пачне выконваць механічную працу і выпхне корак. Першы рухавік знешняга згарання засноўваўся на гэтым працэсе цалкам. Праўда, пазней вынаходнік зразумеў, што частка цяпла можна ўжываць для падагрэву. Такім чынам, прадукцыйнасць значна ўзрасла. Але нават гэта не дапамагло рухавіку стаць распаўсюджаным.

Пазней Эрыксан, інжынер з Швецыі, ўдасканаліў канструкцыю, прапанаваўшы астуджаць і награваць газ пры пастаянным ціску замест аб'ёму. У выніку нямала асобнікаў стала выкарыстоўвацца для працы ў шахтах, на судах і ў друкарнях. Але для экіпажаў яны апынуліся занадта цяжкімі.

Рухавікі вонкавага згарання ад Philips

Падобныя маторы бываюць наступных тыпаў:

• паравой;
• паратурбінныя;
• Стырлінга.

Апошні выгляд не сталі развіваць з-за невялікай надзейнасці і астатніх не самых высокіх паказчыкаў у параўнанні з якія з'явіліся іншымі тыпамі агрэгатаў. Аднак у 1938 годзе кампанія Philips аднавіла працу. Рухавікі пачалі служыць для прывадаў генератараў у неэлектрофицированных раёнах. У 1945 году інжынеры кампаніі знайшлі ім адваротнае прымяненне: калі вал раскручваць электраматорам, то астуджэнне галоўкі цыліндраў даходзіць да мінус ста дзевяноста градусаў па Цэльсіі. Тады вырашана было ўжываць у халадзільных устаноўках удасканалены рухавік Стырлінга.

Прынцып працы

Дзеянне матора заключаецца ў працы па тэрмадынамічнай цыкла, у якіх пры рознай тэмпературы адбываецца сціск і пашырэнне. Пры гэтым рэгуляванне патокам рабочага цела рэалізуецца за кошт зменлівага аб'ёму (або ціску - у залежнасці ад мадэлі). Такі прынцып працы большасці падобных машын, якія могуць мець розныя функцыі і канструктыўныя схемы. Рухавікі могуць быць поршневымі або ротарна. Машыны з іх ўстаноўкамі працуюць у якасці цеплавых помпаў, халадзільнікаў, генератараў ціску і гэтак далей.

Акрамя гэтага, ёсць маторы з адкрытым цыклам, дзе рэгуляванне патокам рэалізуецца пры дапамозе клапанаў. Менавіта іх называюць рухавікамі Эрыксана, акрамя агульнай назвы імя Стырлінга. У ДВС карысная праца ажыццяўляецца пасля папярэдняга сціску паветра, ўпырску паліва, нагрэву атрыманай сумесі ўперамешку са згараннем і пашырэння.

Рухавік Стырлінга прынцып працы мае такі ж: пры нізкай тэмпературы адбываецца сціск, а пры высокай - пашырэнне. Але па-рознаму ажыццяўляецца нагрэў: цяпло падводзіцца праз сценку цыліндру звонку. Таму ён і атрымаў назву рухавіка знешняга згарання. Сцірлінг ўжываў перыядычная змена тэмпературы з вытеснительным поршнем. Апошні перамяшчае газ з адной паражніны цыліндру ў іншую. З аднаго боку, тэмпература пастаянна нізкая, а з другога - высокая. Пры перамяшчэнні поршня ўверх газ перамяшчаецца з гарачай ў халодную паражніну, а ўніз - вяртаецца ў гарачую. Спачатку газ аддае шмат цяпла халадзільніка, а затым ад награвальніка атрымлівае столькі ж, колькі аддаў. Паміж награвальнікам і халадзільнікам размяшчаецца рэгенератар - паражніну, напоўненая матэрыялам, якім газ аддае цяпло. Пры зваротным плыні рэгенератар вяртае яго.

Сістэма вытеснителя злучаная з рабочым поршнем, які сціскаў газ у холадзе і якія дазваляюць пашырацца ў цяпле. За кошт сціску ў больш нізкай тэмпературы адбываецца карысная праца. Уся сістэма праходзіць чатыры цыкла пры перарывістых рухах. Крывашыпна-шатунный механізм пры гэтым забяспечвае бесперапыннасць. Таму рэзкіх межаў паміж стадыямі цыклу не назіраецца, а ККД рухавіка Стырлінга не змяншаецца.

Улічваючы ўсё вышэйсказанае, напрошваецца выснова, што гэты рухавік з'яўляецца поршневай машынай са знешнім падводам цяпла, дзе рабочае цела не пакідае замкнёную прастору і ня замяняецца. Чарцяжы рухавіка Стырлінга добра ілюструюць прылада і прынцып яго дзеяння.

