4 Цилиндровый двигатель стирлинга своими руками

ВАЖНО! Для того, что бы сохранить статью в закладки, нажмите: CTRL + D

Задать вопрос ВРАЧУ, и получить БЕСПЛАТНЫЙ ОТВЕТ, Вы можете заполнив на НАШЕМ САЙТЕ специальную форму, по этой ссылке >>>

Обсуждения

Расчёты и чертежи

41 сообщение

Надо бы рассчитать мощность стирлинга по чертежам и прикинуть на сколько нужно увеличить пропорции чтобы получить большую мощность (ватт хотя бы 300).

На stirlingmotors.ru выложены расчёты, но мне как гуманитарию, трудно сходу понять как же нужно считать.

При нагревании на 1 градус газ увеличивает свой объем на 1/273 часть от первоначального. Зная все это можем вычислить мгновенное давление, возникающее при нагревании газа в нашем двигателе стирлинга.

При расчете не забудьте вычесть из температуры нагрева "Т" температуру окружающей двигатель стирлинга среды.

Пример. Если стирлинг запускается в комнате с температурой 20 градусов. Источником энергии служит стакан с водой нагретой до 70 градусов. В формулу следует подставлять Т равное не 70, а 50 градусам! Если двигатель запускается на улице, при температуре воздуха минус 10 градусов — Т будет равно 80 градусам (70+10). При этом мощьность возрастет. Помните — Стирлинги работают не от высокой температуры нагревателя, а от разницы температур между нагревателем и холодильником!

Для вычисления силы "F" определяем характеристики рабочего поршня — площадь мембраны и ее вертикальный ход. Площадь мембраны "S"- это рабочая поверхность, на которую дваит рабочее тело с силой "F".

Сила "F" в нашем случае равна произведению дваления "P" рабочего тела в Паскалях на площадь мембраны "S" в метрах. Чем больше площадь мембраны, тем ощутимее сила F.

НО! За счет увеличения площади мембраны уменьшается ее вертикальное перемещение, поскольку масса рабочего тела не меняется! (не забываем — у нас стирлинг и рабочее тело не покидает объема двигателя при работе, а лишь нагреваясь и охлаждаясь, меняет свой объем и давление). Отсюда "растут ноги" для выбора величины хода шатуна, прикрепляемого к коленвалу и соответственно характеристики самого коленвала.

• Расчет дает пиковые значения давления при полном пр.огреве рабочего тела до расчетной температуры.

Это означает, что расчитанное вами давление возникнет только в определенный короткий промежуток времени рабочего такта двигателя стирлинга, нарастая до этого момента и спадая — после него.

Но, это только при условии полного погрева рабочего тела до температуры нагревателя, что практически недостижимо из-за высокого термического сопротивления на границе нагреватель-рабочее тело!

• Чем меньше ход рабочего поршня — тем выше обороты двигателя, но меньше мощность!

• Чем меньше ход вытеснителя (дисплейсера), тем лучше прогревается рабочее тело, и соответственно дает прирост давления максимально приближенный к расчетному.

• Чем больше площадь нагревателя — тем выше КПД стирлинга.

Трухов В.С. и др. Расчет параметров внутреннего теплообмена контура двигателя Стирлинга (Ташкент, Фан, 1979).

Начать стоит с простого алюминиевого кулера от процессора или видеокарты. Есть два варианта его применения в Вашем Стирлинге: первый — "от балды" и второй — "научный". "От балды" — берем любой кулер и крепим его на охлаждаемую поверхность термопастой от процессора. Оцениваем результат по изменению оборотов двигателя (в случае успеха они должны увеличиться). Вариант второй — измеряем рабочую температуру охлаждаемой части Стирлинга после выхода на рабочие обороты. Зная площадь охлаждаемой поверхности и теплопроводность материала, из которого она сделана можно рассчитать количество рассеиваемого в единицу времени тепла. Дальше "лезем" в документацию по радиаторам и кулерам и ищем подходящий по рассеивающей способности для данной температуры пассивный радиатор.

Применяя данную методику можно пойти еще дальше — расчитать, сконструировать и изготовить радиатор под Ваш двигатель. А вот каким он будет — сухим, влажным, активным пассивным — нет предела фантазии конструктора. И все по науке! В конце такой миниисследовательской работы Вы получите гарантированный прирост мощности Стирлинга. Дальше можно применить еще более глубокое охлаждение — лед.

С каждым новым шагом по снижению температуры холодной части двигателя контролируйте обороты, если они снова начали падать, значит Вы переохладили двигатель и подводимой энергии недостаточно. Только после этого стоит попробовать понемногу увеличивать температуру нагревателя, обороты можно еще повысить, но КПД это уже не прибавит.

Почему в такой последовательности — полагаем длинно разъяснять не надо. Вы и так давно поняли. Увеличивая нагрев увеличиваем расход энергии. Улучшая охлаждение — оптимизируем работу Стирлинга, повышая КПД.

Формулы и упрощенную методику для расчета кулера Вы найдете разделе ТЕОРИЯ

Бич всех Стирлингов — герметичность рабочей полости. Если возникают утечки — катастрофически падает КПД! Из-за этого низкотемпературники могут вообще не запускаться, хотя все детали и узлы изготовлены хорошо.

Форсирование можно начать, меняя именно этот критерий — герметичность. Для Альфа-Стирлингов все определяется уровнем изготовления цилиндро-поршневых групп.

Первое — качество обработки трущихся поверхностей.

Второе — материалы цилиндра и поршня горячего цилиндра. Если они изготовлены из разных материалов, имеющих неодинаковый коэффициент теплового расширения, то во время работы зазор между цилиндром и поршнем увеличится (если коэффициент расширения для материала цилиндра выше соответствующего для материала поршня). Возникнет утечка рабочего тела. Даже если поршень и цилиндр изготовлены из одного материала утечки также могут возникнуть, когда коэффициент теплового расширения материала высок (у алюминия, например).

Для Бета- и Гамма-Стирлингов кроме "поршневых дел" особого внимания требует изготовления сальника теплообменного цилиндра и проходящего через него штока дисплейсера. Проблемы те же. Есть кардинальное решение вопроса герметичности сальника — изготовление бесконтактного сопряжения — магнитной муфты с вертикальной подвижностью. Хотя для моделей малого масштаба это нецелесообразно.

Очень распространенный прием в моделировании Стирлингов — замена рабочего поршня мембраной с прикрепленным к ней шатуном. Мембрана обеспечивает полную герметичность соединения. Если масштабы Вашего Стирлинга позволяют "прокачать" его магнитной муфтой и мембраной достаточной прочности — Вам открыта дорога к увеличению рабочего давления двигателя — весьма действенный метод форсирования. Но об этом позже.

Особенно это критично для низкотемпературных Стирлингов, где снимаемая мощность минимальна и все зависит от качества изготовления модели.

При разбалансированности ведущего вала двигатель не сможет набрать максимальные обороты. Полезная мощность перейдет в вибрацию.

Напомним, в Альфа-Стирлингах диаметры и, соответственно, веса поршней одинаковы, но шатуны, в большинстве случаев, имеют общую точку крепления, с разносом шатунов на угол в на 90 градусов.

В Бета- и Гама-Стирлингах, ко всему прочему, рабочий поршень и дисплейсер неравновесны. Балансируют, как правило, маховик — это проще. Как уже упоминалось, для решения проблемы имеются два подхода. Первый описывать не будем. И так все ясно.

"Научный" подход: взвесить по отдельности поршень и дисплейсер с прикрепленными шатунами на весах. Зная вес и измерив плечи рычагов, образуемых коленцами коленвала можно вычислить некомпенсированную равнодействующую в ньютонах. Переведя ньютоны в единицы массы — граммы (1 Ньютон = 100 грамам) получим значение массы для противовеса. Дальше можно перерасчитать величину противовеса в сторону уменьшения, увеличивая плече воздействия — диаметр маховика всегда позволяет это сделать. Правильно отбалансированный Стирлинг дает большее число оборотов в единицу времени, устойчиво работает в режиме разогрева и остывания горячей полости, быстрее запускается.

Источник: http://vk.com/topic-10383525_23297216

Как работает двигатель Стирлинга

Стирлинг — это устройсво преобразующее тепловую энергию в механическую ну как двигатель, с тем лиш отличием, что эта тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно(как это происходит например в двигателе внутреннего сгорания).

Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство отличающее его от всех остальных машин. Да, ну и само собой такое название Стирлинг пошло от фамилии человека который всё это первый придумал, кто заинтересуется историей этого вопроса может нарыть в интернете кучу инфы, меня лично это мало волнует.

Допустим мы имеем какой то замкнутый объем воздуха в жестком корпусе с эластичной мембраной (или поршнем по другому). Нагревая корпус двигателя воздух внутри расширится и совершит работу, выгибая мембрану наружу.

И наоборот охлаждая корпус мембрана вогнется, опять совершив работу. Вот и весь цикл, проще не придумаеш, осталось только «автоматизировать» этот процес.

Для этого внутри корпуса двигателя размещается так называемый поршень вытеснитель(на рисунке он зелёненький с нерусским словом), смысл этого девайса в том что он должен перегонять оставшийся в корпусе воздух от горячей области внизу к охлаждаемой вверху.

На рисунке видно что сам поршень вытеснитель занимает собой почти половину объёма внутренней полости двигателя, в виде такого диска, не плотно прилегающего к стенкам. Через этот зазор воздух перетекает из горячей полости в холодную и обратно.

Надо сказать что сам этот поршень в идеале должен быть лёгким и плохо проводящим тепло, поскольку он фактически разделяет собой гарячую и холодную области внутри двигателя.

Ну а дальше уже всем знакомая кривошипно-шатунная схема связывает вытеснитель и мембрану(или рабочий поршень) на одной оси вращения,что обеспечит нам цикличность процесса т.е. поднятие и опускание поршней. (внимательно изучайте картинки включайте воображение)

Ещё одна важная деталь на которую нужно обратить внимание заключается в том что рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя(у нас на рисунке как вы могли заметить вращение происходит против часовой стрелки). Это идеальный вариант соединения для такой схемы.

Попытайтесь проиграть каждую картинку по очереди, представить что происходит сдавлением воздуха внутри двигателя и как всё это преобразуется в возвратно-поступательное движение.

Надо ещё признать, что на схеме, а именно на оси , отсутствует одна важная деталь — это маховик, он то и поддерживает весь цикл вращения.

НЕ отчаивайтесь если сразу не всё понятно, я сам помню долго въезжал, в своё время, а некоторые моменты полностью понял только когда собрал свой первый стирлинг.

Главное начать, и если не потеряете интерес, то разберётесь, а я на других примерах надеюсь помогу вам, ибо здесь на самом деле масса хитрых моментов.

