.jpeg "фото Двигатели Стирлинга(краткий обзор)")
Введение
2. Основные технологические характеристики
2.1 Различие цикла Карно и цикла Стирлинга
2.2 Принципы устройства
2.3 Рабочее тело
3. Применение и экологические составляющие
3.1 Применение
3.2 Экологическая составляющая
4.
Заключение
5. Список литературы
Введение
Двигатели Стирлинга — двигатели внешнего сгорания, основанные на термодинамических процессах сжатия и расширения рабочего тела в камере сгорания. Данное определение является обобщённым, так как существует большое количество разнообразия устройства.
В современном мире энергетика развивается с довольно высокой скоростью к тому же все больше люди задумываются об экологии и окружающей среде. Двигатели Стирлинга являются новым витком энергетики, так как они более совершенны в плане циклов работы над топливом. [3]
Идея создания такой машины принадлежит шотландскому ученому Роберту Стирлингу, рассчитавшему в 1816 году цикл работу, схожий с циклом Карно. Учитывая, то, что цикл Карно считается идеальным, то ,получается, что цикл Стирлинга можно считать максимально приближенным к идеалу.
На какой-то промежуток времени данные двигатели выпали из оборота из-за резкого появления спроса на ДВС и их внедрения в машиностроение, но с развитием энергетики, судостроения и тд. А также усиление интереса человека к экологии и возрастания проблемы с загрязнением окружающей среды, двигатели Стирлинга выводят на новый уровень. Нас данные аппараты интересуют с точки зрения экологичности и перспективности. Так как они являются замкнутыми, то значит и выбросов у них не должно быть, значит, в ближайшем будущем можно ожидать резкий скачок интереса к данным агрегатам.
- Основные технологические характеристики
2.1 Различие цикла Карно и цикла Стирлинга
Основное различие между ДВС и двигателем внешнего сгорания состоит в том, что топливо используется по замкнутому циклу, т.е рабочее тело. В какой-то степени данные циклы сходятся с циклами Карно, но по оценкам исследователей данный цикл является приближенной к реальности концепции Карно.[1]
Как известно, Цикл Карно — идеализированное действие и превратить его не практике невозможно. Но, в какой-то степени, цикл Стирлинга можно считать его приближённой вариацией. Основа цикла Карно в том, что он действует по принципу изоэнтропические процессы, а двигатели Стирлинга работают на том, что в них происходят регенеративные процессы, восстановления газа, который был уже использован в работе.[11] Данные действия позволяет увеличить КПД самого двигателя вплоть до 94%. Такие цифры дают новые возможности для развития технологий в целом.
2.2 Принципы устройства
Итак, что же такое двигать Стирлинга?
Внешне — это аппарат, состоящий из двух или одного цилиндра и поршней, расположенных различными способами. Бывают различные конфигурации, например, восьмиконечной звезды-самые кинематически выигранные расположение поршней или v-образные двигатели. Различия существовали лишь в кинематической составляющей поршней, то какую энергию они передают и то, с какой скоростью движутся
Рассмотрим отдельно данный цикл. Исторически он возник из-за необходимости создавать более мощные аппараты с наименьшими затратами топлива. Таким образом, была выдвинута идея, что стоит использовать топливо для нескольких циклов, получается, что происходит меньшая теплопотеря, за счет отсутствия потери топлива в процессе работы. Основан он на разнице темперах у горячей и холодной части камеры, следовательно, на разнице давления.
