Většina z nás ví, jak funguje benzínový motor. Palivo hoří. Píst provádí pracovní zdvih. Síla se přenáší. Je to hlasité. Je to špinavé. Jedná se o spalovací motor.
Stirlingův motor je navržen jinak. Tento mechanismus, který vynalezl Robert Stirling v roce 1816, funguje na zcela jiném principu. Toto je tepelný motor. Ale na rozdíl od motoru vašeho běžného auta neexploduje palivo uvnitř válců. Využívá uzavřený okruh plynu. Pevné množství vzduchu nebo helia. Hermeticky uzavřené. Nikdy neopustí systém.
Tato konstrukce znamená, že zde nejsou žádné výfukové ventily. Žádné jiskry. Pouze tichý, stabilní mechanický provoz.
Proč nevidíme Stirlingovy motory na každém parkovišti? Efektivita byla snem. Z hlediska tepelné účinnosti mohou překonat benzínové nebo naftové motory. Složitost výroby ale zabránila masovému přijetí. Dnes je lze nalézt ve specializovaných výklencích. ponorky. Ticho je tam klíčovým faktorem. jachty. Kde by měly generátory hučet, ne řvát. Pomocné napájení pro vzdálené stanice. Vysoce kvalifikovaní vynálezci stále hledají „svatý grál“ praktických, vysoce účinných Stirlingových cyklů. Zatím však zůstávají specializovanými nástroji.
Fyzika s uzavřenou smyčkou
Abyste pochopili, jak Stirlingův motor vyrábí energii, musíte zapomenout na spalování. Uvnitř válce není žádný oheň. Teplo přichází zvenčí.
Základní koncept je založen na zákonech o plynu. Zejména jak tlak a teplota interagují v omezeném objemu.
- Ohřejte pevné množství plynu v pevném prostoru a tlak se zvýší.
- Stlačit pevné množství plynu a jeho teplota se zvýší.
Zjednodušený Stirlingův motor používá dva válce. Jeden je horký. Jednomu je zima. Propojeno kanálem. Písty jsou spojeny mechanicky. Když se jeden pohybuje dolů, druhý se pohybuje nahoru. Toto spojení určuje načasování.
Cyklus se skládá ze čtyř různých fází.
- Expanze (zdvih). Vnější teplo působí na plyn v horkém válci. Tlak stoupá. Píst je nucen pohybovat se dolů. Toto je jediná část cyklu, která produkuje užitečnou práci. Vše ostatní je jen údržba.
- Přenos. Horký píst stoupá. Studený píst jde dolů. To tlačí expandovaný plyn z horké komory do studené komory. Plyn se rychle ochladí. Tlak klesá. Tento krok je kritický. Nižší tlak usnadňuje další fázi.
- Stlačení. Studený píst tlačí plyn zpět na horkou stranu. Plyn je stlačen. Teplo z této komprese je okamžitě odváděno zdrojem chlazení. Pokud byste to nechladili, tlak by raketově stoupal a vzdoroval pístu.
- Návrat. Studený píst stoupá. Horký píst jde dolů. Ochlazený plyn je tlačen zpět do horkého válce. Okamžitě se zahřeje. Tlak prudce stoupá. Cyklus začíná znovu.
Asymetrie je patrná. Pouze první fáze vyrábí energii. Třetí fáze spotřebovává energii ke stlačení plynu. Čistý výstup je rozdíl mezi těmito dvěma silami.
Zapnutí: Regenerátor
Jak udělat Stirlingův motor silnější? Korigujete tlakové extrémy.
Vyšší tlak v první fázi = větší tlak. Nižší tlak ve třetí fázi = menší odpor.
Můžete zvýšit teplotu zdroje tepla. Ale je tu nuance. Plyn ztrácí teplo přechodem z horké strany na studenou. Tato energie se ztratí, pokud ji nezachytíte.
Na scénu přichází regenerátor. Jedná se o mřížkovou matrici umístěnou v toku. Jak se horký plyn pohybuje směrem ke studené straně, předává teplo matrici regenerátoru. Matrix to zachrání. Když je plyn tlačen zpět ze studené na horkou stranu, odebírá toto uložené teplo.
Tím se plyn předehřeje, než je vystaven vnějšímu zdroji tepla. Výsledek? Vyšší špičkový tlak v první fázi. Menší spotřeba energie ve třetí fázi. Více čisté energie.
Bez regenerátoru je Stirlingův motor neefektivní. S ní se blíží teoretickým maximům.
Skutečné motory nejsou dokonalé. Fyzická omezení rozmazávají idealizované linie cyklu. Dochází k tření. Dochází k únikům tepla. Ale základní logika zůstává.
Dále se podíváme na dva hlavní způsoby, jak designéři uspořádají tyto komponenty. Objemový motor je nejintuitivnější. Odděluje funkce pohybu plynu a stlačování plynu do dvou samostatných pístů. Člověk pohybuje plynem tam a zpět. Druhý dělá těžkou práci komprese. Je snazší si to představit. Ale to není jediný způsob, jak postavit Stirlingův motor.
Jak hybatel ovládá smyčku
Zapomeňte na chvíli na dvoupístové konfigurace, které vidíte v učebnicích. Stirlingův motor s výtlačným prvkem zjednodušuje konstrukci na jeden píst a přetlačovač. Vytlačovač nevytlačuje energii; jeho jediným úkolem je pohybovat plynem tam a zpět mezi horkými a studenými zónami. Funguje jako tepelný ventil.