Более подробно о всех типах стирлингов, принципе их работы и как их можно сделать самому — я изложил в форме серии видеоуроков , которые можно посмотреть ЗДЕСЬ

Вот например таже схемка но уже в движении, теперь я думаю будет несколько понятнее. Причем это фактически разрез реальной рабочей модели, жаль правда что только в одном боковом виде.

А вот еще одна конструкция где видно как рабочий поршень отстаёт от вытеснителя на 90 градусов по ходу вращения двигателя, также присутствует маховик.

Или вот ещё пример.

Всё это были примеры низкотемпературных двигателей, так сказать моделек, игрушек, поясняющих принцип работы. Промышленные стирлинги которые используются в разных целях, от генерации электроэнергии, до говорят, движения подводных лодок выглядят совершенно по другому (будем рассматривать их в других разделах сайта).

Но принцип всегда остаётся темже — нагрев и охлаждение замкнутого объема воздуха, а ещё лучше водорода или гелия (короче рабочего тела по другому).

Стирлинги делят на три типа, альфа, бетта, гамма.

Красным помечена нагреваемая область, синим охлождаемая.

Пару мультиков для представления работы альфа и бетта стирлингов соответственно.

И ещё бетта тип, кинематика.

Вот полная деталировка — всё по полочкам, гамма версия.

Это анимация стирлинга бетта типа

Вот как на практике выглядит бетта тип с ромбическим механизмом, ну очень хитрая штука и самому такую извоять весьма проблематично, но для общего развития нужно иметь представление.

Дальше в рубриках по конкретным типам двигателей я буду более подробно останавливаться, а пока просто поверьте, что технических вариантов исполнения этого двигателя просто немеренно, этим он и интересен.

Это его кинематическая модель.

А такая занятная игрулина вызовет массу приятных эмоций у любого человека не взирая на возраст. Это свободнопоршневой Стирлинг, работает от тепла чашки с горячим чаем.

Ну вот и всё вступление, для начала. Дальше в рубриках, по каждому типу двигателей, будет более подробно о них расказано и показано, есть много интересного видео, без просмотра которого невозможно полноценно оценить всю прелесть этих устройств. Не переключайтесь. всё только начинается.

Источник: http://webavtocar.ru/dvigatel-stirlinga-princip-raboty-i-ustrojstvo.html

Двигатель Стирлинга

Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]

Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы [2], поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.

В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2 , а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4 , который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5 , проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.

В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).

После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД, который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.

Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» («Philips» – Нидерланды). Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 2.

Поршень 2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5 ; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8 .

В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ.

Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 3.

В нижней части рис. 2 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б , то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б .

Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.

Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.

У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.

Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.

Зависимость индикаторного КПД ηi от удельной литровой мощности Nуд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 4. Температура в подогревателе равна 700 °C, охлаждающей жидкости — 25 °C. Рабочее давление газа составило 11 МПа.

На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин -1 ). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.

Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 5). Диаметры d и d2 выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо C выполняет функцию насосного элемента, а регулятор R поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.

Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом приведен на рис. 6. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стерлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.

Схема соединения соседних цилиндров с таким расположением кривошипов показана на рис. 7. Соединительные трубопроводы связывают горячую камеру, подогреватель, регенератор, радиатор и холодную камеру. Два коленчатых вала вращаются в одном направлении и связаны с поршнями через крейцкопфный механизм. В нижней части рис. 7 на диаграммах жирной линией обозначены фазы цикла, соответствующие положениям 1—4 поршней. Для привода поршней используется или четырехопорный коленчатый вал (двигатели шведской фирмы «Юнайтед Стирлинг») или же наклонная шайба (двигатель «Филипс 4-215DA»).

На рис. 7 показаны последовательные этапы 1—2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.

В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.

Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стерлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин-1.

Мощность двигателя зависит от среднего рабочего давления. У двигателя «Филипс» это давление составляло около 20 МПа. Чтобы избежать прижатия поршня к стенке цилиндра, был применен уже упомянутый ромбический механизм и, кроме того, под рабочим поршнем была образована камера, в которой поддерживалось среднее рабочее давление газа. В этих условиях кривошипно-шатунный механизм испытывает нагрузки вследствие небольших отклонений от этого давления, а также действие инерционных сил, поскольку давление газов в цилиндре меняется незначительно. На рис. 8 приведены мгновенные значения относительного крутящего момента Mτ/Mср двигателя Стирлинга и дизельного двигателя за один оборот коленчатого вала [3].

Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Замена масла двигателе руками видео

Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были небольшими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 9. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

Источник: http://icarbio.ru/articles/dvigatel-stirlinga.html

Двигатель Стирлинга

Сейчас начали вспоминать двигатель Стирлинга. Дескать у него и экономичность и экологичность, да и вообще — название красивое.

Давайте, что ли, и мы вспомним, чтобы расставить хотя бы часть точек над «i»…

Двигатель Стирлинга был изобретен в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом.

Главная цель изобретения — удалить несовершенные машины с угольных шахт, где они откачивали воду. Классические машины требуют парового котла, который по тем временам часто взрывался и Стирлинг поставил задачу — изобрести машину без высокого давления. Ему это удалось.

Рассмотрим классический стирлинг бета-типа, он самый простой.

На схеме красным обозначена часть, которая нагревается от внешнего источника (приятно, что любого), синим цветом — часть, охлаждаемая воздухом, радиатор.

Любой стирлинг работает именно на этой разнице температур.

В нижней части под нижним поршнем воздух нагревается и от этого расширяется — и толкает поршень вверх.

В процессе подъема воздух просачивается между поршнем и стенками в верхнюю полость, где радиатор его охлаждает. При этом воздух сверху сжимается из-за охлаждения и опять идет вниз, чтобы начать новый такт.

Двигатель стирлинга работает именно на том, что воздух в одном месте конструкции разогревается и расширяется, а в другом охлаждается и сжимается. Естественно, вариаций такой схемы — вагон и маленькая тележка.

Рабочее тело — воздух в цилиндрах и это рабочее тело не расходуется. Стирлинг не впускает ничего снаружи и ничего в атмосферу не выпускает. А так, как внутри цилиндров не происходит вспышки или детонации, а давление слабое — то работает он почти бесшумно (IMHO, это основное преимущество стирлинга). А бесшумность и низкие обороты дают фантастическую долговечность. Ну прямо одни плюсы в конструкции! Ну что ж, идем дальше.

Мы показали самый простой стирлинг, без регенератора и со щелями вокруг поршня, нам он вряд ли пригоден. У него совсем низкая мощность и не ахти какое КПД.

Давайте посмотрим на стирлинг с регенератором. Регенератор — это на картинке такая штуковина слева, через которую идет газ.

По теории регенератор — это полость, заполненная каким-либо «пористым материалом». На практике там внутри могут быть просто металлические ребра или даже проволока, свернутая в катушку. Регенератор не должен слишком хорошо проводить тепло. Он должен остужать горячий газ, когда он проходит через него и нагревать холодный газ, когда тот возвращается через регенератор.

Без него не будет ни мощности, ни КПД. И его расчет — это первый квест, который достанется попаданцу. То есть расчета и не будет (потому что попаданец не сможет получить входные данные), будет многомесячный подбор количества витков или ребер.

Но это только цветочки. За ними идут ягодки.

Дело в том, что машина Стирлинга подозрительно напоминает машину Ньюкомба с орошением холодной водой цилиндра. Отличия есть — во времена Стирлинга смогли сделать такие точные детали, как поршень с цилиндром, ну то есть чтобы в щель между ними палец не пролазил. Поэтому если вы решили построить двигатель стирлинга до классического паровика — будьте готовы решать проблемы, описанные в статье борьба за точность. Но помните — та точность подгонки деталей, которая годилась для паровика, не годится для стирлинга. Потому что кривой паровик все равно выпустит пар и пойдет за следующей порцией, а стирлинг ничего в атмосферу выпускать не должен.

Однако, именно на поле точности у попаданца есть шансы построить стирлинг.

Дело в том, что поршни первых паровиков были очень большого диаметра, около метра. Со стирлингом такая штука не получится и цилиндр стирлинга будет куда меньшего диаметра и, соответственно, точность обеспечить много-много проще.

Почему же цилиндр поршня будет меньше?

А потому, что теплопередача стирлинга идет через стенки цилиндра. И нагревают именно стенки, ожидая, что тепло передастся газу.

Однако, так получилось, что наш мир трехмерен, и если мы возьмем емкость и линейно увеличим ее размеры, то ее объем вырастет в третьей степени, а ее поверхность — только во второй. То есть при увеличении размеров объем растет гораздо быстрее, чем площадь поверхности. Именно поэтому ванна остывает куда медленнее, чем чайник. В случае со стирлингом это ведет к тому, что газ внутри цилиндра начинает прогреваться куда медленнее и количество оборотов падает катастрофически. При этом введение всяких ребер не даст нужного эффекта, потому что в системе образуется газ, собранный в «складках местности», который не участвует в работе.

Ну хорошо, будем строить небольшой стирлинг. А почему, собственно, первые паровики строили такими большими? Зачем требовался цилиндр в 70 см диаметра? Тут вопрос с том, что давление в котле первых паровых машин было очень мало и чтобы обеспечить мощность, приходилось делать поршни большой площади. Понятно, что такой путь для стирлинга закрыт.

Конечно, есть второй путь — повышение давления. Именно по этому пути пошло развитие паровых машин.

Как на эту тему в стирлинге? Да так же, как со всем остальным. Повышение давления требует повышения температуры. А резкое повышение температуры требует использование специальных жаропрочных сталей, с которыми сейчас экспериментируют. Ведь теплопередача идет через металл и наружную сторону приходится раскалять до белого каления. Но были ли доступны такие стали во времена до технологической революции? Ответ найдете сами.

Я не говорю, что со стирлинга нельзя снять неплохую мощность, сейчас это удалось. При использовании водорода, электрического нагрева и давления 200 атмосфер. Проще сразу реактивный двигатель строить.

Итак, с мощностью у стирлинга не вышло. А как с другими параметрами?

Давайте посмотрим на количество оборотов за минуту. Вы у какого-нибудь стирлинга видели регулятор оборотов? Нет?

А потому, что он не нужен. Стирлинг нельзя раскочегарить до сотен оборотов в минуту (я не беру водородный высокого давления), более того — у стирлинга вообще очень узкий диапазон оборотов, заданных конструкцией. Быстрее крутится он не будет — теплопередача в металле тормозит, а меньше оборотов можно добиться только уменьшением нагрева — то есть уменьшением давления в цилиндре — то есть уменьшением мощности — вплоть до полной остановки. Это я к тому, что если вы решили поставить стирлинг на авто, то потребуется коробка передач и сцепление. Конечно, при той копеечной мощности можно замутить вариатор, как на скутерах.. В 18 веке, ага.

