Arskama.ru

Автомобильный журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Цикл работы двигателя стирлинга

Цикл работы двигателя стирлинга

На рис. 2 показана принципиальная схема термодинамического цикла Стирлинга в поршневом двигателе.

Кроме того, источником теплоты для двигателя Стирлинга может служить любой источник, генерирующий теплоту при температуре 500 К и выше. В качестве источника теплоты могут быть использованы продукты сгорания любых видов органических ископаемых и синтетических топлив, солнечная, геотермальная и ядерная энергия. Все это, а также возможность применения двигателя Стирлинга, помимо традиционных областей использования, для подводных и космических аппаратов, автомобилей и т. д., привлекает к нему внимание. Уже сейчас параметры двигателя Стирлинга по экономичности, удельной мощности такие же, как у современных дизелей, а по токсичности и шуму ниже.

Следует отметить, что двигатель Стирлинга дополняет и расширяет возможности поршневых тепловых двигателей.

В основе работы двигателя Стирлинга лежит термодинамический цикл, показанный на рис. 1.

Поршень в цилиндре остается неподвижным в ВМТ , пока поршень в цилиндре движется к НМТ , что соответствует процессу на рис. 1. Общий объем полостей уменьшается; в них происходит сжатие рабочего тела при минимальной усредненной его температуре. В процессе cz происходит совместное движение поршней, причем увеличение горячего объема компенсируется равным ему уменьшением холодного объема, т. е. общий объем V не меняется и остается минимальным; рабочее тело перемещается из холодного объема в горячий. В процессе осуществляется изохорный подвод теплоты к рабочему телу в регенераторе. В процессе zb поршень в цилиндре остается неподвижным в НМТ , а поршень в цилиндре движется к НМТ — объем горячей полости увеличивается. При этом общий объем возрастает, и во всех полостях происходит расширение рабочего тела при максимальной усредненной его температуре.

В процессе поршни в обоих цилиндрах движутся к ВМТ ; при этом уменьшение горячего объема в цилиндре компенсируется равным ему увеличением холодного объема в цилиндре. Общий объем остается постоянным и максимальным, а рабочее тело вытесняется из горячего объема в холодный.

Прежде чем рассмотреть рабочий цикл двигателя Стирлинга, обратимся к принципиальной схеме, приведенной на рис. 3. Для того чтобы в двигателе Стирлинга происходило преобразование теплоты в механическую энергию, в его конструкции должны быть следующие элементы: две рабочие полости с переменным объемом — горячая Ve и холодная Vc; три теплообменника — нагреватель Н, регенератор R и охладитель Ох, соединительные каналы, связывающие между собой теплообменники и полости с переменным объемом; механизм, преобразующий поступательное движение поршней во вращательное. Отдельные элементы, составляющие газовый тракт рабочего тела в двигателе Стирлинга, образуют замкнутую систему, т. е. отсуствует массообмен с окружающей средой. Таким образом, внутри этого газового тракта суммарная масса одного и того же рабочего тела (газа) постоянная и при работе не претерпевает фазовых превращений (могут быть использованы рабочие тела, изменяющие фазовые состояния).

В нагревателе — компактном теплооб-менном аппарате к рабочему телу подводится теплота. Аналогично при движении рабочего тела через охладитель от рабочего тела отводится теплота Q2. Ка-ких-либо устройств (клапанов, задвижек, золотников и т. д.) нет, что несомненно упрощает конструкцию двигателя и повышает его надежность.

Регенератор представляет собой высокопористую со сквозными порами тепло-аккумулирующую массу (металлическая сетка, путанка; спеченная высокопористая керамика и т. д.), которая получает теплоту от проходящего через нее горячего рабочего тела из нагревателя и отдает ее при обратном движении холодного рабочего тела из охладителя. Таким образом, в регенераторе двигателя благодаря внутреннему теплообмену осуществляется подогрев рабочего тела перед поступлением в нагреватель за счет аккумулированной теплоты. В результате уменьшается количество теплоты, подведенной извне, и повышается КПД двигателя.

Количество теплоты, вводимой во внутренний контур, а следовательно, совершаемая цикловая работа зависят от суммарной массы рабочего тела, находящегося во внутренних полостях двигателя. Суммарная масса рабочего тела увеличивается с ростом максимального давления во внутренних полостях при подаче в них дополнительного газа. Таким образом можно регулировать мощность двигателя.

