Какие бывают двигатели: двигатель Стирлинга

Несмотря на то, что самый высокий КПД преобразования тепловой энергии в механическую сейчас дают паровые турбины, они не универсальны, и работают только с высокими температурами. А можно ли получить электрическую энергию за счет тепла человеческого тела? Или за счет разницы температур на поверхности и на несколько метров под землей?

Да, можно с помощью двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга настолько же универсален, насколько и прост в изготовлении. Изготовить его может даже ребенок (и этому посвящено достаточно много сайтов) из подручных материалов. Попробуем разобраться, что такое двигатель Стирлинга, как он устроен и какие физические принципы лежат в основе его работы.

Двигатель Стирлинга является тепловой машиной, в которой рабочее тело (обычно это газ), движется внутри замкнутого пространства. Этот двигатель также является одним из видов двигателей внешнего сгорания, даже несколько больше. Он не только может работать на любом топливе, но и без топлива, просто при наличии источника тепла.

Принцип работы

В основе двигателя Стирлинга лежит то, что объем газа при нагревании увеличивается, а при охлаждении уменьшается. Представим, что у нас есть некий замкнутый корпус, определенного объема, в котором находится воздух. На одной части корпуса, у нас находится эластичная мембрана (она же поршень), которая выгибается каждый раз при нагреве корпуса, то есть совершает определенную работу за заданный промежуток времени. Это происходит из-за расширения воздуха, которым заполнен корпус. Обратный процесс, будет происходить точно также, только с точностью наоборот. Корпус необходимо не нагревать, а охлаждать. Мембрана из-за уменьшения объема воздуха, начнет снова выгибаться, но уже в другую сторону, опять же совершая работу.

Чтобы извлечь из этого пользу, колебания должны происходить достаточно часто, и воздух в корпусе должен постоянно то охлаждаться, то нагреваться. Для автоматизации этого процесса предусмотрен дополнительный поршень, который называется вытеснитель. Его роль — вытеснять оставшийся объем воздуха (горячего или холодного), из нижней части корпуса (горячей), к верхней (холодной).

Этот поршень, занимает практически половину всего объема корпуса, и имеет вид круглого диска, не плотно прилегающего к стенкам корпуса. Зазор между стенкой и диском, как раз и необходим для того, чтобы воздух из горячей области корпуса, переместился в охлаждаемую область, и наоборот.

По идее, поршень должен состоять из легкого материала, плохо проводящего тепло, так как именно он является ключевым элементом в системе, который находится на границе раздела двух сред.

Ну а далее, двигатель Стирлинга состоит из обычной, кривошипно-шатунной системы, которая соединяет поршень и мембрану, что позволяет им находиться на одной оси вращения. Это и обеспечивает весь механизм цикличности, то есть дает возможность двигателю опускать и поднимать поршень.

Типы конфигурации двигателя Стирлинга

Демонстрация работы Альфа Стирлнга (Wikipedia)

Демонстрация работы Альфа Стирлнга (Wikipedia)

Прошло уже немало лет после открытия, и дальнейшего применения двигателей для паровых машин по принципу Стирлинга. За все это время, инженеры всего мира, классифицировали его на три типа.

Первый тип получил название Альфа Стирлинг в честь первой буквы греческого алфавита, как самый первый из придуманных. Суть его работы заключается в следующем. Данный тип двигателя, содержит два разных поршня, которые находятся в разных цилиндрах. Соответственно один из них горячий, а другой холодный.

Отношение мощности альфа Стирлинга к его объему — довольно велико, но из-за того, что температура у горячего поршня довольно большая, существует ряд технических проблем.

Для борьбы с этими проблемами, на смену ему приходит Бета Стирлинг. Цилиндр в этом типе — один единственный, его температура урегулирована (с одного конца он холодный, а с другого горячий). Внутри него, как и в классической схеме Стирлинга, находятся поршень и вытеснитель, которые движутся, перекачивая горячий воздух в холодную область цилиндра с помощью регенератора.

И последний тип двигателя — это Гамма Стирлинг. В этой конфигурации, все также, как и в первом. Есть поршень, определяющий мощность, и есть вытеснитель, который гоняет горячий воздух. Оба находятся в разных цилиндрах, один из которых холодный (поршень), а другой, как в бета конфигурации с одной стороны холодный, а с другой горячий (вытеснитель).

Существуют и иные типы Стирлингов, которые не подходят под стандартную классификацию. Это, так называемый «Роторный двигатель». Его преимущество заключается в отсутствии громоздкости, а также в хорошей герметичности.

Иные циклы работы двигателя Стирлинга

Конечно же, цикл работы двигателя Стирлинга является неотъемлемой частью именно данного двигателя, но при детальном изучении, выяснилось, что существует множество иных циклов, отличных от Стирлинга, но, в то же время, подчиняются они его законам.

К примеру, двигатель типа альфа Стирлинг, у которого поршни имеют разный диаметр, обладают циклом работы, очень похожим на цикл Эрикссона. Также, бета и гамма Стирлинги, обладающие сравнительно большим диаметром вытеснительного поршня, тоже занимает место посередине между Эрикссоном и Стирлингом.

В бета Стирлинге, рабочее тело, изменяет свое состояние по кривой линии, имеющей промежуточное направление между изобарой и изохорой. Это позволяет увеличить мощность такого двигателя в два раза и уменьшить потери тепла и энергии, происходящие по вине силы трения. Одним из преимуществ такого двигателя Стирлинга, с принципом, близким к циклу Эрикссона, является то, что в любой момент, изобара может быть заменена изохорой (или наоборот). Это значит, что в момент расширения рабочего тела, не будет иметь место никакие изменения давления и теплообмена в двигателе.

Чего не скажешь об обычном цикле Стирлинга, в котором происходят колоссальные потери тепла, вызванные изотермическими процессами в охладителе и нагревателе.

Преимущества и недостатки

Двигатель, сделанный по принципу Стирлинга, обладает рядом полезных преимуществ. Это и большой уровень температур, при которых он работает (чего не скажешь о стандартных двигателях внутреннего сгорания).

Конечно же, преимуществом является простота конструкции. Для постройки такого двигателя, необходим самый минимум систем. Запуск двигателя построен таким образом, что он может обходиться без стартера.

Еще одной важной особенностью Стирлингов, является их бесшумность работы. Так как в них отсутствуют выхлопы, то вся работа выполняется практически бесшумно.

Ну, и последним преимуществом является экологичность. Внутри двигателя отсутствуют компоненты, которые могли бы существенно загрязнять окружающую среду, чего не скажешь о двигателях внутреннего сгорания.

Но, как говорится, идеальных механизмов не существует, также и не обойтись без недостатков. Самым основным недостатком двигателя Стирлинга, является его громоздкость. Как и любой двигатель, он нуждается в охлаждении, а это сулит установкой большего количества радиаторов, что существенно увеличивает массу всей конструкции.

Остальные недостатки, не так существенны при постройке данного типа двигателя, поэтому их можно не брать во внимание.

Применение

На сегодняшний день, двигатель Стирлинга применяется практически во всех областях и отраслях. Его используют как универсальный источник электроэнергии, в качестве насосов, в холодильных системах, на подводных лодках, в качестве аккумуляторов, на солнечных электростанциях и так далее. Именно по этой причине, двигатель Стирлинга, сейчас является универсальным устройством для выполнения любого рода задач.