Сейчас количество оборотов регулируется введением дополнительной буферной емкости для газа, но представьте «простоту» этой конструкции! Ведь вся проблема не сделать саму емкость и даже не вентиль к ней. Она должна подключаться и отключаться в определенном такта работы, то есть вентиль должен быть механически связан с маховиком.

И одна из главных проблем стирлинга — обороты будут низкими. И что мы будем делать с низкими оборотами?

Можно поставить повышающий редуктор. Мы не будем вспоминать о сложность этой задачи до эпохи паровых машин.

Вопрос в другом — такой редуктор заметно снижает крутящий момент, поэтому если вы хотите сделать что-то типа гоночного автомобиля, то он не разгонится, воздух помешает.

Итак, куда можно поставить стирлинг?

На паровоз? Не хватит крутящего момента сдвинуть с места состав. А если и построить легкую мотодрезину, то как регулировать ее скорость? Втыкать буферную газовую емкость? А место на дрезине будет? Стирлинг вообще отличается удивительно большой материалоемкостью даже среди двигателей внешнего сгорания, а тут еще и дополнительные устройства.

На автомобиль? А попаданец сможет построить вариатор до появления резьбового соединения и соответствующих токарных станков? Я очень хочу увидеть этот девайс!

На пароход? Кому нужен винт, что будет вращаться с мощностью в три лошадиные силы и скоростью меньше ста оборотов в минуту? Конечно, эти обороты — как раз обороты вращения гребного колеса, но гребное колесо — это рычаг, и чтобы его провернуть требуется немалый крутящий момент, даже поболее чем у винта. Конечно, можно построить гребное колесо сантиметров 60 в диаметре, но опять-таки очень хочу это увидеть!

На водяной насос? Да! Это его место! Там не надо ни высокой мощности, ни больших оборотов. Более того — необходимо очень долго держать постоянные обороты, а стирлинг в разнос не пойдет никогда. Самое оно!

И напомню — насосы нужны не только на шахтах. Насос, к примеру, работает в классическом холодильнике..

На электростанцию? Можно попробовать. С одной стороны — постоянные обороты. Если правильно подойти, то можно построить линейный генератор, который будет выдавать переменный ток заданной частоты. Стирлинг умеет держать обороты! Но с другой стороны — малая мощность. То есть если вам нужно электричество питать электролампочку и рентгеновский аппарат, ну и плюс зарядить мобилку — годится. А если требуется получать карбид кальция или алюминий — забудьте.

Крутить токарный станок? Да, годится. Только надо не забывать на каждый станок поставить свой стирлинг, ну и без редукторов тут не обойтись. Но если станок получился — на нем можно делать требуемые детали и повышать эффективность.

КПД стирлинга получается порядка 15-18%. Он не настолько высок, как следовало бы ожидать из-за того, что теплопередача идет черех стенку.

Как для паровика, это много.

Однако, использовать его можно только там, где нужно маломощный двигатель (маломощный, но не малоразмерный!). То есть там, где бы сейчас поставили электродвигатель.

В двигателе Стирлинга много подводных камней. Вот как выглядит реализация кинематической схемы, показанной выше.

И это — самая эффективная схема. Я сомневаюсь, что попаданец будет возиться с двумя валами, скорее всего обойдется классическим кривошипом и маховиком. Соосность будет хуже и достаточно быстро стирлинг начнет выпускать воздух, но разве это кого-то остановит?

Остальные схемы я приводить не буду — они сложнее. Хотя если вся технологическая база уже работает (читай «паровые машины в расцвете»), то и другие модели можно построить, стирлинги реально проще паровиков. И много безопасней. И поэтому дешевле. Вот только паровик стирлингу не заменить…

181 комментарий Двигатель Стирлинга

Все таки забыл сказать главное его преимущество технически построить его в разы легче чем паровик. Потому что малые давления при невысокой температуре, позволяют добится герметичности с банальным сальником из пеньковой веревки смазанной жиром. И второе внедрение Стирлинга, создает новую область производства, производство двигательных механизмов поршневого типа — отсюда уже легче внедрять и сами паровики. Ну и небудем передергивать, речь изначально велась именно об простейщих Стирлингах, не будем поминать в суе современные разработки, что стирлингов, что паровиков.

Я как раз упомянул. Но толку с этой простоты? Жестяную кружку сделать проще чем паровик, но кружка паровика не заменит. И стирлинг сделать проще и он паровика не заменит тоже.

У простого стирлинга есть только два применения. 🙂

1 В качестве демонстрационной игрушки.

2 В качестве насоса, где нужно просто хоть как бы качать и важна относительная надежность.

Стирлинг нельзя делать высокооборотным, стирлинг меееедленный скорость теплообмена невелика, а рабочий газ должен успевать получать свою теплоту, что между прочим не так и просто сквозь стенки то…А решение хоть частичное этой проблемы, это усложнение двигателя и значительное.

Нормальный регенератор сделать не получиться — его и сейчас не могут сделать нормальный — или он имеет большое сопротивление газовому потоку, или с теплообменом проблема.

Современные стирлинги, это с большинстве случаев — холодильники с специфических применениях. А двигатели для транспорта будут посложнее ДВС. Тут и большое давление рабочего газа, да и газ отнюдь не воздух.

Стирлинг конкурировал с первыми паровиками, потому что у тех КПД хорошо если был один процент.

И не надо смотреть на модельные схемы. Между ними и реальным двигателем разница такая же как и в ДВС. Он ведь совсем не такой как на картинках показывающих принцип его работы. Он на порядки сложнее.

Нет его можно конечно сделать, но при наличии технологии которая позволит его сделать более менее эффективным, для большинства применений будет легче сделать ДВС, или тот же паровик.

Щелкните по моему имени)

Прежде чем выкладывать подобное, рекомендую немного посчитать. А заодно выяснить почему атмосферные паровые машины работали МЕДЛЕННО.

Вы пытаетесь запрячь в одну упряжку черепаху и гепарда.

Я знаю почему они работали медленно, поэтому учел все недостатки.

Можно построить такой двигатель.

Агрегат занятный но бесперспективный.

Вы поочередно греете и охлаждаете стенки каждого цилиндра. Вы бесполезно тратите на это тепло которое потом столь же бесполезно отдается холодильнику. Подумайте сами, какая масса у этих цилиндров-поршней в сравнении с массой газа внутри. Это соотношение (добавим сюда и разницу в теплоемкости) можете сразу вычитать из КПД.

А поскольку цилиндр массой в 100 грамм вряд-ли вместит в себя более 1 грамма газа то МАКСИМАЛЬНЫЙ КПД вашей установки не может превысить 1%.

Это не считая теплового кпд, механических потерь и прочих радостей. т.е. реально речь пойдет о сотых долях процента.

Стирлинг в отличии от вашего агрегата, греет и охлаждает ТОЛЬКО рабочее тело. Ну и плюс регенератор.

Ну и наконец, ваше устройство весьма сложно технически, так что для попаданца бесполезно в принципе.

Как демонстратор дарового двигателя нечто подобное можно использовать, заменив цилиндры/поршни на сосуды с мембраной на горловинах. и расположив колесо таким образом чтобы в нижней точке эти сосуды касались воды.

Греть цилиндры сильно не надо, кроме того, не все секреты я раскрываю, там еще предусмотрен перепуск газов.

Рабочее тело находится в цилиндре, чтобы нагреть рабочее тело нужно нагреть цилиндр. Так что цилиндр вы греете ровно на те же градусы что и рабочее тело (а вернее больше, поскольку термодинамику пока не отменили).

Далее, слово «сильно» тут не имеет ни малейшего смысла. Нагреть нужно ровно настолько чтобы газ расширился на величину движения штока.

Но основная беда не в температуре, а в теплоемкости газа и цилиндра. Теплоемкость цилиндра многократно превышает теплоемкость того объема газа который в нем находится.

//Смею заметить, что в тепловой машине, работающей по циклу Карно, холодильнику тепло не отдается бесполезно.

Или вы неверно понимаете принцип Карно или не осознали то что я вам написал.

Цикл Карно учитывает тепло переносимое РАБОЧИМ ТЕЛОМ. т.е. если вы нагрели воздух, сняли работу с его расширения, а потом отдали его тепло холодильнику это вовсе не бесполезная передача тепла. Но если вы параллельно с этим процессом грели стенки цилиндра, то тепло потраченное на их нагрев работы не совершит. И отдав это тепло холодильнику вы тоже работы не совершите. Т.е. эта часть процесса теплопередачи в цикле Карно не участвовала и была бесполезной тратой энергии нагревателя.

Эта беда была в атмосфениках, и решил проблему Уатт, придумав конденсатор. Он разнес горячий цилиндр и холодный, снизив потери на бесполезный нагрев конструкции и тем самым в разы поднял кпд (с сотых долей процента до десятых).

//Тем более, что, так как цилиндры постоянно двигаются, теплота отбирается естественным путем.

Это никоим образом не влияет на кпд, эффективность и прочие параметры.

Если эти цилиндры охлаждаются воздухом то процесс будет ОЧЕНЬ медленным.

Рекомендую посчитать тепловые процессы в вашей модели на конкретном примере (ну там диаметр цилиндров 10 см, высота, объем, толщина стенок, материал и т.д.) думаю столкнувшись с реальностью вы осознаете НАСКОЛЬКО мизерную удельную мощность имеет ваш двигатель и насколько низок его КПД.

//Я удивляюсь, почему Вам так не нравится вакуум?

Кто сказал что он мне не нравится? В ваших схемах его нет даже близко. Есть незначительный перепад давления от изменения температуры газа. А я представляю скорость его образования при тепловых процессах.

Нагреть мы можем быстро (взрывом), а вот охлаждать… Только теплопередачей от газа к радиатору (что крайне невыгодно и медленно). В Стирлинге для этого есть регенератор, это огромный по площади радиатор через который газ прокачивается. А у вас- банальные стенки цилиндра.

>Или вы неверно понимаете принцип Карно или не осознали то что я вам написал.

Цикл Карно учитывает тепло переносимое РАБОЧИМ ТЕЛОМ. т.е. если вы нагрели воздух, сняли работу с его расширения, а потом отдали его тепло холодильнику это вовсе не бесполезная передача тепла. Но если вы параллельно с этим процессом грели стенки цилиндра, то тепло потраченное на их нагрев работы не совершит. И отдав это тепло холодильнику вы тоже работы не совершите. Т.е. эта часть процесса теплопередачи в цикле Карно не участвовала и была бесполезной тратой энергии нагревателя.

Вы не понимаете цикла Карно. Вы нагрели газ, он расширился, Вы сняли работу этого расширения. Он уже остыл в результате снятия его работы. А теперь Вы оставшееся тело отдаёте холодильнику. Работу газ при этом не совершает, наоборот, работа по сжатию теперь будет совершена над ним поршнем. И именно отсюда растут «ноги» у теоретического к.п.д.