Схема осуществления рабочего цикла двигателя Стирлинга приведена на рис. 4.

При сжатии рабочего тела в результате уменьшения суммы объемов горячей и холодной полостей выделяющаяся в холодной зоне (охладитель, часть регенератора, холодная полость) теплота отводится во внешнюю среду в охладителе. Закономерность изменения объемов горячей и холодной полостей подбирают таким образом, чтобы при сжатии большая часть рабочего тела находилась в холодной зоне. Это обусловливает уменьшение работы сжатия. В конце сжатия начинается вытеснение рабочего тела из холодной зоны в горячую (часть регенератора, нагреватель, горячая полость). При этом рабочее тело, проходя через регенератор, получает теплоту, аккумулированную в нем в предыдущем цикле. Так как обеспечить в регенераторе полную регенерацию теплоты невозможно, при дальнейшем движении рабочее тело нагревается до максимальной температуры в нагревателе. К этому моменту большая часть рабочего тела находится в горячей зоне, и его внутренняя энергия в результате подвода теплоты возрастает.

При последующем расширении теплота с помощью поршней преобразуется в механическую работу, которая передается на коленчатый вал, и сообщается потребителю. Для поддержания температуры рабочего тела при расширении на достаточно высоком уровне и близкой к постоянной от внешнего источника к рабочему телу в нагревателе подводится теплота. К концу расширения начинается вытеснение рабочего тела из горячей зоны в холодную. При этом рабочее тело, проходя через регенератор, часть своей теплоты передает теплоаккумулирующей насадке регенератора. В результате неполной регенерации теплоты рабочее тело при дальнейшем движении охлаждается до минимальной температуры в охладителе, который отводит теплоту во внешнюю среду. Из рассмотренной схемы рабочего цикла двигателя Стирлинга видно, что подвод теплоты от внешнего источника позволяет изолировать внутренние полости (внутренний контур) двигателя от внешней среды. Благодаря этому становится возможным применение в качестве рабочего тела в двигателях Стирлинга газов с наилучшими теплофизическими свойствами (водород, гелий и т.д.). Кроме того, становятся ненужными ряд систем, используемых в двигателях внутреннего сгорания (системы газораспределения, газообмена, зажигания, топливная высокого давления и т. д).

В двигателях Стирлинга рабочий цикл осуществляется за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала. В этом смысле двигатель Стирлинга аналогичен двухтактному двигателю внутреннего сгорания. Однако в двухтактном двигателе использование подпоршневых полостей в качестве рабочих связано с определенными трудностями, что было отмечено выше, а в двигателях Стирлинга такое конструкционное решение является обычным.

На рис. 5 представлена принципиальная схема двигателя Стирлинга двойного действия. Характерной особенностью схемы является то, что все горячие полости расположены над поршнем, а холодные — в подпоршневых полостях. Это упрощает конструкцию уплотнений и повышает надежность их работы. Каждый ход поршня является рабочим. Фазы, составляющие рабочий цикл двигателя Стирлинга, рассмотрим на примере работы цилиндров. Когда поршень в цилиндре подходит к ВМТ (рис. 5, а), поршень в цилиндре двигателя движется к НМТ . Большая часть рабочего тела сосредоточена в холодной зоне, осуществляется процесс сжатия и охлаждения рабочего тела в холодной зоне. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

Читать еще:  Abm zr 250 какой двигатель

При движении поршня цилиндра к НМТ (рис. 5, б) увеличивается объем горячей полости, поршень цилиндра подходит к НМТ и объем холодной полости уменьшается до минимума. Осуществляется нагрев от внешнего источника, а также в регенераторе и вытеснение рабочего тела в горячую полость. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

В следующей фазе (рис. 5, в) поршень цилиндра приближается к НМТ , быстро увеличивая объем горячей полости. Поршень в цилиндре начал движение к ВМТ , и объем холодной полости увеличивается. Происходит процесс расширения с подводом теплоты от внешнего источника к рабочему телу в горячей зоне. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

Когда поршень цилиндра движется к ВМТ , уменьшая объем горячей полости (рис. 5, г), поршень в цилиндре приближается к ВМТ , и объем холодной полости увеличивается. Рабочее тело вытесняется в холодную полость, по пути охлаждаясь в регенераторе и охладителе. Этой фазе на индикаторной диаграмме соотвествует процесс.

