Jak działają silniki Stirlinga: cicha alternatywa dla silnika spalinowego

Większość z nas wie, jak działa silnik benzynowy. Paliwo się pali. Tłok wykonuje skok roboczy. Moc jest przekazywana. Jest głośno. Jest brudno. To jest silnik spalinowy.

Silnik Stirlinga jest zaprojektowany inaczej. Wynaleziony przez Roberta Stirlinga w 1816 roku mechanizm ten działa na zupełnie innej zasadzie. To jest silnik cieplny. Ale w przeciwieństwie do silnika w Twoim codziennym samochodzie, nie powoduje on eksplozji paliwa znajdującego się w cylindrach. Wykorzystuje zamknięty obieg gazu. Stała ilość powietrza lub helu. Hermetycznie zamknięte. Nigdy nie opuszcza systemu.

Taka konstrukcja oznacza brak zaworów wydechowych. Żadnych iskier. Tylko cicha, stabilna praca mechaniczna.

Dlaczego nie widzimy silników Stirlinga na każdym parkingu? Wydajność była marzeniem. Mogą przewyższać silniki benzynowe lub wysokoprężne pod względem sprawności cieplnej. Jednak złożoność produkcji uniemożliwiła masową adopcję. Dziś można je znaleźć w wyspecjalizowanych niszach. Okręty podwodne. Najważniejszym czynnikiem jest tam spokój. Jachty. Gdzie generatory powinny buczeć, a nie ryczeć. Zasilanie pomocnicze dla stacji zdalnych. Wysoko wykwalifikowani wynalazcy wciąż poszukują „świętego Graala” praktycznych, wysokowydajnych cykli Stirlinga. Ale na razie pozostają narzędziami niszowymi.

Fizyka w zamkniętej pętli

Aby zrozumieć, w jaki sposób silnik Stirlinga wytwarza moc, należy zapomnieć o spalaniu. Wewnątrz cylindra nie ma płomienia. Ciepło pochodzi z zewnątrz.

Podstawowa koncepcja opiera się na prawach gazowych. W szczególności sposób, w jaki ciśnienie i temperatura oddziałują na siebie w ograniczonej objętości.

• Podgrzej stałą ilość gazu w ustalonej przestrzeni, a ciśnienie wzrośnie.
• Skompresuj określoną ilość gazu, a jego temperatura wzrośnie.

Uproszczony silnik Stirlinga wykorzystuje dwa cylindry. Jeden jest gorący. Jeden jest zimny. Połączone kanałem. Tłoki są połączone mechanicznie. Kiedy jeden porusza się w dół, drugi porusza się w górę. To połączenie określa czas.

Cykl składa się z czterech różnych faz.

1. Rozprężanie (skok). Ciepło zewnętrzne oddziałuje na gaz w gorącej butli. Ciśnienie rośnie. Tłok zmuszony jest przesunąć się w dół. Jest to jedyna część cyklu, która wytwarza użyteczną pracę. Cała reszta to tylko konserwacja.
2. Transfer. Gorący tłok podnosi się. Zimny ​​tłok opada. To wymusza rozprężony gaz z gorącej komory do zimnej komory. Gaz szybko się ochładza. Ciśnienie spada. Ten krok jest krytyczny. Niższe ciśnienie ułatwia kolejny etap.
3. Kompresja. Zimny ​​tłok wypycha gaz z powrotem na stronę gorącą. Gaz jest sprężony. Ciepło powstałe w wyniku tego sprężania jest natychmiast usuwane przez źródło chłodzenia. Jeśli go nie ochłodzisz, ciśnienie gwałtownie wzrośnie, stawiając opór tłokowi.
4. Powrót. Zimny ​​tłok podnosi się. Gorący tłok opada. Ochłodzony gaz jest wtłaczany z powrotem do gorącego cylindra. Natychmiast się nagrzewa. Ciśnienie gwałtownie wzrasta. Cykl zaczyna się od nowa.

Asymetria jest zauważalna. Tylko pierwsza faza wytwarza energię. Trzecia faza zużywa energię do sprężania gazu. Wynik netto jest różnicą między tymi dwiema siłami.

Zwiększenie mocy: Regenerator

Jak zwiększyć moc silnika Stirlinga? Korygujesz ekstremalne ciśnienia.