Итак, данный процесс был достигнут применением двух различных цилиндров для создания воздействия на рабочее тело. Первый поршень— рабочий, второй — вытеснительный. Данные поршни в итоге своего движения сдавливают или расширяют рабочее тело. Казалось бы ,что может быть не удобно, но разработчики столкнулись с проблемой того, что в процессе работы идет большая потеря энергии за счет разогревания и охлаждения топлива и отсутствия стадии, где бы энергия скапливается и аккумулируется. Для этого было добавлено еще один компонент, а именно регенаратор — устройство , являющееся передатчиком тепла. Все двигатели можно разделить на три типа устройства и расположения данных цилиндров и регенератора: 1) поршни находятся в одном цилиндре; 2) рабочий и вытеснительные поршни находятся в разных цилиндрах 3) два цилиндра и два поршня, каждый из которых выполняет роль, как вытеснительного, так и рабочего. [1]
Сам процесс состоит из нескольких этапов:
Первый это момент , когда все рабочее тело находится в горячей зоне. В данном положение наблюдается наибольший объем и наименьшее давление газа; оба поршня находятся соответсвенно в высшей, и низшей мертвых точках. На графике данный процесс изображен точкой 1
Далее рабочий поршень начинает движение вверх, а второго поршня вниз так, что расстояние между ними сохраняется, сдавливая тем самым рабочие тело, но так как это происходит без изменения расстояния между поршнями, т.е объем не изменяется то, температура газа не повышается сама по себе, а лишь за счет регенератора. В данном процессе газ проходит через регенератор, и в следствие этого газ переходит в горячую часть. Также благодаря прохождению газа через регенератор он нагревается, а , из законов термодинамики, получаем, что давление также повышается
Третий этап: Вытеснительный поршень начинает двигаться вверх, а рабочий остается в своей низшей мертвой точке. В следствие данного действия рабочее тело начинает расширяться , рабочее тело проходит через регенератор, также за счет увеличения объема идет понижение давления, в то же время температуру не изменяется, на основе термодинамических законов.
Четвертый этап: рабочий поршень начинает двигаться вниз, тем самым возвращая рабочее тело в исходное состояние за счет перехода газов через регенаратор и накопление энергии для дальнейшего начала цикла.
Таким образом, получается, что один и тот же газ может быть в работе несколько раз, так как проходя через регенератор он попадает обратно в полости поршней и продолжает работу уже в другой области. Данная технология позволяет уменьшить выбросы в окружающую среду отработанных газов. Но об этом ниже.
2.3 Рабочее тело
Основной частью двигателя за счет которой и происходят все термодинамические процессы является рабочее тело. В двигателях Стирлинга в основном применяются различные по составу и свойствам газы[1]. Основными характеристиками для выбора будут являться: теплопроводность, вязкость, плотность и тд. В основном рабочими телами являются газы, но также существует и биоресурсы твердые или газообразные. Одним из самых уникальных можно считать солнечную энергии, за ее счет данные двигателе успешно работают на МКС, следовательно, в будущем есть возможность отказа от традиционного топлива и перехода на альтернативное более экологичное и экономичное, что ,возможно, решит некоторые проблемы нашей планеты.
- Применение и экологические составляющие
3.1 Применение
В современном мире для обычного человека двигателе Стирлинга не имеют такого широкого применения, так как в плане производства они более ресурсозатратные, чем двигатели внутреннего сгорания.[1] Поэтому в современном машиностроении не нашло применение данное устройство. Но благодаря своим характеристикам двигатели или хотя бы циклы Стирлинга используются в более узких областях.[9]
Например, одной из таких является вооружение стран. Такие установки могут быть очень полезны для тех мест, где доступ к устройству затруднен, таких, как космические станции или подводные лодки. Благодаря тому, что в двигателях Стирлинга любое вещество может быть рабочим телом, его можно применять в местах , которые не предполагают под собой присутствие человека, т.е не имеется возможность обслуживать механизмы. Именно поэтому NASA в своих новых изобретениях добавляет двигатели Стирлинга. Но ,к сожалению, об этом немного знают.[5]
Еще одним необычной сферой действия можно считать медицину. В связи с развитием не только технологий, но и навыков врачей, все больше и больше идет речь о создании более совершенных протезов. Ведь, раньше не представлялось, что человек, лишившийся части тела, не сможет спокойно существовать, без ограничений, но в нашем мире возможно все, именно благодаря развитию протезирования и созданию новых технологий в данной отрасли. Но, к сожалению, есть такие органы, которые невозможно заменить, так считалось раньше, но благодаря неожиданному применению в данной сфере двигателья Стирлинга, теперь стали появляется даже искусственные сердца[6], они может не так долговечны, но спасут много жизней тех, кто стоит в очереди на трансплантацию.