С этим я согласен. Здесь главное то, как преобразуется поступательное движение во вращательное. А вместо цилиндров можно установить, например, биметаллические пластины.

Вот только обратное утверждал совсем другой юзверь.

//Вы не понимаете цикла Карно.

Просто неточно выразился.

Имел в виду что цикл Карно описывает все преобразования ТОЛЬКО с рабочим телом. Нагрев/охлаждение конструкции двигателя в него никак не входят.

Мне кажется, что Вы не очень внимательно прочитали описание. Там написано, что объем камеры охладителя в несколько раз больше объема рабочего цилиндра. В данной конструкции объем больше в 4-5 раз.Кроме того, в камере установлены теплообменники, это показано на чертеже. Если охладить горячий газ, который имеет температуру, допустим, 700 гр.С до 100 гр.С, то образуется вакуум примерно 0,5 атм., а это равносильно давлению на поршень 5 атм.

После рабочего такта вакуумного двигателя в камере сохраняется низкое давление, поэтому перепуск горячих газов происходит сравнительно быстро и почти без потерь тепла.

Сейчас я удалил адрес своего сайта

// то образуется вакуум примерно 0,5 атм., а это равносильно давлению на поршень 5 атм.

Разряжение в 0.5 атм это и есть давление на поршень 0.5 атм со стороны атмосферы. И не более. Полный вакуум в цилиндре это давление в 1 атмосферу на поршень, собственно это давление как раз атмосфера и оказывает.

И никаких чудес.

Если у вас был низкий вакуум в полости и вы сумели откачать до сверхвысокого вакуума давление на поршень практически не изменится. Оно будет все та же 1 атмосфера.

//Кроме того, в камере установлены теплообменники, это показано на чертеже.

Да ну? и где же? у вас там кроме кинематики вообще ничего не показано, даже нагревателя и холодильника нет, да и все описание в 2 строчки.

Если вы не заметили, я писал про ваш двигатель внешнего сгорания, а не про гибридную тепловую машину.

А я пишу про гибридную машину:-) Если над поршнем появляется сильное разряжение давления, то про земную атмосферу нужно забыть. Атмосфера это единица измерения. Разницу давлений над поршнем и под ним можно измерять разными единицами измерения. В данном случае давление оказывает конечно атмосфера, но не с силой давления в одну атмосферу.

В двигателе внешнего сгорания, конечно, в месте нагревателя стенки цилиндра нужно выполнить очень тонкими.

Да, подсчитал я неправильно, в объеме вакуумной камеры равном 5-ти объемам цилиндра, нужно создать разряжение давления 0,1 атм, тогда давление на поршень снизу будет 5 атм. Если объем камеры будет равен объему цилиндра, то нужно будет создать там вакуум 0,5. атм.

Извините, не 0,1, а 0,9 атм. 🙂

Главное, что я усвоил, это то, что при нагревании газы расширяются, а при охлаждении сжимаются. Если над поршнем создать давление, то он будет двигаться вниз, а если над ним будет вакуум, то он будет двигаться вверх:-)

ValentinRu Вы пытаетесь занять нишу очень популярного здесь Виктора)

Видимо, Виктор очень занятный человек, нужно познакомиться:-)

Скажу честно, что в учебник физики не заглядывал уже лет 50, однако, в МГТУ им. Баумана мои изобретения, которые касаются гибридных двигателей, нравятся. У меня есть еще изобретения, в которых используется гидравлика, так они получили дипломы ФИПС.

Вру, недавно читал про паровые машины Т.Ньюкомена и Д. Уатта, двигатели Отто и Дизеля, поэтому и решил, что без применения обратного термодинамического процесса обойтись не удастся. А на формулы я внимания не обращаю, в них ничего не понимаю уже давно.

//Видимо, Виктор очень занятный человек, нужно познакомиться:-)

Скажем так, при всей толерантности Краза некоторые сообщения Виктора заменены на краткий синопсис «очередной бессвязный бред». но уровень бредовости сильно отличается от сообщения к сообщению, поэтому его полностью не банят.

Ниже есть пара вполне адекватных сообщений от Виктора… ну по его шкале адекватности…

//Скажу честно, что в учебник физики не заглядывал уже лет 50

В таком случае крайне рекомендую. Наблюдаются такие занятные пробелы что я принял вас за школьника примерно 6-7 класса, не выше.

Полное непонимание откуда вообще берется давление, что это такое, странные идеи по поводу разряжения в несколько атмосфер…

//А на формулы я внимания не обращаю, в них ничего не понимаю уже давно.

займитесь чем либо гуманитарным…

У вас странное понятие о давлении. Явно в школе прогуляли уроки. А так же похоже есть непонимание понятий работа и сила.

Давление это сила на площадь.

Давление никак не зависит от объема.

СИЛА приложенная к поршню будет зависить от величины давления и площади поршня. Чем больше площадь тем больше сила. Но давление при этом останется одно и то же.

//Если над поршнем появляется сильное разряжение давления, то про земную атмосферу нужно забыть.

Вы в корне не понимаете откуда берется сила в при работе с разницей давлений.

На поршень с двух сторон действует газ. С одной стороны это газ связанный с атмосферой и он воздействует с силой 1 атм (ну или 100 килопаскаль), а с другой стороны действует давление от вашего разряженного газа. Например 50 киллопаскаль (т.е. пол атмосферы).

Так вот СИЛА действующая на поршень будет равна разнице этих давлений умноженной на площадь поршня.

Ну а рабочее давление действующее на поршень будет равно просто разнице этих давлений.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Двигатель на воде своими руками схема

И вот тут то и начинается главная беда атмосферных машин.

В нормальной паровой машине вы можете накачать десятки атмосфер и получить значительное усилие при вменяемом размере поршня. А вот в атмосферной ваше давление — МАКСИМУМ одна атмосфера. Вы манипулируете величиной разряжения, которое может быть от единицы (никакого разряжения) до нуля (абсолютный вакуум). Т.е. как бы вы не корячились но ваше рабочее давление будет от нуля до единицы (при абсолютном вакууме).

Ну и теперь по вашей гибридной машине…

Давление в камере сгорания автомобиля многие десятки атмосфер. т.е. перемножаем давление на площадь поршня получаем ту силу которая его движет.

в вашей охладительной камере давд\ление хорошо если 0.5 атмосферы (а скорее 0.9). Умножаем площадь поршня на эту цифру и понимаем что дополнительное усилие не стоит затраченных трудов. И увеличить площадь поршня особо не получится, поскольку его рабочий объем должен как то коррелировать с рабочим объемом «горячего» цилиндра.

Странно, я всю жизнь считал, что сила давления зависит от объема. В паровой машине Ньюкомена не было дополнительной вакуумной камеры, поэтому ее и назвали атмосферной машиной. Нельзя было в маленьком объеме создать достаточно сильное разряжение. Вакуума хватало только на один ход поршня, а в моей машине при охлаждении газов до 100 гр. разряжения давления хватит на 5 ходов. Я считаю так, что на сосуд с воздухом действует давление в одну атм. со всех сторон. Если откачать один объем воздуха из сосуда, то на его стенки снаружи будет давить уже 2 атм., если откачать 3 объема, то 3 атм и т. д., пока сосуд ни сплющится. Давление будет возрастать в каждой точке стенки сосуда, поэтому и на поршень атмосфера будет давить сильнее и сильнее с уменьшением давления в камере.

Не так, если откачать 1 объем воздуха, то давление на стенки станет 1 атм, если 2 объема, то 2 атм и т. д.

Комментарий с ночи ждет проверки, я ухожу с этого сайта:-(

Зарегистрируйтесь нормально, вы меняете почты и сайты и вордпресс каждый раз за нового пользователя вас считает.

//Если откачать один объем воздуха из сосуда, то на его стенки снаружи будет давить уже 2 атм.

Как я и говорил, вы просто не понимаете смысла давления.

Давление атмосферы не меняется от того что вы что то делаете внутри сосуда. Оно как было величиной в 1 атмосферу так и осталось.

Если откачать из сосуда весь воздух (т.е. один объем) избыточное давление на стенки сосуда станет в 1 атмосферу. Тут все верно.

Вот только второй, третий и т.д. объемы откачать не получится, вы и так уже ВСЕ откачали на первой фазе.

Если вы откачаете не весь воздух то и избыточное давление будет не 1 атмосфера, а меньше. Будете откачивать еще — избыточное давление станет расти и достигнет максимума когда вы откачаете ВЕСЬ воздух. Как легко догадаться максимум это та самая одна атмосфера 🙂

// В паровой машине Ньюкомена не было дополнительной вакуумной камеры, поэтому ее и назвали атмосферной машиной.

Нет. Атмосферной ее называют потому что источником избыточного давления является атмосфера 🙂

А где именно создается разряжение, в камере или в цилиндре значения не имеет.

Вакуумная камера (конденсатор Уатта) нужна для снижения бессмысленных теплопотерь, чтобы не греть и охлаждать цилиндр на каждом такте, на мощность машины это почти не влияет, только на КПД. (на самом деле на мощность тоже влияет, просто за счет того что такты можно чаще совершать, а во на усилие на поршне- влияние нулевое).

Всего одна атм., а какая сила. Я здесь видел опыт, который засняли на видеокамеру. Выкачивали воздух из железнодорожной цистерны, в какой-то момент ее смяло. Я и подумал, а если бы над нами была не одна, а десять атм?:-(

Странно, если откачивать воздух из сосода, давление одной атм. на его стенки ставится сильнее и сильнее.

// Я и подумал, а если бы над нами была не одна, а десять атм?:-(

Это вам на Юпитер. Там давление и в сотни атмосфер бывает.

//Странно, если откачивать воздух из сосода, давление одной атм. на его стенки ставится сильнее и сильнее.

Ну так одна атмосфера это довольно много 100 килопаскаль. т.е. на каждый метр поверхности давит 10 тонн.

Так что при откачке воздуха в цистерне на ее поверхность (многие метры квадратные) давит сила в сотни и тысячи тонн.

Я давно уже ничего не изобретаю, ищу молодых людей, которым, можно передать свои изобретения, поэтому и сайт решил создать. Сейчас рисую «вечный клапан» для бачка унитаза, в котором вода удерживается за счет воздушной пробки. Полностью исключается возможность утечки, и нет трущихся деталей (телезрителям очень понравился). А то, что я иногда здесь пишу всякую ерунду, то это шутки.

Смею заметить, что в тепловой машине, работающей по циклу Карно, холодильнику тепло не отдается бесполезно. Тем более, что, так как цилиндры постоянно двигаются, теплота отбирается естественным путем.

Я удивляюсь, почему Вам так не нравится вакуум?

Не меняю я ничего

Тем не менее у всех после первого одобренного коммента можно писать свободно, а у вас требует одобрения каждый раз.

Вот это и мне кажется странным. Нужно посмотреть настройки безопасности.

