Сьогодні ми поговоримо про тип двигуна, який відрізняється від традиційного двигуна внутрішнього згоряння. Транспортні засоби, як правило, використовують двигуни, що працюють від викопного палива ефективність яких зазвичай не дуже висока. У цьому випадку представляємо вам двигун Стірлінга. Цей тип двигуна забезпечує значно більшу ефективність, ніж бензинові чи дизельні двигуни, а також є екологічно чистим.
У цій статті ми розглянемо основні особливості двигуна Стірлінга, як він працює та які його основні переваги та недоліки. Ми також розглянемо деякі з найпоширеніших способів використання цього двигуна, який може зіграти вирішальну роль у переході енергії.
Двигун Стірлінга
Двигун Стірлінга — це тип двигуна зовнішнього згоряння, який використовує тиск, створюваний газом, який нагрівається та охолоджується, замість внутрішнього згоряння, де спалюється паливо. Цей винахід датується 1816 роком, коли його розробив і запатентував шотландський преподобний Роберт Стірлінг. Задуманий як безпечніша альтернатива паровому двигуну, який домінував у той час, Стірлінг запропонував більшу ефективність і безпеку завдяки своїй простій конструкції.
Хоча йому було важко зарекомендувати себе у великомасштабних програмах через технічні та економічні обмеження, він залишається дуже актуальним у деяких секторах, головним чином через його тиха робота і його здатність виробляти енергію з різних джерел, включаючи відновлювану енергію.
В даний час його використання зосереджено на підводні човни і виробництво електроенергії, особливо на сонячних установках, де двигуни Стірлінга використовують сонячне тепло для ефективного виробництва енергії. У наступних розділах ми докладніше розглянемо його роботу та застосування.
Робота двигуна Стірлінга
Двигун Стірлінга працює за термодинамічним циклом, відомим як Цикл Стірлінга, який складається з чотирьох основних фаз: нагрівання, розширення, охолодження та стиснення. На відміну від двигунів внутрішнього згоряння, у двигуні Стірлінга газ залишається закритим у системі, що означає відсутність викидів забруднюючих речовин, таких як вуглекислий газ або токсичні гази. Це робить його привабливим варіантом з екологічної точки зору.
Основні принципи роботи: Цикл Стірлінга базується на двох основних принципах:
- Тиск усередині газу зростає, коли підвищується його температура в замкнутому об’ємі.
- Стиснення газу при постійному об’ємі також підвищує його температуру.
Ці принципи застосовуються через дві камери, одну гарячу та одну холодну, які містять робочий газ (яким може бути гелій, водень, азот або навіть повітря). Газ рухається між обома камерами, що спричиняє коливання тиску, який приводить у рух поршні.
Процес починається з нагрівання газу в гарячому циліндрі. При нагріванні газ розширюється і штовхає поршень вниз. Потім гарячий газ передається в холодну камеру, де він охолоджується, а його тиск знижується, дозволяючи йому знову стискатися. Це генерує циклічний рух поршнів і перетворює теплову енергію в механічну енергію, корисну для виробництва електроенергії або руху автомобіля.
Частини двигуна Стірлінга
Двигун Стірлінга складається з кількох ключових частин, які разом виконують цикл перетворення енергії:
- Витісневий циліндр: Відповідає за переміщення газу між гарячим і холодним вогнищем.
- Потужність поршня: Перетворювач теплової енергії газу в механічну роботу, за допомогою якої можна рухати машину.
- Регенератор: Теплообмінник, який поглинає тепло від газу, коли він перебуває у фазі охолодження, і повертає його, коли газ знову нагрівається. Це допомагає підвищити ефективність циклу.
- Пальник або джерело тепла: Він забезпечує теплову енергію, необхідну для нагріву газу.
- Маховик: Він діє як стабілізатор, який підтримує рівномірний обертовий рух, необхідний для безперервної роботи двигуна.
- колінчастий вал: Перетворювач лінійного руху поршня в обертовий.
У наступному розділі ми детально розглянемо кожну фазу робочого циклу двигуна, щоб зрозуміти, як ці частини взаємодіють, створюючи механічну роботу.
Стадії циклу двигуна Стірлінга
Робочий цикл двигуна Стірлінга складається з чотирьох фаз:
- Розширення гарячого газу: Тепло подається на частину газу в гарячому циліндрі, викликаючи розширення. Гарячий газ штовхає поршень вниз, виконуючи механічну роботу.