Таким образом, если за начало отсчета угла поворота коленчатого вала принять положение поршня в цилиндре в ВМТ , то первый такт будет состоять из фаз процессов, второй — из процессов.

Energy
education

сайт для тех, кто хочет изучать энергетику

Двигатели и нагнетатели

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры.

2. Двигатели внешнего сгорания

В 1816 шотландец Роберт Стирлинг предложил двигатель внешнего сгорания, называемый сейчас его именем Двигатель Стирлинга. В этом двигателе рабочее тело (воздух или иной газ) заключен в герметичный объём. Здесь осуществлен цикл по типу цикла Севери («до-Уаттовского»), но нагрев рабочего тела и его охлаждение производятся в различных объёмах машины и сквозь стенки рабочих камер. Природа нагревателя и охладителя для цикла не имеют значения, а потому он может работать даже в космосе и от любого источника тепла. КПД созданных сейчас стирлингов невелик. Теоретически он должен раза в 2 превышать КПД для ДВС, а практически — это примерно одинаковые величины. Но у стирлингов есть ряд других преимуществ, которые способствовали развитию исследований в этом направлении.


Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления.

При нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении — уменьшается. Это свойство газов и лежит в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Цикл Стирлинга состоит из четырёх фаз и разделён двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. Таким образом, при переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. Разницу объёмов газа можно превратить в работу, чем и занимается двигатель Стирлинга. 1. Внешний источник тепла нагревает газ в нижней части теплообменного цилиндра. Создаваемое давление толкает рабочий поршень вверх (обратите внимание, что вытеснительный поршень неплотно прилегает к стенкам). 2. Маховик толкает вытеснительный поршень вниз, тем самым перемещая разогретый воздух из нижней части в охлаждающую камеру. 3. Воздух остывает и сжимается, поршень опускается вниз. 4. Вытеснительный поршень поднимается вверх, тем самым перемещая охлаждённый воздух в нижнюю часть. И цикл повторяется.


Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую. Для этого двигатель стирлинга устанавливается в фокус параболического зеркала, (похожего по форме на спутниковую антенну) таким образом, чтобы область нагрева была постоянно освещена. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Энергия солнца фокусируется на небольшой площади. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела двигателя Стирлинга используется, как правило, водород, или гелий.

В феврале 2008 года Национальная лаборатория Sandia достигла эффективности 31,25 % в установке, состоящей из параболического концентратора и двигателя Стирлинга.

Компания Stirling Solar Energy разрабатывает солнечные коллекторы большой мощности — до 150 кВт на одно зеркало. Компания строит в южной Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию.

Администратор сайта: Колосов Михаил
email:
Copyright © 2011-2021. All rights reserved.

Цикл работы двигателя стирлинга

Работа двигателя Стирлинга может быть условно разделена на четыре стадии (рис. 23.10).

На I стадии все количество рабочего тела находится в холодной полости Х. На II стадии поршень 3, перемещаясь вверх, сжимает рабочее тело в холодной полости. Температура рабочего тела при этом сохраняется постоянной за счет отвода теплоты через стенки цилиндра холодному источнику теплоты (изотермный процесс сжатия 1-2; рис. 23.11).

На III стадии вытеснитель 1 (рис. 23.10), перемещаясь вниз, вытесняет рабочее тело (рис. 23.11) из холодной полости Х в горячую Г при постоянном объеме: υ2=υ3
Особенностью двигателя Стирлинга является полная регенерация теплоты изохорных процессов. С этой целью перемещение рабочего тела из холодной в горячую полость осуществляется через регенератор 2 (см. рис. 23.10). Регенератор, отдавая теплоту рабочему телу, охлаждается, а рабочее тело нагревается до температуры Т3 (изохорный процесс 2-3 на рис. 23.11). В горячей полости Г двигателя нагретое до температуры Т3 рабочее тело расширяется, сохраняя свою температуру за счет подвода теплоты от горячего источника теплоты через поверхность верхней крышки цилиндра (изотермный процесс 3-4 на рис. 23.11). Затем вытеснитель 1 (см. рис. 23.10) перемещается вверх, вытесняя при постоянном объеме υ4= υ1 рабочее тело (рис. 23.11) из горячей полости в холодную через регенератор 2 (IV стадия). Регенератор нагревается, отбирая теплоту от рабочего тела и охлаждая его в изохорном процессе 4-1 до температуры Т1 Стенки холодной полости Х сохраняют постоянную температуру Т1 за счет отбора теплоты холодным источником теплоты. В изотермном процессе 1-2, замыкающем рабочий цикл, сжатие рабочего тела происходит при более низкой температуре Т1 чем расширение в процессе 3-4, поэтому в цикле совершается полезная работа.
Все эти движения вытеснителя и поршня обеспечивают изменение объемов горячей и холодной полостей в соответствии с графиками 4 и 5 на рис. 23.10. В действительности ромбический механизм 4 (см. рис. 23.9) плавно перемещает вытеснитель 1 и поршень 3 в соответствии с кривыми 6 и 7 на рис. 23.10. Изменение объема горячей полости опережает по фазе изменение объема холодной полости.