Также следует отметить, что в современном мире ученые ищут такие источники энергии, который смогут производить большее количество энергии при наименьшей потери и наименьшем влиянии на окружающую среду. Таким образом, появилась возможность использовать двигатели Стирлинга в энергетике. Было решено использовать двигатель в когенерационных камерах.[6] Суть состоит в том, что газы отработанные в двигатели не уходят или рассеиваются в виде тепла, а переходят в системы водоснабжения, тем самым согревая воду , т.е вся тепло , что было выработано двигателем не для полезной работы идет на вторичную работу отопления или подогревание воды в домах. Данные системы широко распространены в странах Европы и США, там данные установки вырабатывают 2-9 кВт энергии и 8-24 кВт тепла, причем КПД составляет 94%[5]. Таким образом сокращается значительно количество выбросов в окружающую среду.
Стоит отметить, что существует два различных способа работы КУ: газовое топливо и твердые биоресурсы. Для нас больший интерес представляет второй, основанный на использовании биоресурсов. Так как они могут будущим энергетики[6]
Еще одним направление использования можно считать утилизацию выбросов ДВС. Так как рабочее тело может быть любым(как рассматривалось выше), то циклы Стиринга периодически применяются в ДВС, решая их проблему с выбросами газов.
Таким образом, двигатели Стирлинга хоть и не нашли такого большого применения как ДВС , они все же занимают большую часть в современном мире, так как являются перспективным направлением развития.
3.2 Экологическая составляющая
Рассмотрим, как можно использовать данные двигатели для сохранения или уменьшения эффекта на окружающую среду. Как говорилось ранее, двигателе Стирлинга используются в энергетике. Так как для данных агрегатов, почти любе вещество может стать рабочим телом[1], то все чаще возникают идеи о том , чтобы использовать биоресурсы или те, что можно восстановить. Так как со временем газы и то топливо на котором работают ДВС иссякнет, по примерным подсчетам это произойдет примерно через 150 лет[12], но можно использовать такие ресурсы , как газы вырабатывающиеся при работе производств, распаде элементов и т.д. Система , основанная на работе на биоресурсах-когенерационные камеры.
Еще одним преимуществом можно назвать низкий уровень шума. Рассматривая устройство ДС можно отметить, что у него не происходит потери рабочего тела и каких-либо взрывных реакций, воздействующих на топливо, значит, нет такого количества шума, как у большинства поршневых двигателей.[4]
4. Заключение
Таким образом, можно сказать, что ДС являются самыми экологичными, но , к сожалению, они не будут экономичны из-за затрат на поиски рабочего тела и достаточно дорогих материалов и сплавов, используемых в двигателях. Также внушающие размеры пока что не позволяют сделать данную технологию общедоступной, но со временем есть вероятность того, двигатели Стирлинга заменят собою ДВС в некоторых сферах жизни.
5. Список литературы
Круглова М. Г., Двигатели Стирлинга. Машиностроение, Москва,1977
Делгато Филхо, Краткий обзор преимуществ, препятствий и экономической целесообразности двигателей стирлинга в качестве источника распределяющей генерируемых ресурсов и когенерационный систем
М.Д. Кузнецов, Особенности двигателей внешнего сгорания-двигателей Стирлинга, СПБГИ, 2012г стр 252-255
Арадхана Кумари, П.С, Пал, Арнаб Саха, Сураб Лахири, Стохастический тепловой двигатель, использующий активную частицу, 2020
Двигатели Стирлинга- технологический прорыв в автономной энергетике 21 в.- https://www.sovmash.com (дата обращения-20.10.21)
Двигатели внешнего сгорания(двигатели Стирлинга)- https://renewable.com.ua (дата обращения-20.10.21)
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды- https://etnoperm.ru/ekoproblemy/problemy-teplovyh-dvigatelej.html (дата обращения - 20.10.21)
В.С. Михайлова Молодой ученый №8 (112) стр 261-265
Н.О. Ушакова, Перспективы применения двигателей Стирлинга стр 74-76
Двигатель цикла Стирлинга V4, разработанный и построенный Альфонсом С. Вассалло, Калифорния, 1994 URL: https://www.flickr.com/photos/15794235@N06/5762086903/in/album-72157635278348680/
Ридер Г. Двигатели Стирлинга / Г.Ридер, Ч.Хупер. / Пер. с англ. М., 1986. 464 с.
Б. Герман „Под угрозой угольного голода” URL: http://n-t.ru/tp/ie/ug.htm