Pravděpodobně jste viděli, jak se jeden z nich otáčí na stole vašeho učitele nebo sedí v krabici od sady pro kutily. Jedná se o demo modely s nízkou spotřebou, ale dokazují, že princip funguje. K provozu vyžadují pouze rozdíl teplot mezi horní a spodní částí válce. Lidská ruka dotýkající se základny a chladného vzduchu místnosti nahoře? To stačí ke spuštění mechanismu.
Mechanika se spoléhá na dvě různé pohyblivé části:
- Pracovní píst: Jedná se o těsně přiléhající menší píst nahoře. Dělá skutečnou práci. Jak plyn expanduje, tento píst je vytlačován nahoru.
- Výtlak: Toto je větší, nižší, volně padnoucí píst. Záměrně špatně těsní. Vzduch kolem něj volně proudí. Jednoduše pohybuje objemem plynu.
Jak vytlačovač stoupá, zachycuje plyn ve vyhřívané spodní komoře. Plyn se zahřívá, expanduje a tlačí pracovní píst nahoru. Tlak prudce stoupá.
Když se přetlačovač pohybuje dolů, posouvá plyn do chlazené horní části. Plyn se ochlazuje a smršťuje. Tlak klesá. Pracovní píst se vrací dolů a stlačuje plyn.
Je to rytmický cyklus zahřívání a ochlazování. Motor získává energii z tohoto cyklu expanze a komprese znovu a znovu.
Výkonový zdvih dvoupístového motoru
V reálných aplikacích se obvykle upouští od pohonu ve prospěch spolehlivějšího dvoupístového Stirlingova motoru. Zde máte vyhřívaný válec a chlazený válec. Ohřívač využívá externí plamen. Chladič využívá chlazení vzduchem s žebry pro efektivní odvod tepla.
Setrvačník spojuje dva písty prostřednictvím ojnic a kotoučů. Tato setrvačnost udržuje systém v pohybu, i když žádný z pístů nevytváří točivý moment. Plamen nepřestává hořet. Je to jen čekání.
Cyklus se skládá ze čtyř různých fází:
- Expanze: V horkém válci se zvyšuje tlak. Vyhřívaný píst se pohybuje doleva a dělá užitečnou práci. Chlazený píst je na vrcholu svého zdvihu, dočasně nehybný, když mění směr.
- Převodovka: Oba písty se pohybují. Horký píst se pohybuje zpět doprava a studený píst stoupá. Tato akce vytlačí většinu plynu přes regenerátor. Regenerátor je obvykle drátěná síť s velkým povrchem. Funguje jako tepelná baterie a absorbuje teplo z horkého plynu při jeho průchodu. To předchlazuje plyn před vstupem do studeného válce, což znamená, že chladicí žebra mají méně práce.
- Stlačení: Studený píst začíná svůj zdvih směrem dolů. Stlačuje nyní ochlazený plyn. Teplo generované tímto stlačením je okamžitě odváděno chladicími žebry.
- Reset: Oba písty se znovu pohybují. Studený píst jde dolů a horký píst se pohybuje doleva. To nutí plyn, aby se vrátil přes regenerátor. Tentokrát plyn odebírá teplo nahromaděné v síti během předchozího cyklu. Do horkého válce vstupuje již zahřátý. Cyklus začíná znovu.
Proč Stirlingovy motory nejsou ve vaší garáži
Pokud je účinnost tak vysoká a design je tak čistý, proč nevidíte hybridní vozy se Stirlingovým pohonem, jak závodí po silnici? Nebo obyčejné hybridy, mimochodem?
Problém je tepelná prodleva. Protože zdroj tepla je externí, motor nemůže reagovat okamžitě. Teplo musí projít stěnami válce, než skutečně ohřeje plyn uvnitř.
To vytváří dvě fatální chyby pro automobilové použití:
- Pomalé zahřívání: Než motor začne produkovat užitečný výkon, potřebuje čas, aby dosáhl provozní teploty. Nemůžete jen tak nastartovat Stirlingův motor a odjet do práce v městském provozu.
- Špatná odezva plynu: Motor nemůže rychle měnit výkon. Pokud potřebujete prudce zrychlit, je rychlost přenosu tepla příliš nízká na to, aby poskytla požadovaný nárůst točivého momentu.
Tyto vlastnosti účinně zabíjejí myšlenku výměny spalovacího motoru ve standardních autech. Zpoždění je příliš výrazné pro povahu pohybu start-stop.
Hybridní Stirlingův motor by stále mohl být životaschopný, pokud by motor běžel při konstantní optimální rychlosti pro nabíjení baterie, čímž by se obešla potřeba rychlé reakce na plyn. Ale pro auto s přímým náhonem? To není možné.
Shrnutí
Stirlingovy motory poskytují vysokou účinnost, tichý chod a možnost využití jakéhokoliv externího zdroje tepla. Jedná se o univerzální nástroje pro projekty obnovitelné energie. Ale to má svou cenu. Vysoké počáteční náklady a složitá konstrukce je činí méně praktickými pro široké přijetí než běžné motory.
Možná vás napadne, zda lze teplotní zpoždění překonat lepšími materiály nebo menšími geometrickými rozměry. Možná. Ale právě teď jim fyzika tepelného vedení brání dostat se do garáže.