Wyższe ciśnienie w pierwszej fazie = większy nacisk. Niższe ciśnienie w trzeciej fazie = mniejszy opór.

Można zwiększyć temperaturę źródła ciepła. Ale jest niuans. Gaz traci ciepło przechodząc ze strony gorącej do strony zimnej. Ta energia zostanie utracona, jeśli jej nie uchwycisz.

Regenerator wchodzi na scenę. Jest to matryca przypominająca siatkę zlokalizowana w przepływie. Gdy gorący gaz przemieszcza się w kierunku zimnej strony, przekazuje ciepło do matrycy regeneratora. Matrix to ratuje. Kiedy gaz jest wypychany z powrotem ze strony zimnej do gorącej, odbiera zmagazynowane ciepło.

Powoduje to wstępne podgrzanie gazu przed wystawieniem go na działanie zewnętrznego źródła ciepła. Wynik? Wyższe ciśnienie szczytowe w pierwszej fazie. Mniejsze zużycie energii w trzeciej fazie. Więcej czystej energii.

Bez regeneratora silnik Stirlinga jest nieefektywny. Zbliża się z nim do teoretycznych maksimów.

Prawdziwe silniki nie są idealne. Ograniczenia fizyczne zacierają wyidealizowane linie cyklu. Występuje tarcie. Występują wycieki ciepła. Ale podstawowa logika pozostaje.

Następnie przyjrzymy się dwóm głównym sposobom, w jaki projektanci rozmieszczają te komponenty. Silnik wypornościowy jest najbardziej intuicyjny. Rozdziela funkcje ruchu i sprężania gazu na dwa oddzielne tłoki. Jeden porusza gazem tam i z powrotem. Drugi wykonuje ciężką pracę polegającą na kompresji. Łatwiej to sobie wyobrazić. Ale to nie jedyny sposób na zbudowanie silnika Stirlinga.

Jak osoba poruszająca się steruje pętlą

Zapomnij na chwilę o konfiguracjach dwutłokowych, które widzisz w podręcznikach. Silnik Stirlinga z elementem wyporowym upraszcza konstrukcję do pojedynczego tłoka i wypornika. Wypornik nie wypycha energii; jego jedynym zadaniem jest przemieszczanie gazu tam i z powrotem pomiędzy strefami gorącymi i zimnymi. Pełni funkcję zaworu termicznego.

Prawdopodobnie widziałeś jeden z nich obracający się na biurku nauczyciela lub leżący w pudełku z zestawem do majsterkowania. Są to modele demonstracyjne o małej mocy, ale dowodzą, że zasada działa. Do działania wymagają jedynie różnicy temperatur pomiędzy górną i dolną częścią cylindra. Ludzka dłoń dotykająca podstawy i chłodnego powietrza w pomieszczeniu na górze? To wystarczy, aby uruchomić mechanizm.

Mechanika opiera się na dwóch różnych ruchomych częściach:

• Tłok roboczy: Jest to ściśle przylegający, mniejszy tłok u góry. On wykonuje rzeczywistą pracę. W miarę rozszerzania się gazu tłok jest wypychany do góry.
• Pojemność: Jest to większy, niższy, luźno osadzony tłok. Celowo słabo uszczelnia. Powietrze przepływa wokół niego swobodnie. Po prostu porusza pewną ilość gazu.

Gdy wypornik unosi się, zatrzymuje gaz w ogrzewanej dolnej komorze. Gaz nagrzewa się, rozszerza i wypycha tłok roboczy do góry. Ciśnienie gwałtownie wzrasta.

Gdy wypornik przesuwa się w dół, przesuwa gaz do schłodzonej górnej części. Gaz ochładza się i kurczy. Ciśnienie spada. Tłok roboczy powraca w dół, sprężając gaz.

Jest to rytmiczny cykl ogrzewania i chłodzenia. Silnik czerpie energię z ciągłego cyklu rozprężania i sprężania.

Skok mocy silnika dwutłokowego

W rzeczywistych zastosowaniach zwykle rezygnuje się z napędu na rzecz bardziej niezawodnego dwutłokowego silnika Stirlinga. Tutaj masz podgrzewany cylinder i chłodzony cylinder. W grzejniku zastosowano płomień zewnętrzny. W chłodnicy zastosowano chłodzenie powietrzem za pomocą żeberek w celu efektywnego odprowadzania ciepła.