Все ясно это Chrom виноват:-)

С настройками безопасности тоже все нормально.

Извините, я неправильно выразил свою мысль, откачать один объем, это значит, что сделать разряжение вдвое больше. Спасибо! Вы мне открыли глаза. Я раньше считал, что давление на поршень зависит только от разности давлений над поршнем и под поршнем. И почему-то думал, что можно создать такую разность, что на поршень будет воздействовать давление даже в сотню атм.

Попробую зарегистрироваться под другим именем ,например, Valentin.Ru, может быть комментарии не будут долго ждать проверки.

Под новым именем и с новой почтой зарегистрироваться пока не получается, на почте нет письма.

А давление атмосферы такое сильное, что поршень из шприца с закрытым отверстием вытащить рукой почти невозможно.

А если продвинуть поршень на некоторое расстояние, а потом отпустить, он почему-то очень быстро возвращается в исходную точку.

На этом сайте общаться невозможно, комментарии ожидают проверки слишком долго:-(

А вы ссылки уберите и комментарии будут вставляться мгновенно 🙂

А если использовать для откачки воды паровой насос Севери? Конечно, опять же — опасность взрыва котла, малая производительность, жрет много топлива, требует персонала, который будет управлять кранами… Но для насоса Севери не нужно делать точно подогнанных цилиндра с поршнем, достаточно сделать несколько ручных кранов. Но такой насос будет очень опасен для использования, так что использовать его вряд ли хорошая идея…

Проще построить такой двигатель.

Ну и кстати Почему не привели альфа схему Стирлинга, она же самая банальная из всех? Ну и при внедрении стирлинга в качестве насосов на английских шахтах было еще одно преимущество, он имел более высокое КПД. Почему я говорю, что это простая вещь — я еще застал времена когда у бабушки в деревне они стояли на дальних участках, их юзали для полива в жару, только они назывались дровяными насосами, солидол, чтоб обновить высохший сальник и в путь. Вы много видели паровых машин, сохранивших работоспособность за пол века под открытым небом? Жалко нельзя их сфоткать, пропали в 90-е, то ли на металолом охотники скомунярили, либо фермеры утащили в свои хозяйства.

Альфа-схема, ИМХО, сложнее в постойке. Хотя там кривошип классический.

А вот про долговечность упомянуть забыл, сейчас исправлю.

Никто и не говорит, что Стирлинг может заменить паровик… Стирлинг ценен, тем, что позволяет показать, что можно создать двигатель не на воздухе и воде, и не на животно-физической силе. Простая и полезная вещь, которая показывает, что идея постройки механизмов имеет ценность. Почему просто понятно, почему полезно? Про шахты понятно, но есть еще один сразу же явный объект применения, Стирлинг — это помимо всего и печка, печку вы и так будете топить, но кроме того, эта печка вам еще и воды из колодца накачает в цех, где вода нужна для технологических процессов, тем же красильщикам, дубильщикам. (может мы о разных альфа схемах говорим, в вики альфа-схема это с двумя цилиндрами, холодным и горячим, в простейшем варианте V- образной конфигурации, у него самое плохое КПД, а так он банален),

ну и цитата. «Мощность этих двигателей была небольшая — от 0,185 до 3,7 кВт (от 0,25 до 5 л. с), но строились также и более мощные.

Возможно, что наиболее интересным был двигатель, построенный Эриксоном в 1853 г. для морского судна. Двигатель имел четыре цилиндра и при диаметре поршней 4,27 м, ходе 1,52 м, частоте вращения 9 об/мин развивал мощность около 220 кВт (300 л. с). Двигатель был установлен на корабле «Эриксон», впоследствии опрокинутом штормом в нью-йоркском порту.

Примечательно то, что расход топлива на единицу мощности этого двигателя был меньше, чем у судового «паровика» того времени, а рабочее давление в цилиндрах — ниже чем давление в банке с кока-колой! Т.е. двигатель физически не мог взорваться. «

Вы хотите показать возможность? Ну так вспомним турбину из чайника — и пофиг что ее показал еще древний грек, если реализовать движок не получалось!

И, несомненно, хорошо что удалось сделать судовой двигатель на стирлинга к середине 19-го века, после 40 лет усовершенстований. Вопрос в том, что построено было пара кораблей. Почему так мало? Пацаны не знали? Или после ходовых испытаний схватились за голову?

Стирлинг — нишевое решение. И если в своей нише он король горы, то из соседней его выкидывают со свистом.

И да — кроме всего прочего стирлинг позволяет отапливать помещение.

А схема альфа-стирлинга — та самая, с двумя цилиндрами и их развалом под 90 град.

Можно и ее вспомнить, но смысла не вижу — критические недостатки у всех стирлингов одни и те же.

>Вы хотите показать возможность? Ну так вспомним турбину из чайника — и пофиг что ее показал еще древний грек, если реализовать движок не получалось!

Это Вы про Герона? Сначала повторите остальные его достижения из современных материалов и современным оборудованием, но в одиночку, а потом обсуждайте его древность.

Не путайте паровую машину Ньюкомена с двигателем Стирлинга.

ИМХО, стирлинг вполне годится для производства электроэнергии. Маленькую мощность можно компенсировать большим количеством двигателей. Преимущество перед классическим паровиком — постоянные обороты и высокий КПД. Преимущество перед турбиной — проще построить.

Да, можно. Но к стирлингу цепляют линейный электрогенератор, это не лучший вариант, но возможный.

То есть там вообще оборотов нет — используется линейно-поступательное движение.

Но как только появились паровые турбины — они сразу же встали на электростанции. Просто потому, что сразу гнали сотни киловатт. И мощность электростанции так же наращивалось большим количеством агрегатов.

Если нам нужно реально много электроэнергии (дуговая плавка, выплавка алюминия, производство карбида и т.д) то сколько нужно стирлингов? Тысяча? Две? Как их обслуживать и как коммутировать? Там будет такой менингит, что плюнут и на алюминий и на сталь.

Я все-таки не понял. От чего зависит мощность Стирлинга? Если нам априори недоступно высокое давление рабочего тела и водород. Разница температур? Длина рабочего хода? Диаметр цилиндров? (я туплю, но что поделать…)

Потом про уплотнение. Бета-стирлинг выгоднее в том плане, что можно обойтись всего одним узлом в которм надо обеспечить герметичность — рабочим цилиндром в холодной зоне. (В схеме с альфа-стирлингом таких цилиндров два.) Это дает нам возможность пользоваться примитивными методами? Как же все таки уплотнить?

Узко-нишевое предназначение стирлинга не причина сбрасывать его со счетов. Как известно из истории именно нужды водоотлива стали стимулом в разработке паровиков. И владельцы угольных шахт оказались первым покупателем на рынке, оплатившим Уатту и НИОКР и производство да ещё и дав прибыль. Очевидно что можно нахлобучить Уатта намного раньше конца 18 века и при этом выдать продукт проще и надежнее чем парвые паровые машины.

>> Бета-стирлинг выгоднее в том плане, что можно обойтись всего одним узлом в которм надо обеспечить герметичность — рабочим цилиндром в холодной зоне. (В схеме с альфа-стирлингом таких цилиндров два.) Это дает нам возможность пользоваться примитивными методами? Как же все таки уплотнить?

В бете надо герметизировать щель между рабочим поршнем и цилиндром и щель между рабочим поршнем и штоком вытесняющего цилиндра.

Те же две детали на герметизацию, но более сложный кривошип.

>> Узко-нишевое предназначение стирлинга не причина сбрасывать его со счетов. Как известно из истории именно нужды водоотлива стали стимулом в разработке паровиков. И владельцы угольных шахт оказались первым покупателем на рынке, оплатившим Уатту и НИОКР и производство да ещё и дав прибыль. Очевидно что можно нахлобучить Уатта намного раньше конца 18 века и при этом выдать продукт проще и надежнее чем парвые паровые машины.

Мое сравнение ранних Стирлинга с ранними паровиками ниже в комментах.

Кстати — то, что стирлинги могут вытеснить паровики на выкачке воды, может дать огромный отрицательный эффект.

Классическая паровая машина перестанет совершенствоваться и всякие паровозы-пароходы будут отложены в дальний ящик.

Надо бы это в статью дописать…

Наш попаданец раскрутив бизнес на стирлингах сможет вложиться в паровики. А остальные пусть идут совершенствовать стирлинг. Можно даже патенты подарить 🙂

Я обожаю пароходы 🙂

+1 о чем я и говорю…

>> Отдельно обращаю внимание — воздух просачивается между поршнем и стенками. Какой крутящий момент дает сия конструкция можете представить сами.

Воздух проходит через щель вокруг нижнего, вытеснительного цилиндра. А этот цилиндр не снимает мощность. Снимает верхний, рабочий поршень, а он как раз герметичен.

>> Альфа-схема, ИМХО, сложнее в постойке. Хотя там кривошип классический.

Что именно там сложнее?

Защитники Стирлинга забывают упомянуть что ранние двигатели ломались часто — для эффективной работы с хорошим выходом нужна большая разница температур и тогдашние материалы не выдерживали:

>> The need for Stirling engines to run at very high temperatures to maximize power and efficiency exposed limitations in the materials of the day, and the few engines that were built in those early years suffered unacceptably frequent failures (albeit with far less disastrous consequences than a boiler explosion[32]) — for example, the Dundee foundry engine was replaced by a steam engine after three hot cylinder failures in four years.

дают порядка полутонны на л.с. И это на температурах, на которых с тогдашними материалами часты поломки!

Первые паровики имеют сравнимую удельную мощность — у ранних порядка 1 л.с. на тонну. Но при этом они делались на технологиях середины-конца 18 века, а стерлинги — середины-конца 19го.

В общем на тех материалах лучше строить атмосферный паровик — сложность одинаковая(котел под давлением не нужен).

Если стерлинг гонять на высоких температурах — то атмосферник при сравнимой мощности и худшим КПД надежнее.

Если гонять на малых — то атмосферник и экономичнее и мощнее при равной надежности.

В общем выжить на тогдашних технологиях Стирлинг может если запчасти дешевы(малореально), а уголь дорог. В узкий промежуток времени когда выгодны атмосферные паровики, а что-то получше технологий еще нет.

>> However, due to hydrogen absorption, and given the high diffusion rate associated with this low molecular weight gas, particularly at high temperatures, H2 will leak through the solid metal of the heater.

Вау… Я правильно понял? Утечка водорода прямо сквозь металл?

>>Что именно там сложнее?

Там два цилиндра вместо одного.

На самом деле это вопрос технологий — что проще сделать цилиндр или сложный кривошип. Мне кажется, что цилиндр и поэтому альфа-стирлинг мне показался сложным.

С другой стороны — в бета-стирлинге из-за очень больших тепловых нагрузок на цилиндр, возможно что лучше ставить альфу. Тут однозначно не скажешь.