дэталі працы

Сонца, электрычнасць, ядзерная энергія або любы іншы крыніца цяпла можа падводзіць энергію ў рухавік Стырлінга. Прынцып працы яго цела складаецца ва ўжыванні гелія, вадароду ці паветра. Ідэальны цыкл валодае тэрмічным максімальна магчымым ККД, роўным ад трыццаці да сарака адсоткаў. Але з эфектыўным рэгенератарах ён зможа працаваць і з больш высокім ККД. Рэгенерацыю, нагрэў і астуджэнне забяспечваюць убудаваныя цеплаабменнікі, якія працуюць без алеяў. Варта адзначыць, што змазкі рухавіка трэба вельмі мала. Сярэдні ціск у цыліндры складае звычайна ад 10 да 20 Мпа. Таму тут патрабуецца выдатная ўшчыльніцельная сістэма і магчымасць траплення алею ў працоўныя паражніны.

параўнальная характарыстыка

У большасці якія працуюць сёння рухавікоў падобнага роду выкарыстоўваецца вадкае паліва. Пры гэтым бесперапыннае ціск лёгка кантраляваць, што спрыяе зніжэнню ўзроўню выкідаў. Адсутнасць клапанаў забяспечвае бясшумную працу. Магутнасць з масай супастаўныя матораў з турбонаддувом, а ўдзельная магутнасць, якая атрымліваецца на выхадзе, роўная паказчыку дызельнага агрэгата. Хуткасць і крутоўны момант не залежаць адзін ад аднаго.

Затраты на вытворчасць рухавіка значна вышэй, чым на ДВС. Але пры эксплуатацыі атрымліваецца зваротны паказчык.

перавагі

Любая мадэль рухавіка Стырлінга мае шмат плюсаў:

• ККД пры сучасным праектаванні можа даходзіць да сямідзесяці працэнтаў.
• У рухавіку няма сістэмы высакавольтнага запальвання, размеркавальнага вала і клапанаў. Яго не трэба будзе рэгуляваць на працягу ўсяго тэрміну эксплуатацыі.
• У Сцірлінг няма таго выбуху, як у ДВС, які моцна нагружае коленвал, падшыпнікі і шатуны.
• У іх не бывае таго эфекту, калі кажуць, што «рухавік заглух».
• Дзякуючы прастаце прыбора яго можна эксплуатаваць на працягу доўгага часу.
• Ён можа працаваць як на дровах, так і з ядзернай і любым іншым відам паліва.
• Згаранне адбываецца па-за матора.

недахопы

• Галоўным мінусам канструкцыі з'яўляецца яе матэрыялаёмістасць.
• Рабочае цела трэба астуджаць, з-за чаго габарыты істотна павялічваюцца.
• Для атрымання роўных з ДВС характарыстык неабходна выкарыстоўваць высокі ціск.
• Да працоўнага цела цяпло падводзяць праз сценкі цеплаабменнікаў, у якіх абмежаваная цеплаправоднасць.
• Каб змяніць магутнасць рухавіка, змяняюць аб'ём буфернай ёмістасці, сярэдні ціск працоўнага цела, фазнага кута паміж вытеснителем і поршнем.

прымяненне

У цяперашні час рухавік Стырлінга з генератарам выкарыстоўваюць у многіх галінах. Гэта універсальны крыніца электрычнай энергіі ў халадзільніках, помпах, на падводных лодках і сонечных электрычных станцыях. Менавіта дзякуючы ўжыванню рознага віду паліва маецца магчымасць яго шырокага выкарыстання.

адраджэнне

Гэтыя рухавікі зноў сталі развівацца дзякуючы кампаніі Philips. У сярэдзіне дваццатага стагоддзя з ёй заключыла дагавор General Motors. Яна вяла распрацоўкі для прымянення Сцірлінг ў касмічных і падводных прыладах, на судах і аўтамабілях. Услед за імі іншая кампанія са Швецыі, United Stirling, стала займацца іх развіццём, уключаючы і магчымае выкарыстанне на легкавых аўтамабілях.

Сёння лінейны рухавік Стырлінга ўжываецца на устаноўках падводных, касмічных і сонечных апаратаў. Вялікую цікавасць да яго выкліканы з-за актуальнасці пытанняў пагаршэння экалагічнага становішча, а таксама барацьбы з шумам. У Канадзе і ЗША, Германіі і Францыі, а таксама Японіі ідуць актыўныя пошукі па развіцці і ўдасканаленні яго выкарыстання.

будучыню

Відавочныя перавагі, якія мае поршневай і ротарны рухавік Стырлінга, якія складаюцца ў вялікім рэсурсе працы, ўжыванні рознага паліва, бясшумнасці і малой таксічнасці, робяць яго вельмі перспектыўным на фоне матора ўнутранага згарання. Аднак з улікам таго, што ДВС на працягу ўсяго часу ўдасканальвалі, ён не можа быць лёгка зрушаны. Так ці інакш, менавіта такі рухавік сёння займае лідзіруючыя пазіцыі, і здаваць іх у бліжэйшы час не мае намеру.