Читать еще:  Чертеж магнитного двигателя своими руками

Удельная теплота q1 подводится к рабочему телу при изохорном процессе 2-3 от регенератора в количестве q1‘ и при изотермном процессе 3-4 от внешнего источника теплоты в количестве q1» .
В связи с этим

Теплота отводится вначале при изохорном процессе 4-1 в регенератор в количестве q2 и затем при изотермном процессе 1-2 в холодной полости двигателя в количестве q2» Следовательно,

Подстановка полученных выражений в формулу

Известно, что изменение энтропии в изотермных процессах определяется соотношениями

, т. е. изохорные процессы эквидистантны в sТ-диаграмме. Следовательно, q’1=q’2, т. е.
Регенератор двигателя Стирлинга в идеальном случает (без учёта потерь) осуществляет полную передачу теплоты в изохорных процессах 4-1 и 2-3 от горячего рабочего тела ( q’ 1 ) к холодному ( q’ 2 )

С учетом сказанного

Удельная теплота, передаваемая рабочему телу от внешнего источника теплоты, составляет

, поэтому термический кпд цикла Стирлинга

Термический КПД цикла двигателя Стирлинга равен термическому КПД цикла Карно.
В этом второе существенное положительное свойство цикла Стирлинга. Следует при этом заметить, что аналогичный результат можно получить в любых обратимых термодинамических процессах 2-3 и 4-1 при условии полной регенерации теплоты, т. е. при условии эквидистантности этих процессов в sТ-диаграмме.
Отмеченные положительные свойства цикла Стирлинга обусловили расширение в последние годы исследований и конструкторских проработок двигателей, работающих по циклу Стирлинга.

Видео о двигателе Стирлинга:

Цикл работы двигателя стирлинга

Библиографическая ссылка на статью:
Працков И.И. Двигатель Стирлинга — универсальный источник энергии // Современная техника и технологии. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2015/01/5553 (дата обращения: 14.09.2021).

В условиях современной жизни – эпохи потребления очень трудно сохранить то необходимое что у нас осталось – наши природные ресурсы. Надо задуматься, что скоро их останется очень мало, и получать энергию, без которой нам не обойтись, будет очень трудно.

Данная статья посвящается принципам работы, преимуществам, недостаткам и применению двигателя Стирлинга, который работает от разности температур и в качестве рабочего тела выступает воздух.

Принцип работы двигателя очень прост:

Работа двигателя основывается на использовании цикла Стирлинга, который по своей эффективности (термодинамической) в какой-то степени лучше, чем цикл Карно, и даже обладает преимуществом.

Дело в том, что практическое использование цикла Карно малоперспективно из-за того, что цикл представляет собой мало отличающиеся между собой изотермы и адиабаты. Использование для выполнения работы цикла Стирлинга позволило получить реально работающий двигатель в сравнительно небольших размерах.

Как же работает цикл Стирлинга?

Данный цикл состоит из четырёх фаз, которые разделены двумя другими фазами (переходными): сначала происходит нагрев, затем расширение, потом происходит переход к источнику холода, затем охлаждение, сжатие, и после, переход к источнику тепла.

По прохождении цикла (при переходе от тёплого источника к холодному) происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре, как следствие происходит изменение давления, за счёт чего можно получить полезную работу.