- Передача в холодний циліндр: Гарячий газ передається в холодний циліндр, де швидко охолоджується.
- Стиснення холодного газу: Холодний газ стискається, коли поршень піднімається, забираючи частину тепла, яке він отримав під час фази розширення.
- Повернення до гарячого циліндра: Стиснений газ повертається в гарячий циліндр, де процес повторюється.
Переваги двигуна Стірлінга
Двигун Стірлінга має ряд переваг перед двигунами внутрішнього згоряння:
- Тиха робота: Оскільки немає внутрішнього згоряння, двигун Стірлінга працює надзвичайно тихо, що робить його ідеальним для чутливих до шуму застосувань, таких як підводні човни або електричні генератори в міських районах.
- Висока ефективність: Його здатність використовувати переваги кількох зовнішніх джерел тепла та його ефективна конструкція дозволяють йому досягти продуктивності, близької до циклу Карно. У програмах, таких як когенерація, ця ефективність дуже цінна.
- Гнучкість джерел тепла: Двигун Стірлінга може працювати на різних джерелах тепла, від викопного палива до повністю чистої енергії, такої як сонячна.
- Низький вплив на навколишнє середовище: Те, що газ герметичний, означає, що він не виділяє забруднюючих газів, що робить його дуже екологічним варіантом.
- Зменшене обслуговування: Завдяки простій конструкції та відсутності внутрішніх вибухів двигун Стірлінга потребує відносно малого обслуговування порівняно з традиційними технологіями внутрішнього згоряння.
- Тривалий термін служби: Надійна конструкція та простота системи дозволяють двигунам Стірлінга мати довший термін служби, що надає їм велику цінність у довгостроковому застосуванні.
- Універсальність: Від підводних човнів до сонячних генераторів і систем когенерації, двигун Стірлінга має широкий спектр застосувань, що робить його корисним інструментом для багатьох галузей промисловості.
Недоліки двигуна Стірлінга
Незважаючи на численні переваги, двигун Стірлінга також має деякі недоліки, які сповільнили його масове впровадження:
- Висока початкова вартість: Конструкція двигуна Стірлінга з його теплообмінниками та спеціальними матеріалами, які витримують тиск і температуру, є дорогою, що обмежує його конкурентоспроможність щодо інших технологій.
- Відсутність популярності: Хоча його характеристики вражають, відсутність загальних знань про двигун Стірлінга була перешкодою для його широкого впровадження.
- Проблеми з ущільненням: Збереження робочого газу може бути складним, особливо в двигунах, які працюють під високим тиском, що впливає на їх продуктивність і довговічність.
- Розмір і вага: Двигуни Стірлінга зазвичай більш громіздкі порівняно з двигунами внутрішнього згоряння подібної потужності через потребу в більших теплообмінниках.
- Обмежений час відповіді: Хоча двигун Стірлінга ефективний для застосування постійної потужності, він не підходить для систем, які вимагають швидких змін потужності, наприклад транспортних засобів.
Застосування двигуна Стірлінга
Двигун Стірлінга знайшов застосування в кількох ключових областях. Серед найбільш помітних:
- Виробництво сонячної енергії: У сонячних областях двигун Стірлінга може використовувати концентровану сонячну енергію для виробництва електроенергії з високим рівнем ефективності. Експериментальні установки показали, що ця технологія може бути висококонкурентоспроможною порівняно з іншими відновлюваними джерелами енергії.
- Силова установка підводного човна: Завдяки безшумній роботі та відсутності повітря для згоряння двигун Стірлінга використовувався на підводних човнах для тривалих підводних місій.
- Накачування води: У сільській місцевості, де брак електроенергії може бути проблемою, двигун Стірлінга використовувався для перекачування води завдяки його здатності працювати на біомасі або рослинних залишках як джерело тепла.
- Промислове застосування: Двигун Стірлінга також експериментують у промисловому застосуванні як допоміжні генератори електроенергії на промислових підприємствах, які можуть використовувати відпрацьоване тепло від промислових процесів.
- Холодильне обладнання: Змінюючи термодинамічний цикл, двигуни Стірлінга можна використовувати для кріогенного охолодження, досягаючи дуже низьких температур.
Двигун Стірлінга виділяється своєю універсальністю та високою ефективністю в спеціалізованих застосуваннях, які вимагають постійної роботи та низьких викидів. Незважаючи на свої обмеження, це технологія з великим потенціалом на майбутнє, особливо щодо зменшення викидів вуглецю та інтеграції з відновлюваними джерелами енергії.