>>Утечка водорода прямо сквозь металл?

Я вспоминал диффузию водорода в вакуумные приборы через стенки. Почему бы не быть обратному процессу?

В принципе к сложности альфы можно добавить еще то, что одно уплотнение цилиндра работает в горячей среде.

Насчёт экономичности атмосферника: нет, это не так.

First Approximation of the power of a Stirling Engine (kinematic or free piston)

Power = (Beale.number) x (pressure(mean)) x (Volume Exp) x (frequency)

Watts = 0.116 x Pascals(10E-6) x (Cm^3) x (Hz)

Ну вы какие то долбанутые на голову….. Какой водород? какие высокие давления? Герметичность первых Стирлиногов давал сальник из простой пеньковой веревки пропитанной жиром, ребят почитайте историю, когда стали применять поршневой насос? Правильно — с древности и в средние века достаточно распространен. То есть их делали, Стирлинг — это посути модификация поршневого насоса, сделать его легко. Вы прежде чем строить паровик постройте, что то простое и маломошное, но зато гарантированно рабочее, люди и инвесторы к вам потянутся….. По поводу альфа и бета Стирлингов, альфа инжинерно проще и ее идея легко воплотима, но имеет один существенный недостаток, ее можно построить только как демонстрационную модель, чтобы дальше делать бету или гамму. В альфе требуется уплотнение поршня на рабочем цилиндре, а значит там будет прогорать сальник. Бета и гамма тоже имеют два уплотнителя, но они ХОлодные — значит простые и надежные.

Если говорить о моделях, то атмосферный паровик с впрыском холодной воды в цилиндр будет едва ли не попроще Стирлинга.

У Стирлинга узкая ниша — там где нужны маломощные двигатели, с минимальными требованиями к обслуживанию. В 19 веке в такой нише он окупался. Окупится ли трата металла и труда в более жестких попаданческих условиях…

Впрыск, это еще один дополнительный механизм… ну и главное в паровике — это проблема котла. и самое главное, кпд простого стирлинга — в два раза выше паровых машин того времени. Топливо вещь дорогая. Ну и так, для себя наберите в поиске паровик своими руками и стирлинг, стирлингов сделанных на коленке куча, паровиков нет. А с материалами в той эпохе будет еще хуже.

Собствено вся буча напоминает холливарз про пулю ноймана и Минье против унитарного патрона. Да унитарный патрон и капсуль это круче некуда, но для этого нужна промышленность и технологии и время, а Минье и Нойман позволяют на готовом получить преимущество причем почти мгновенно.

Еще один момент не отмеченный в статье, Стирлинг придумал очень простую вещь економайзер регенератор, который и повысил скорость и кпд двигателя, классический стирлинг, это стирлинг бета, с обычным кривошипом, и внешним регенератором. Что такое регенератор, это куча металической проволоки и стружки засунутая в трубу по центру перетекания горячего и холодного воздуха, которая ускоряет процесс охлаждения воздуха.

>> Впрыск, это еще один дополнительный механизм… ну и главное в паровике — это проблема котла.

Механизм, мягко говоря несложный. А про котел — читайте внимательно. АТМОСФЕРНЫЙ паровик в запитывается паром без давления. Пар конденсируется и создает отридцательное давление, на котором все и работает.

>> кпд простого стирлинга — в два раза выше паровых машин того времени. Топливо вещь дорогая.

Угу. На большом перепаде температур. На котором машина из материалов середины 19 века ломается за год. Топливо недешево, но такая специфическая металлообработка как хороший цилиндр стоит еще дороже. А на небольшом перепаде температуры преимущества по КПД нет.

Стирлинг работает на малом перепаде температур. Про цилиндр — стоит столько же как и цилиндр для поршневого насоса. Или ты докажешь, что поршневых насосов никто не делал до паровиков?

Ну вот еще раз посмотри как выглядит простой стирлинг первые 30 секунд видео (потом начинаются современные вариации которые нас не интересуют)

>> Стирлинг работает на малом перепаде температур.

Объясняю — чем меньше разность температур тем меньше КПД и мощность. И если у первых Стирлингов, работающих на предельной разности, удельная мощность была 2 л.с. на тонну, то какой она станет на разности в сотню градусов и при точностях и качестве попаданческих материалов и думать не хочется.

Такая шустрая штучка произведет больше впечатления чем ленивый Стирлинг

Очень сложная вещь?

И наконец. Можно привести реальную промышленную модель 19го века, и сравнение ее характеристик с паровиком того же времени?

Сорри описка выше, альфе требуется уплотнение на горячем цилиндре.

М-да спор весьма забавный, однако не помешает взглянуть на паровой двигатель и двигатель стирлинга в свете реальной истории.

Паровик — сложность устройства и грандиозная мощность, опасность в эксплуатации, низкий кпд, потребность в массе высококвалифицированного (и физически крепкого!) персонала.

Стирлинг — сложность устройства (и понимания принципов его работы) низкая мощность, относительно высокий кпд и простота использования (дрова может подкладывать и столетний дед/бабка) а также грандиозный ресурс.

Ну, грандиозный ресурс можно сразу записать в минус — если вещь не ломается, не нужно ее чинить или заменять новой ;)…

Кстати, был ведь момент, когда паровик и стирлинг использовались совместно: в паровозы вода заливалась из водонапорной башни, а вот чтобы накачать воду в башню использовали стирлинг…

На самом деле у стирлинга нет в устройстве ничего сложного, самое сложное в нем — это то, что принцип его работы не является чем то сверхочевидным, то на каких принципах он работает многие и сейчас представляют как некую диковину. В этом смысле паровик вещь сверхочевидная — кастрюля кипит, крышка дребезжит, вот бы эту крышку заставить работать. Ну а по поводу, того, что Стирлинг отобьет охоту внедрять паровики — скорее наоборот, он этому поспособствует. Как уже отметил, идея того, что можно заставить работать пар сама по себе банальна, главная проблема, что сложно исполнима технически, в этом смысле пример того, что механика работает и может приносить деньги только подтолкнет инвесторов к поиску новых преимуществ и новых форм.

Вообще говоря высокий ресурс Стирлинга не вытекает из особенностей конструкции. Он происходит от низкой мощности.

ЛЮБОЙ паровой или ДВС будет иметь такой-же ресурс при работе на таких низких оборотах. А ресурс Стирлинга, когда его все таки удается вывести на сравнимые обороты становиться таким же как и у обычных движков.

Просто у паровиков и ДВСов подбирают оптимальную с точки зрения окупаемости мощность, а у Стирлинга ее фиг повысишь и хочешь-нехочешь — получается большой ресурс.

Нет. Ресурс вытекает из принципа действия.

Любой ДВС имеет ударное сжигание топлива (дизель — вообще детонацию). Даже классический паровик при впуске-выпуске пара дает ощутимый удар, слишком резок перепад давления.

То есть конструкция классический двигателей подвергается ударным нагрузкам, все равно что молотком лупить, а при высоких оборотах — очень жесткие вибрации.

В двигателе Стирлинга — только кривошип дает раскачку, у него ведь нагрузки знакопеременные.

Но вы правильно сказали — из-за низких оборотов и они невелики.

>> Любой ДВС имеет ударное сжигание топлива (дизель — вообще детонацию). Даже классический паровик при впуске-выпуске пара дает ощутимый удар, слишком резок перепад давления.

Если снизить обороты то и паровик и ДВС может работать десятилетия. Сжигание бензина цилиндр насквозь не прожигает и не растрескивает. Основной износ — трение деталей друг об друга.

Абсолютный предел ресурса у Стирлинга выше, но на практике основная проблема ресурса — в краткосрочном плане это уплотнения, в долгосрочном износ металла. Эти проблемы являются общими для любого движка. И как только Стирлинг раскручивают до приемлемых скоростей — он требует ремонта через тысячи часов работы, так же как и обычные движки.

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:  Как сделать двигатель на воде своими руками

Если снизить обороты, то паровику будет много легче. А вот ДВС все равно будет чувствовать удар при вспыхивании смеси. И этот удар передается на движущие сочленения со всеми вытекающими.

Автору статьи предлагаю послать любопытствующих качать литературу по вопросу:

Судовые поршневые двигатели внешнего сгорания (двигатели Стирлинга) 1976 Автор: Мышинский Э.Л., Рыжков-Дудонов М.А.

Двигатели Стирлинга / STIRLING ENGINES 1985 Автор: Уокер Г.

Двигатели Стирлинга 1977 под ред. Круглов М.Г.

Вам не кажется, что двигатели стирлинга конца 1970-х годов будут несколько отличаться от двигателей стирлинга, которые можно построить в конце 1770-х годов, ну вот просто потому, что даже резьбовое соединение еще недоступно?

P.S. За книги все равно спасибо.

Я не сомневаюсь 🙂 Но кругозор то надо расширять.

А что думаете на счёт обратного цикла Стирлинга? Будет работать как холодильник, или лишь как самый посредственный?

Попаданческий стирлинг не будет, да и зачем? Разве, что вы фараон и у вас куча бесплатных рабов которые его будут крутить, чтобы вы прохладились.

Стирлинг( для водяного насоса и небольшого генератора) вполне жизнеспособный тип двигателя для попаданца,который в своей жизни построил хотя бы несколько действующих моделей двигателя Стирлинга.

Вот еще пример простейшего водяного насоса(не водяной насос со Стирлингом конечно, но может тоже не будет лишним попаданцу которому некуда торопиться)_http://www.fermer.ru/files/forum/2011/04/115398/1pex.jpg

Ну да, для узких ниш стирлинг — лучше не придумаешь. Но только для узких ниш.

Все тепловые двигателя работают по одной схеме, то есть прежде получают рабочее тело (давление). Стирлинг из этих самый безопасный потому, что для работы использует физ. сво. газа. Если в паровом котле воду заменить на ВОЗДУХ, то эффект будет ЛУЧШЕ чем у СТИРЛИНГА потому, что котел является генератором, аккумулятором рабочего тела, простая схема отбора мощности и управления и исполнительные механизмы конструктивно простые и дешевые, компактные, легкие. Производительность котла будет определять питающий воздухом пневмонасос. Эффективность будет выше, ведь нагреватель можно установить внутри котла или для этого можно использовать прямое горение топлива, так как воздух подается в котел.

«Если в паровом котле воду заменить на ВОЗДУХ, то эффект будет ЛУЧШЕ чем у СТИРЛИНГА» — конечно, хуже. Уже даже только по термодинамике.

Насчёт «низких оборотов» — это, очевидно, ошибка, следующая из небольшого знакомства со стирлингами.

Вообще говоря, можно сделать машинку и на 100000 оборотов в минуту (около 60000 делали), вопрос лишь зачем?

«Низкие обороты» стирлинга — это чисто историческая его особенность: просто на тот момент нужны были низкооборотные машины.