Нагрев и охлаждение рабочего тела производится вытеснителем. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое вытеснителем, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.[1]

При использовании цикла Стирлинга достаточно только подводить тепло, во избежание охлаждения рабочего тела во время его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.[2]

На сегодняшний день главное преимущество этого устройства заключается в том, что его можно сделать, как говорится, «в домашних условиях», и использовать его как источник электроэнергии.

Если же двигатель применять в промышленности как устройство выработки электрической энергии и использовать в качестве топлива солнце, то можно добиться колоссальной экономии денежных средств, которые в больших количествах затрачивались на оплату потребления электричества.

Из всего сказанного мною выше следует вопрос: почему же у нас в России нет производства этого устройства в промышленных масштабах?

Ведь у этого агрегата кроме недостатков (высокая материалоемкость, постоянно необходима разность температур(при чем больше разность, тем выше КПД)) есть много достоинств:

  1. Первым достоинством использования двигателя Стирлинга является экологичность, она обуславливается тем, что устройство не имеет выхлопа. Как следствие отсутствия выхлопа можно отметить гораздо сниженный уровень его шума по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Конструкция двигателя устроена так, что он не имеет каких-либо частей или процессов, которые могут загрязнять окружающую среду. Двигатель не использует (не расходует) рабочее тело. Так же экологичность устройства обуславливается экологичностью топлива. Отмечу, что реализовать практически полное сгорание топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в ДВС (в ДВС топливо (бензин или ДТ) сгорает в цилиндрах не полностью, в то время как в «стирлинге» сжиженый газ или спирт сгорают без остатка.
  2. Второе достоинство – в конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распределительный вал. Правильно спроектированный и изготовленный с использованием новых технологий двигатель Стирлинга не надо регулировать и настраивать в процессе всего срока эксплуатации, Стирлинг лишен этого недостатка. Кроме того, при запуске двигателя (если его применять в автомобиле) нет таких проблем как: низкий заряд аккумулятора, плохо отрегулированный (засоренный и т.д.) карбюратор, сломанный инжектор и прочее, что имеется при использовании двигателей внутреннего сгорания. Стирлинг не знает такое понятие, как ” заглох двигатель”. Двигатель остановиться в том случае, когда нагрузка превысит расчетную. Что бы запустить вновь, нужно сделать поворот маховика коленчатого вала.
  3. Простота конструкции обеспечивает длительность работы двигателя в автономном режиме.
  4. Можно использовать разные источники тепла : древесина, солнце, и так далее.
  5. Топливо сгорает не внутри объема двигателя, а снаружи, тем самым обеспечивается равномерное горение топлива и полное его дожигание, что позволяет достичь максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов.
  6. Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую.
Читать еще:  Датчик давления масла двигателя додж калибр

На мой взгляд, было бы хорошо, если каждый, знал про это великое изобретение и имел возможность использовать его, при условии, что оно производилось бы в промышленных масштабах у нас в стране, и продавалось в магазинах, как например двигатели ДВС. То народ мог бы экономить посредством снижения затрат на электричество. С помощью использования принципов работы двигателя Стирлинга, можно было бы перейти на электрические двигатели для автомобилей. В мире уменьшится количество вредных выбросов в атмосферу, и, как следствие, уменьшится вред, наносимый окружающей среде, а главное, здоровью человека.

В настоящее время этот двигатель нашёл применение в Испании, где в качестве топлива используют солнечную энергию.

Кроме, как универсальный источник энергии, двигатель можно применять в разных областях, например: использовать двигатель как насос для перекачки различных жидкостей; тепловой насос, в холодильной технике; охладитель датчиков в сверхточных приборах; использование в подводных лодках и как аккумулятор энергии.

Особенности двигателей внешнего сгорания — двигателей Стирлинга Текст научной статьи по специальности « Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Кузнецов М.Д.

В статье рассмотрены особенности двигателей Стирлинга . Кратко изложена история создания и развития. Описывается цикл Стирлинга , его сравнение с циклом Карно , а также основные типы конструкций.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Кузнецов М.Д.

Текст научной работы на тему «Особенности двигателей внешнего сгорания — двигателей Стирлинга»

М.Д.КУЗНЕЦОВ, студент, 8 960-242-08-92

Санкт-Петербургский государственный горный университет

M.D.KUZNETSOV, student, 8 960-242-08-92

Saint Petersburg State Mining University

ОСОБЕННОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ -ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

В статье рассмотрены особенности двигателей Стирлинга. Кратко изложена история создания и развития. Описывается цикл Стирлинга, его сравнение с циклом Карно, а также основные типы конструкций.