Koło zamachowe łączy dwa tłoki poprzez korbowody i tarcze. Ta bezwładność utrzymuje system w ruchu nawet wtedy, gdy żaden z tłoków nie wytwarza momentu obrotowego. Płomień nie przestaje się palić. To tylko czekanie.

Cykl składa się z czterech różnych faz:

1. Rozprężanie: Wzrost ciśnienia w gorącym cylindrze. Ogrzany tłok porusza się w lewo, wykonując pożyteczną pracę. Ochłodzony tłok znajduje się w górnej części skoku i jest chwilowo nieruchomy podczas zmiany kierunku.
2. Przekładnia: Oba tłoki poruszają się. Gorący tłok cofa się w prawo, a zimny tłok podnosi się. To działanie powoduje przepychanie większości gazu przez regenerator. Regeneratorem jest zwykle siatka druciana o dużej powierzchni. Działa jak akumulator termiczny, pochłaniając ciepło z przepływającego gorącego gazu. Powoduje to wstępne schładzanie gazu przed jego wejściem do zimnego cylindra, co oznacza, że ​​żeberka chłodzące mają mniej pracy do wykonania.
3. Kompresja: Zimny ​​tłok rozpoczyna ruch w dół. Spręża teraz schłodzony gaz. Ciepło powstające w wyniku tego sprężania jest natychmiast usuwane przez żeberka chłodzące.
4. Reset: Oba tłoki ponownie się poruszają. Zimny ​​tłok opada, a gorący tłok przesuwa się w lewo. Wymusza to powrót gazu przez regenerator. Tym razem gaz odbiera ciepło zgromadzone w sieci podczas poprzedniego cyklu. Wchodzi do gorącego cylindra już nagrzanego. Cykl zaczyna się od nowa.

Dlaczego silników Stirlinga nie ma w Twoim garażu

Jeśli wydajność jest tak wysoka, a konstrukcja tak czysta, dlaczego nie widzisz samochodów hybrydowych napędzanych silnikiem Stirlinga ścigających się po drogach? A tak przy okazji, zwykłe hybrydy?

Problemem jest opóźnienie termiczne. Ponieważ źródło ciepła jest zewnętrzne, silnik nie może zareagować natychmiast. Ciepło musi przejść przez ścianki cylindra, zanim faktycznie ogrzeje znajdujący się w nim gaz.

Stwarza to dwie fatalne wady w zastosowaniach motoryzacyjnych:

• Powolne rozgrzewanie: Silnik potrzebuje czasu, aby osiągnąć temperaturę roboczą, zanim zacznie wytwarzać użyteczną moc. Nie można po prostu odpalić silnika Stirlinga i jechać do pracy w miejskim ruchu.
• Słaba reakcja przepustnicy: Silnik nie może szybko zmienić mocy wyjściowej. Jeśli konieczne jest gwałtowne przyspieszenie, współczynnik przenikania ciepła jest zbyt niski, aby zapewnić wymagany wzrost momentu obrotowego.

Te cechy skutecznie zabijają pomysł wymiany silnika spalinowego w standardowych samochodach. Opóźnienie jest zbyt duże w stosunku do charakteru ruchu typu start-stop.

Hybrydowy silnik Stirlinga mógłby nadal być opłacalny, gdyby silnik pracował ze stałą, optymalną prędkością w celu ładowania akumulatora, co pozwoliłoby uniknąć konieczności szybkiej reakcji przepustnicy. Ale dla samochodu z napędem bezpośrednim? To nie jest wykonalne.

Podsumowanie

Silniki Stirlinga zapewniają wysoką wydajność, cichą pracę i możliwość wykorzystania dowolnego zewnętrznego źródła ciepła. Są to uniwersalne narzędzia do projektów związanych z energią odnawialną. Ale to ma swoją cenę. Wysokie koszty początkowe i złożone konstrukcje sprawiają, że są one mniej praktyczne w przypadku powszechnego zastosowania niż silniki konwencjonalne.

Możesz się zastanawiać, czy opóźnienie termiczne można przezwyciężyć za pomocą lepszych materiałów lub mniejszych wymiarów geometrycznych. Może. Ale w tej chwili fizyka przewodzenia ciepła uniemożliwia im przedostanie się do garażu.