Точно так же и со сложными кинематическими схемами — никакие сложные рычажные системы не являются необходимостью.

Более того, простой акустический стирлинг для насоса не содержит движущихся частей вообще (кроме перекачиваемой жидкости, конечно).

У стирлинга по сравнению с паровиком есть лишь один недостаток — малая удельная мощность (из чего следуют ещё и высокая трудо- материало- ёмкость и цена). Этот недостаток кроет все остальные преимущетсва, но если для какого-то в конкретном местовремени это несещественно или паровик создать невозможно, то да — все плюсы стирлинга встают в полный рост.

Ещё раз подчеркну: нужно разделять теоретический принципп, цикл и конкретные реализации (исторические примеры стирлингов не являются единственно возможными, более того — они не являются и оптимальными на данном уровне технологий).

Для паровиков ограничения были/есть чисто технологические, их конструкция в нашей реальности в каждый момент времени очень быстро приближалась к оптимальной для каждого конкретного уровня технологии, вычерпывая «дельту», на которой может сыграть попаданец.

Но вот имея нынешние знания попаданец можtn делать стирлинги ГОРАЗДО круче при той же технологии, чем это имело место быть.

>> Для паровиков ограничения были/есть чисто технологические, их конструкция в нашей реальности в каждый момент времени очень быстро приближалась к оптимальной для каждого конкретного уровня технологии, вычерпывая «дельту», на которой может сыграть попаданец.

>> Но вот имея нынешние знания попаданец можtn делать стирлинги ГОРАЗДО круче при той же технологии, чем это имело место быть.

Механизм парралельного хода — не было математики и все пользовались несовершенным парралелограммом Уатта. Попаданцу улучшить паровую машину весьма возможно.

В паросиловой установке паровой котел надо заменить на котел внутреннего сгорания — будет лучше Стирлинга. Такая энергоустановка может работать и от внешнего источника, выложил в интернете, его каждый может собрать.

а гиде выложил то??

Господа, я от вас угораю…

Проще Стирлинга двигателя нет! А первый такой двигатель изобрёл Геродот у которого не было патента на этот принцип работы. Мощности хватало открывать и закрывать двери храма. Относительно парового двигателя и пароходов, паровозов . Вы хоть в курсе что на всех. ЖД станциях обязательно были водокачки для пополнения воды в котлах. И основной геморрой был не в приводе, а именно в котлах. Кстати, сходите в ка- тельную и посмотрите на ту массу приборов и механизмов, что требуются для работы парового котла. А Стирлингу это не надо. Пароход хорошо, только весь трюм будет занимать уголь о перевозить ничего нельзя. Поэтому практически до 1940 года (+-) ПАРУС был основным двигателем в море. Дёшево и очень доходно. Паровоз и пароход имеют КПД мизерное — Стирлинг потребляет в 3! раза меньше топлива при одинаковой работе (исторический факт). Паровоз конечно загнул ибо металл на рельсы и сейчас дорогая штука.

Стирлинг — это всё, а паровик требует технологии на порядок выше.

ЗЫ.Поэтому попаданец должен создать штангенциркуль, получить на него патент и организовать массовое производство. Стричь с этого бабло. Пусть организует выпуск вольтового столба, производство магнитов и искрового и дугового передатчиков. Электротехника это не только хобби, но и технология электролиза. Золочение, серебрение, меднение бабло лопатой и в наше время. Алюминий в проммасштабах только электроспособом, чистые металлы — всё через электролиз.

Стирлинг с фокусом солнечного тепла — на орбите, Стирлинг на АПЛ — это уже есть, а вот паровик или двиг с внутренним сгоранием это проблемы. Кислород для сгорания топлива. А микрокриогенная техника? Жидкие газы в небольших количествах — очень актуально.Стирлинг вне конкуренции везде, где не страдают диареей, а умеют считать экономический эффект. Ремонт и обслуживание, о производстве на технологической основе молчу, это такой геморрой!

И ещё одна цифра ОДНА водяная мельница заменяет 15 лошадей, но только в конкретном месте. Стирлинг может заменить где угодно и 5 лошадей мощности не предел. )))

Согласен со всем, кроме последней строчки. Стирлинг не заменяет 5 лошадей, а одну лошадь заменят два стирлинга. Или четыре — смотря в какую эпоху их строить. Но все равно будет в два раза медленнее. 😀

А в остальном — да, все верно. Только то, что я написал выше, убивает стирлинг как таковой.

Уважаемый автор, а можно вопрос не совсем по теме, но где-то около того ?

Допустим, у нас имеется мир с уровнем технологий в области металлургии, металлообработки и т.п. примерно на уровне конца XIX — начала XX века, с большим опытом с паросиловыми установками, но — с запасами нефти на планете не сложилось, имеются только уголь, сланцы и т.п. топливо, всё — только твёрдое. Да и его не слишком много, точнее месторождения расположены как-то, ну, неудобно — на крайних северах, там, в океане на шельфе и т.п. И собственно говоря уже назревает не то чтобы сам энергетический кризис, но во всяком случае полупанические настроения вокруг самой проблемы, а-ля наши 1970-е годы.

Т.е. выходит что ДВС у нас — разве что на светильном газе (насколько понимаю, двигатели на угольной пыли, за пределы редкой экзотики не вышли из-за абразивного износа).

Задачу рассмотрим сугубо прикладную — безопасный (относительно паровой машины), достаточно компактный (опять же, относительно паросиловой КМУ), экономичный (главное !), тихоходный и умеренно мощный (не больше 1-2 тыс. л.с., хотя в принципе хватит и нескольких сотен лошадиков на вал) двигатель для тихоходных коммерческих грузовых судов, вероятно со вспомогательными парусами (или даже как вспомогательный двигатель для океанских парусников — тут и вовсе мощность может быть смешной по судовым меркам).

То есть, по сути, альтернатива нашему дизелю уровня начала XX века, но способная работать на твёрдом топливе.

Из описанных в статье проблем, допустим, что: жаростойкие стали, в т.ч. сложнолегированные, у нас имеются в количестве и ассортименте; металлобработка сделать уплотнения вполне позволяет; с высокими давлениями (порядка 150-200 атм) знакомы и работать умеем очень хорошо (большой опыт с пневматическими приводами высокого давления); лёгкие газы получаем промышленно (хотя если возможно хотелось бы ограничиться двигателями горячего воздуха, исключительно из соображений простоты и безопасности); проблема невозможности регулирования оборотов (хотя таковая возможность, в принципе, была реализована на уровне техники 1930-х годов) решается уже отработанной на этапе развития паротурбоходов электротрансмиссией (двигатель работает на генератор, а гребёт уже электродвигатель — такая схема широко используется на флоте начиная с Первой мировой войны).

Вопрос в чём: что, с Вашей т.з., более вероятно — что начнут в промышленном масштабе гидрогенизировать уголь и сланцы в синтетический аналог нефтяного топлива для ДВС (ну, или сжижать блау-газ с той же целью, но тут уже проблема хранения и транспортировки) — или развивать стирлинги на имеющемся твёрдом топливе (вероятно, в виде некой пылевой фракции, вдуваемой через форсунку) — и есть ли вероятность последнего, существенно отличающаяся от нуля, вообще. Как с точки зрения технической и экономической эффективности (военные-то ясное дело получат то, что даёт лучшие характеристики, не посчитавшись с затратами, а вот в гражданской технике…), так и с точки зрения самой вероятности появления ДВС традиционного для нас типа в мире с таким скудным выбором промышленно доступных топлив.

Вообще, хочу сказать большое спасибо за статью; после литературы вроде вышеупомянутой книги 1976 года с подробным описанием преимуществ стирлинга у меня возникло несколько видимо розовоочковое вИдение вероятности его применения в описанной выше ситуации (сложилось впечатление, что развитию стирлингов в аналогичный период истории помешало только наличие нефтяного топлива, позволившее перейти сразу на ДВС), а вот эта статья уже немного охладила пыл.

По поводу дизеля на твердом топливе.

Когда сам Дизель изобретал движок, то двигатель на угольной пыли — это было одной из основных целей. Однако, его до сих пор не построено и у меня есть подозрения, что не построят вовсе. Угольная пыль в цилиндрах работала не хуже наждака и решить это невозможно. Кстати — и зола от угольной пыли оказалась тоже достаточно абразивной.

Тут скорее построят газовую турбину на угольной пыли, там нет трущихся деталей. Хотя как выводить оттуда золу, я плохо представляю, в любом случае дымить будет знатно.

интересно почему «непошли» ДВС с газогенратором? как никак первый сделанный двигатель внутреннего сгорания работал на светильном газе. да и 4-х тактик Отто тоже был газовым.

Почему не пошёл Tablet PC в 2002-м и прямо-таки ажиотажно пошёл iPad в 2010-м?

Ну, тут причина совсем другая…

Для чего используется айпад? 80-90% времени сидеть в инете, смотреть видео…

в 2002 инет был еще весьма беден, постоянное подключение откуда угодно было крайне дорогой и малораспространенной вещью. ТаблетПС был больше рассчитан на работу чем на развлечение, что резко сокращало и без того узкий сегмент…

Плюс распространение компов 10 лет назад не сравнить с современным.

т.е. если присмотреться то при внешней схожести продуктов мы имеем очень разные вещи вышедшие в очень разных условиях.

Для успеха Айпада нужно было десятилетие использования смартфонов, социальных сетей, ютуба, привычка огромного числа людей постоянно иметь при себе сложную электронную игрушку и ориентироваться на нее в развлечениях. На такой сформированный рынок можно выбрасывать устройство назначение которого вполне понятно и желанно почти каждому.

iPad является «расширенным»/’расплющенным’ ( и разреламированным ) iPod/iPhone.

а первые ДВС были как раз на газу. те ситуация как если бы iPad «непошел».

я уж молчу о двигателя универсального применения с «кастомер-ориентированной» фигней для «потребления контента»

я уж молчу о неправомерности сравнения двигателя универсального применения с «кастомер-ориентированной» фигней для «потребления контента»

На момент когда ДВСы был на газу ни о какой массовости и речи не шло.

Это сейчас газовое оборудование широко распространено и безопасно, а в конце 19 века работа с газом в баллонах это сродни работы атомного реактора. Никогда не знаешь когда и что взлетит на воздух.

Так что ДВС пошли в жизнь когда стали заправляться нормальным жидким топливом, которое может залить в бак любой пользователь, а не только специально обученный человек.

Кстати, в перечне причин того что Айпад пошел а Таблетка нет забыл упомянуть еще одну- ЭйплСторе. Магазин ПО который позволяет в 3 клика поставить себе любой понравившейся программный продукт. С которым может справится даже ребенок.

Наличие этого магазина немедленно снизило порог требований к пользователю и дало широкий рынок для айфонов и айпадов.

Собственно повсеместное наличие жидкого топлива и распространенность керосиновых лавок дало возможность распространять автомобили.

Без инфраструктуры такой девайс остался бы вундервафлей…

вы правы когда говорите о транспортрых ДВС. но я то о ДВС вообще. газовое освещение (и отопление и готовка) в городах уже были _до_ ДВС. и именно поэтому первые ДВС были на газе.

Причин масса. Начиная с неудобства топлива- твердое топливо хоть и дешево, но его трудно подкидывать в топку, регулировать горение, избавляться от золы и т.д.

При жидком топливе вы можете час еле ехать а потом вдруг нажать газ и поднять мощность мотора в разы, с газогенератором ехать медленно- значит ваш генератор еле горит (иначе газов будет многовато и куда их девать?) выжав газ вы быстро потратите запас уже выработанного газа и движок захлебнется — генератор попросту не успеет выйти на новый режим.

Короче говоря газогенератор отлично подойдет для стационарного мотора с равномерной нагрузкой, но вот для автомобиля он применим только с огромными ограничениями.

выжав газ вы быстро потратите запас уже выработанного газа

Нет. Газогенераторы вполне себе способны подстраиваться под нагрузки двигателя. Чем сильнее разрежение на входе в смеситель, тем больше газа создает генератор. Это как раз не проблема. Проблем других куча, и они сработали все вместе — с чем-то одним можно было бы мириться, но со всем вместе? Когда из земли бьют фонтаны нефти, только успевай перерабатывай? Главными проблемами были следующие:

1. ДВС с газогенератором надо разжигать, это минут 10-15 перед поездкой. Это то, что убило паровые двигатели для автомобилей. Ехать надо всегда прям ща, а не когда оно раскочегарится.

2. Газогенератор надо заправлять твердым топливом, это дофига тяжелой физической работы. Крайне некомфортно для достаточно обеспеченного владельца машины, а женщинам так и вообще… и содержать кучу мускулистых негров на каждой заправке тоже дорого.

3. ДВС с газогенератором имеет худшее соотношение мощности к массе по сравнению с жидким топливом. Это критично для машин легче пары тонн, т.е. для большинства автопарка.

Абразивность угольной пыли ерунда. Вернее неприятно тоже, но основная беда с ней, она взрывоопасна. Имейте в виду Дизель использовал именно пыль. Не крошку, мелкую-мелкую, а именно пыль. О взрывах и пожарах на мельницах не слышали? События одного порядка, только пыль у нас угольная — это не мука, гораздо хуже. Уж Дизель и мочил (не в смысле писал!) свою пыль, по дороге к движку, и бубен у якутов купил. Ничё не помогало. Взрывалась проклятая от вибрации, а главное не там где надо. Рудольф ещё тот везунчик был. Минимум два взрыва в не посредственной близости к объекту пережил. Только поэтому солярка. Уголь был и доступнее и дешевле, с абразивностью смирились бы (и боролись немножко) но…. Решили, что лучше химикам отработать крекинг процесс. И стало всем дизельное счастье.

Рано или поздно забацают производство жидких топлив. Но до этого будут пышным цветом цвести паровики. Ну и для стирлингов место найдется — простой движок для бытовой техники например. Основной профит мне кажется будет у турбин.

Госпланирования будет больше — топливные заводы стоят дорого, долго окупаются, требуют хайтека.

У комплекса «завод по синтезу жидкого топлива + ДВС» будет проблемы старта типа «курица или яйцо». Такие комплексы, как мы знаем из нашей истории, появляются с огромными трудностями (достаточно посмотреть на уже почти десяток провалившихся попыток «запустить» электромобили или водородную инфраструктуру для авто).

Поэтому жидкое топливо будет очень дорого и использоваться там, где за ценой не постоят (авиация, военные).

Но ДВС работает и на газе. Метан получать куда проще.

Что касается стирлингов, не надо так сильно впечатляться статьёй kraz’a, он много выдумал и недостаточно разбирается в вопросе 🙂 Он увлёкся недостатками каких-то конкретных, виденых им в сети конструкций.

Стирлинг при прочих равных сложнее и дороже дизеля, да, это — реальные недостатки. И этой разницы в нашем мире оказалось достаточно, чтобы умереть.

Но эти РЕАЛЬНЫЕ недостатки стирлинга в мире твёрдых топлив несущественны. Высокотехнологичный стирлинг в серии не настолько дороже дизеля, чтоб в мире топлива дизель бы имел шансы.

Кроме того, существует ещё несколько чисто электрохимических технологий, которые в нашем мире по разным (понятным) причинам не пошли, а в «мире только твёрдого топлива» могли бы использоваться на ура.

Водородная энергетика суть сон разума, а электромобили как раз одно время были довольно распространены, но ДВС их вытеснил т.к. тупо лучше.

В реальном мире ДВС «стартанули» за счёт того, что жидкие топлива уже использовались для освещения (керосиновые лампы) и в котлах паротурбинных установок. Возможно, в «мире без нефти» начало технологической истории будет похожим на нашу, вплоть до середины 19 века. А вот в этой точке назревает интересная развилка: жидкое топливо удобно для транспорта тем, что не нужно возить с собой негорючую часть топлива, то, что в конце уходит в шлак. Остаётся выбор: спирты, растительные масла, либо синтетическое топливо. Что-то мне подсказывает, что синтетике нет альтернативы и ещё не факт, что такой вариант не приведёт к более интенсивному развитию цивилизации.

Стесняюсь спросить, а почему не применять табун стирлингов для большой мощности?

А почему не применяют табун мопедных моторчиков на дальнобойных грузовиках?

Главный недостаток газогенераторного двигателя — осмоление трубопроводов. Генераторный газ от смол легко очистить в условиях стационарного завода (конденсаторы с ловушками, работающие попарно резеврв- работа, и чистящиеся бригадой специально обученных людей), но нелегко в автомобиле. Во-первых, трубы малого диаметра, во-вторых, содержать бригаду чистильщиков можно только в крупном гараже, да и девать эту смолу куда-то надо (а она канцерогенна). Плюс к тому плохо дело со стандартизацией твердого топлива (опять же, в ТЭЦ на угле сделать это проще, чем в гараже — крупнее партии угля). С дровами вообще швах, неодинаковая влажность, порода, фракция…

По поводу мира твердого топлива — ЮАР благодаря эмбарго жила в таком мире несколько десятков лет, делая из угля жидкое топливо по методу Фишера-Тропша. Были, конечно, недостатки, к примеру, не всякое топливо легко сделать из угля, из нефти проще сделать разный ассортимент, но жить вполне было можно.

//Плюс к тому плохо дело со стандартизацией твердого топлива //

Вот те раз!? А, что пелеты уже отменили? Как минимум треть ТЕЦ в Европе на пелетах работает. И ничего, стандарты не подводят. Даже хуже, на брикетах, пелеты это для капризных котлов частного сектора.

Я где-то читал, что самые совершенные автомобили паровики заводились-закипали за 90 секунд — летом. А ведь была такая тема у двс как прогрев до оптимальной температуры…

Это про паровые автомобили Добля. Конкретно — модель Е. Шикарная вещь. Один из последних живых и ездящих есть в коллекции Джея Лено http://www.youtube.com/watch?v=rUg_ukBwsyo

У него же есть более сложный, но в чём-то превосходящий паромобиль Уайта — http://www.youtube.com/watch?v=Lf8miprLH60

Уайт ничем не превосходит Добля. Флейш-бойлеры в то время были модной темой, так что неудивительно что оба изобретателя их использовали. А вот бегать крутить краники и поджигать все ручками — жуткий геморрой. У Добля же была уже свеча зажигания и машина в эксплуатации была не сложнее бензиновой. Но увы, слишком дорого и сложно в производстве по сравнению с ДВС.

Кстати Форд в свое время всерьез обдумывал вопрос паровой двигатель vs ДВС для своей массовой модели и предпочел ДВС, как более дешевую и технологичную конструкцию.

Знатоки, прошу покритиковать конструкцию ДВнешС с заменой рабочего тела (воздуха):

Левый цилиндр — рабочий, в камере сгорания топлива, правый — вспомогательный.

Для улучшения теплообмена воздух сжимается во вспомогательном цилиндре до 6-8 атм., что вполне достижимо.

При движении поршневой группы справа налево (верхний рисунок) происходит сжатие холодного воздуха. При достижении поршнями русла перетока сжатый воздух через отверстие в левом поршне, через отверстие в штоке, через отверстие в правом цилиндре поступает в проточку и затем равномерно в зазор между горячим цилиндром и поршнем. Из-за малых зазоров теплообмен происходит быстро, при этом давление в системе возрастает.

наружный воздух при 300К и давлении 8 атм. нагревается до 180 град.С или 450К. Давление повышается до 12 атм. Происходит рабочий ход расширения. При снижении давления до 3-2,5 атм. воздух через выпускное окно поступает в камеру сгорания, создавая принудительный наддув.

При дальнейшем движении поршневой группы во вспомогательном цилиндре возникает разряжение, которое засасывает порцию смазки через калиброванное отверстие, затем поступает новая порция холодного воздуха. Смазка разбрызгивается по всем стенкам и штоку. При сжатии смазка первой (потом уже сжатый воздух) по каналу между цилиндрами поступает в рабочий цилиндр и по проточке размазывается по всей поверхности. При расширении остатки смазки через выхлопное окно попадают в камеру сгорания, где и сгорают.

Может быть лучше окажется вариант с увеличенным в полтора раза диаметром рабочего цилиндра по сравнению с вспомогательным — поверхность теплообмена будет больше.

Grue, вы? Если нет, то интересно узнать откуда вы, любители извращений с внешним рабочим телом в Стирлинге, беретесь?

1. Сначала мы тратим энергию на сжатие воздуха от 1 до 8, потом получаем ее при его расширении от 12 до 3. Нетрудно прикинуть что сальдо будет не очень большим 🙁

2. Это еще ничего. Но приглядимся к процессу перемещения воздуха между холодным и горячим цилиндром.

Для начала забудем про теплообмен. Если вы просто впустите литр воздуха под давлением 8 атм, в литровую емкость, вы потеряете половину совершенной работу за счет бесполезного падения давления. Можно переместить воздух без потерь если поршни работают в противофазе, но тут этого нет. Вы потеряете половину работы сжатия и с учетом пункта 1 энергобаланс станет отрицательным.

3. Воздух у вас быстро нагревается при впуске? Т.е. его давление будет сразу возрастать до 12. Ну и с чего он полезет из емкости с давлением 8 в емкость в давлением 12? При быстром нагреве он банально не будет работать. При медленном у вас будет извращенный и сильно ухудшенный стирлинг.

Что значит «с внешним рабочим телом»?

Источник: http://www.popadancev.net/dvigatel-stirlinga/

Ссылка на основную публикацию