Ключевые слова: цикл Стирлинга, двигатель Стирлинга, двигатель внешнего сгорания, цикл Карно, Джон Эриксон, термический КПД.

PECULIARITIES OF EXTERNAL COMBUSTION ENGINES —

This article discusses the peculiarities of Stirling engines. Summarized history of the creation and development. Stirling cycle is described, and its comparison with the Carnot cycle, as well as the main types of structures.

Key words: Stirling cycle, Stirling engine, external combustion engine, Carnot cycle, John Ericsson, thermal efficiency.

Загрязнение окружающей среды, перенаселение планеты, ограниченность природных ресурсов, поиски альтернативных источников энергии — проблемы, которые необходимо решить в новое тысячелетие. Ученые пытаются придумать что-то новое, хотя ответ уже давно есть.

Все началось приблизительно в 1816 г. Робертом Стирлингом, священником из Шотландии, был изобретен тепловой двигатель с регенерацией, работавший по замкнутому циклу. Позднее шведский изобретатель Джон Эриксон, работавший в Англии, сконструировал регенеративный тепловой двигатель открытого цикла. Впоследствии в течение всего XIX в. в Англии, Европе и США широко использовались тысячи подобных двигателей самых разнообразных форм и габаритов. Они были надежными, достаточно эффективными и, что самое важное, безопасными по сравнению с современными паровыми машинами. Но в середине XIX в.

был изобретен двигатель внутреннего сгорания; его последующее развитие в виде бензиновых двигателей и дизелей наряду с изобретенным в это же время электродвигателем явилось причиной резкого уменьшения использования двигателей Стирлин-га. Однако в конце 30-х годов в Эйндховене в лабораториях фирмы «Филипс» было положено начало исследовательских работ по двигателям Стирлинга, с этого момента в их развитии наблюдается непрерывный прогресс [1].

Машина, работающая по циклу Стир-линга, представляет собой устройство с замкнутым термодинамическим регенеративным циклом, в котором циклические процессы сжатия и расширения осуществляются при различных уровнях температуры, а управление потоком рабочего тела происходит путем изменения его объема; на этом принципе основано превращение теплоты в работу или наоборот [2].

ISSN 0135-3500. Записки Горного института. Т. 196

Рассмотрим цикл Стирлинга и сравним его с циклом Карно.

Цикл Стирлинга (рис.1) в некотором отношении более прост, чем известный цикл Карно. Цилиндр имеет два противоположно расположенных поршня с помещенным между ними регенератором [3]. Регенератор представляет собой термодинамическую «губку», обладающую способностью поочередно поглощать и отдавать теплоту. Металлическая насадка состоит из отдельных тонких проволочек или полосок. Один из двух объемов, расположенный между регенератором и поршнями, — полость расширения — находится при высокой температуре Ттах. Другой объем — полость сжатия — имеет низкую температуру Тть, следовательно, температурный градиент между торцевыми поверхностями регенератора равен Ттах-Тть. В продольном направлении предполагается, что материал насадки имеет нулевую теплопроводность, т.е. движение поршней происходит без трения и без утечек рабочего тела, находящегося между поршнями.

Предположим, что в начале цикла поршень полости сжатия располагается в верхней мертвой точке, а поршень полости расширения — в нижней, около торцевой поверхности регенератора. В таком положении все рабочее тело находится в холодной полости сжатия. Его объем максимальный, а давление и температура минимальные; это соответствует точке 1 на рУ- и ТS-диаграммах (рис.1). Во время процесса сжатия 1-2 правый поршень движется по направлению к нижней мертвой точке, а поршень полости расширения остается неподвижным. Рабочее тело сжимается в полости сжатия, и давление его увеличивается. Температура остается постоянной, так как теплота Qс отводится от полости сжатия в окружающую среду.

В процессе 2-3 оба поршня движутся одновременно: поршень полости сжатия к регенератору, а поршень полости расширения — от регенератора. Движение поршней происходит таким образом, что объем между ними остается постоянным. Вследствие этого рабочее тело, проходя через пористую насадку регенератора, переходит из полости

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector