Сегодня мы поговорим о типе двигателя, отличном от традиционно используемого двигателя внутреннего сгорания. В транспортных средствах обычно используются двигатели, приводимые в движение ископаемые виды топлива эффективность которых обычно не очень высока. В этом случае мы представляем вам двигатель Стирлинга. Этот тип двигателя обеспечивает значительно большую эффективность, чем бензиновые или дизельные двигатели, а также экологически безопасен.
В этой статье мы рассмотрим основные особенности двигателя Стирлинга, как он работает и каковы его основные преимущества и недостатки. Мы также углубимся в некоторые из наиболее распространенных применений этого двигателя, которые могут сыграть решающую роль в энергетическом переходе.
Двигатель Стирлинга
Двигатель Стирлинга — это тип двигателя внешнего сгорания, в котором используется давление, создаваемое газом, который нагревается и охлаждается, вместо внутреннего сгорания, при котором сжигается топливо. Это изобретение датируется 1816 годом, когда оно было разработано и запатентовано шотландским преподобным. Роберт Стерлинг. Задуманный как более безопасная альтернатива господствовавшему в то время паровому двигателю, «Стирлинг» предлагал большую эффективность и безопасность благодаря своей простой конструкции.
Хотя ему было трудно найти применение в крупномасштабных приложениях из-за технических и экономических ограничений, он остается очень актуальным в определенных секторах, главным образом из-за его тихая работа и его способность генерировать энергию из различных источников, включая возобновляемые источники энергии.
В настоящее время его использование сосредоточено на подводные лодки и производство электроэнергии, особенно на солнечных электростанциях, где двигатели Стирлинга используют солнечное тепло для эффективного выработки энергии. В следующих разделах мы рассмотрим более подробную информацию о его работе и применении.
Работа двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга следует термодинамическому циклу, известному как Цикл Стирлинга, который состоит из четырех основных фаз: нагрева, расширения, охлаждения и сжатия. В отличие от двигателей внутреннего сгорания, в двигателе Стирлинга газ остается герметичным внутри системы, а это означает, что не выделяются вредные выбросы, такие как углекислый газ или токсичные газы. Это делает его привлекательным вариантом с экологической точки зрения.
Ключевые принципы работы: Цикл Стирлинга основан на двух фундаментальных принципах:
- Давление внутри газа увеличивается при повышении его температуры в замкнутом объеме.
- Сжатие газа при постоянном объеме также повышает его температуру.
Эти принципы применяются с помощью двух камер, горячей и холодной, которые содержат рабочий газ (который может быть гелием, водородом, азотом или даже воздухом). Газ перемещается между обеими камерами, что вызывает изменения давления, приводящего в движение поршни.
Процесс начинается с нагревания газа в горячем баллоне. При нагревании газ расширяется и толкает поршень вниз. Затем горячий газ переносится в холодную камеру, где он охлаждается, и его давление снижается, что позволяет снова сжать его. Это генерирует циклическое движение поршней и преобразует тепловую энергию в механическую, полезную для выработки электроэнергии или движения транспортного средства.
Детали двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга состоит из нескольких ключевых частей, которые работают вместе, выполняя цикл преобразования энергии:
- Цилиндр-вытеснитель: Отвечает за перемещение газа между горячим и холодным фокусом.
- Мощность поршня: Преобразователь тепловой энергии газа в механическую работу, с помощью которой можно приводить в движение машину.
- Регенератор: Теплообменник, который поглощает тепло газа, когда он находится в фазе охлаждения, и возвращает его, когда газ снова нагревается. Это помогает повысить эффективность цикла.
- Горелка или источник тепла: Он обеспечивает тепловую энергию, необходимую для нагрева газа.
- Маховик: Он действует как стабилизатор, поддерживающий равномерное вращательное движение, необходимое для непрерывной работы двигателя.
- Коленчатый вал: Преобразователь линейного движения поршня во вращательное.
В следующем разделе мы подробно опишем каждую фазу рабочего цикла двигателя, чтобы понять, как эти части взаимодействуют, производя механическую работу.
Этапы цикла двигателя Стирлинга
Рабочий цикл двигателя Стирлинга состоит из следующих четырех фаз:
- Расширение горячего газа: Тепло применяется к части газа в горячем цилиндре, вызывая расширение. Горячий газ толкает поршень вниз, совершая механическую работу.
- Перенос в холодный цилиндр: Горячий газ переносится в холодный баллон, где быстро охлаждается.
- Сжатие холодного газа: Холодный газ сжимается, когда поршень поднимается, отводя часть тепла, полученного во время фазы расширения.
- Возврат в горячий цилиндр: Сжатый газ возвращается в горячий цилиндр, где процесс повторяется.
Преимущества двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга имеет ряд преимуществ перед двигателями внутреннего сгорания:
- Тихая работа: Поскольку в нем отсутствует внутреннее сгорание, двигатель Стирлинга работает очень тихо, что делает его идеальным для чувствительных к шуму устройств, таких как подводные лодки или электрические генераторы в городских районах.
- Высокая эффективность: Его способность использовать преимущества нескольких внешних источников тепла и эффективная конструкция позволяют ему достигать производительности, близкой к циклу Карно. В таких приложениях, как когенерация, эта эффективность очень ценна.
- Гибкость в источниках тепла: Двигатель Стирлинга может работать на различных источниках тепла: от ископаемого топлива до полностью экологически чистой энергии, такой как солнечная энергия.
- Низкое воздействие на окружающую среду: Тот факт, что газ герметичен, означает, что он не выделяет загрязняющих газов, что делает его очень экологическим вариантом.
- Сокращенное техническое обслуживание: Благодаря простой конструкции и отсутствию внутренних взрывов двигатель Стирлинга требует относительно небольшого обслуживания по сравнению с традиционными технологиями внутреннего сгорания.
- Длительный срок полезного использования: Прочная конструкция и простота системы позволяют двигателям Стирлинга иметь более длительный срок службы, что дает им большую ценность при длительном использовании.
- универсальность: От подводных лодок до солнечных генераторов и когенерационных систем — двигатель Стирлинга имеет широкий спектр применений, что делает его полезным инструментом во многих отраслях промышленности.
Недостатки двигателя Стирлинга
Несмотря на множество преимуществ, двигатель Стирлинга также имеет некоторые недостатки, которые замедлили его массовое внедрение:
- Высокая первоначальная стоимость: Конструкция двигателя Стирлинга с его теплообменниками и специальными материалами, выдерживающими давление и температуру, является дорогостоящей, что ограничивает его конкурентоспособность по сравнению с другими технологиями.
- Отсутствие популярности: Хотя его характеристики впечатляют, недостаток общих знаний о двигателе Стирлинга стал препятствием для его широкого внедрения.
- Проблемы с уплотнением: Сохранение рабочего газа может быть затруднено, особенно в двигателях, работающих под высоким давлением, что влияет на их производительность и долговечность.
- Размер и вес: Двигатели Стирлинга обычно более громоздкие по сравнению с двигателями внутреннего сгорания аналогичной мощности из-за необходимости использования теплообменников большего размера.
- Ограниченное время ответа: Несмотря на то, что двигатель Стирлинга эффективен для приложений с постоянной мощностью, он не подходит для систем, требующих быстрого изменения мощности, таких как транспортные средства.
Применение двигателя Стирлинга
Двигатель Стирлинга нашел применение в нескольких ключевых областях. Среди наиболее примечательных:
- Производство солнечной энергии: В солнечных районах двигатель Стирлинга может использовать концентрированную солнечную энергию для выработки электроэнергии с высоким уровнем эффективности. Экспериментальные установки показали, что эта технология может быть весьма конкурентоспособной по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии.
- Подводная силовая установка: Благодаря бесшумной работе и отсутствию воздуха для сгорания двигатель Стирлинга использовался на подводных лодках для длительных подводных миссий.
- Перекачка воды: В сельской местности, где отсутствие электричества может быть проблемой, двигатель Стирлинга используется для перекачки воды благодаря его способности работать на биомассе или пожнивных остатках в качестве источника тепла.
- Промышленное применение: Двигатель Стирлинга также экспериментируется в промышленности в качестве вспомогательных генераторов энергии на промышленных предприятиях, которые могут использовать отходящее тепло промышленных процессов.
- охлаждение: Изменяя термодинамический цикл, двигатели Стирлинга можно использовать для криогенного охлаждения, достигая очень низких температур.
Двигатель Стирлинга отличается своей универсальностью и высокой эффективностью в специализированных применениях, требующих постоянной работы и низкого уровня выбросов. Несмотря на свои ограничения, это технология с большим потенциалом на будущее, особенно в отношении сокращения выбросов углекислого газа и интеграции с возобновляемыми источниками энергии.