Нагревательное устройство двигателя стирлинга. Двигатель стирлинга устройство


Двигатель внешнего сгорания: 3 модификации двинателя Стирлинга

Содержание статьи

Одним из перспективных источников механической энергии для автомобилей является двигатель внешнего сгорания, разработанный уроженцем Шотландии Робертом Стирлингом пару веков назад. Двигатель внешнего сгорания Стирлинга по принципу работы сильно отличается от привычного для всех ДВС. Но на какое-то время после разработки о нём благополучно забыли.

История создания

В 1816 году уроженец Шотландии Роберт Стирлинг запатентовал тепловую машину, которую сегодня называют в честь своего создателя. Однако сама идея двигателей горячего воздуха была придумана вовсе не им. Но первый осознанный проект по созданию такого агрегата реализовал именно Стирлинг. Он усовершенствовал систему, добавив в неё очиститель, в технической литературе называвшийся теплообменником. Благодаря этому сильно возросла производительность мотора благодаря удержанию его в тепле. Эта модель для того времени была признана самой прочной, поскольку никогда не взрывалась.

Несмотря на такой быстрый успех продвижения модели, в начале двадцатого столетия от дальнейшего развития двигателя внешнего сгорания отказались из-за его себестоимости в пользу двигателя внутреннего сгорания.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду. При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла. Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

Двигатель Стирлинга: принцип работы

Двигатель Стирлинга: принцип работы

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Схема двигателя наружного горения

Схема двигателя наружного горения

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя внешнего сгорания

Этот вид двигателей неприхотлив в плане топлива, поскольку основой его работы является перепад температур. Чем вызван этот перепад — особого значения не имеет. Двигатель Стирлинга имеет простую конструкцию и не нуждается в дополнительных системах и навесном оборудовании (стартер, коробка передач). Некоторые особенности устройства двигателя являются гарантией долгого срока эксплуатации: двигатель может работать непрерывно в течении примерно ста тысяч часов. Ещё одним серьёзным преимуществом двигателя внешнего сгорания является бесшумность. Она обусловлена тем, что в цилиндрах отсутствует детонация и нет необходимости в выводе отработавших газов. Особенно выделяется по этому параметру модификация «Бета». Её конструкция оснащена ромбовидным кривошипно-шатунным механизмом, который обеспечивает отсутствие вибраций во время работы. И, наконец, экологичность. В цилиндрах двигателя отсутствуют процессы, способные негативно влиять на окружающую среду.

При выборе альтернативных источников тепла (энергии солнца) двигатель Стирлинга превращается в разновидность экологически чистого силового агрегата.

Недостатки двигателя внешнего сгорания

Массовый выпуск таких двигателей в настоящее время невозможен. Основная проблема — это материалоёмкость конструкции. Охлаждение рабочего тела двигателя требует установку радиаторов с большими объёмами. Вследствие этого увеличиваются размеры. Использование сложных видов рабочего тела вроде водорода или гелия поднимает вопрос о безопасности двигателя. Теплопроводность и температурная стойкость должны быть на высоком уровне. Тепло к рабочему объёму поступает через теплообменники. Таким образом, часть тепла теряется по дороге. При изготовлении теплообменники приходится использовать термостойкие металлы. При этом металлы должны быть устойчивы к высокому давлению. Все эти материалы стоят дорого и долго обрабатываются. Принципы изменения режимов двигателя внешнего сгорания сильно отличаются от традиционных. Требуется разработка специальных управляющих устройств. Изменение мощности вызывается изменением давления в цилиндрах и угла фаз между вытеснителем и силовым поршнем. Также можно изменить ёмкость полости с рабочим телом.

Примеры реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Работоспособные модели такого двигателя были выпущены в свет, несмотря на все сложности изготовления. В 50 года XX века у автомобилестроительных компаний появилась заинтересованность в этой разновидности силового агрегата. В основном реализацией двигателей Стирлинга на автомобилях занимались Ford Motor Company и Volkswagen Group. Шведская компания UNITED STIRLING разработала такой двигатель, в котором разработчики старались чаще использовать серийные агрегаты и узлы (коленвал, шатуны). Был разработан четырёхцилиндровый V-образный двигатель, обладавший удельной массой 2,4 кг/кВт. Аналогичной массой обладает компактный дизель. Двигатель попробовали устанавливать на семитонные грузовые фургоны.

Наиболее выделяющимся успешным образцом стал Philips 4-125DA, доступный для установки на легковые автомобили. Рабочая мощность двигателя составляла 173 лошадиных силы. Размеры несильно отличались от обычного бензинового ДВС.

Компания General Motors разработала восьмицилиндровый V-образный двигатель внешнего сгорания с серийным кривошипно-шатунным механизмом. В 1972 году ограниченная версия автомобилей Ford Torino оснащалась таким двигателем. Причём расход топлива снизился на целых 25 % по сравнению с предыдущими моделями. Сегодня несколько зарубежных компаний пытаются совершенствовать конструкцию этого двигателя с целью адаптации для серийного производства и установки на легковые автомобили.

Реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Реализации двигателей внешнего сгорания на автомобилях

Выводы

В случае, если недостатки двигателя внешнего сгорания будут устранены, то этот вид силового агрегата придёт на смену ДВС и даже электромоторам. Но ввиду высокой стоимости материалов, сложности их обработки и громоздкости конструкции, двигатель внешнего сгорания пока не может выпускаться массово. Возможно, когда-нибудь будут разработан дешёвый жаростойкий и устойчивый к давлению материал, который будет использоваться при изготовлении двигателя Стирлинга, а пока вся конструкция обходится производителям гораздо дороже, чем обычный ДВС. Удачи и лёгких дорог!

 

Оценка статьи:

Загрузка...

motorsguide.ru

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА?

Двигатели стирлинга

Перечислим основные особенности работы двигателя:

1. В двигателе Стирлинга происходит преобразование теп­ловой энергии в механическую посредством сжатия постоянно­го количества рабочего тела при низкой температуре и после­дующего (после периода нагрева) его расширения при высо­кой температуре. Поскольку работа, затрачиваемая поршнем на сжатие рабочего тела, меньше работы, которую поршень со­вершает при расширении рабочего тела, двигатель вырабаты­вает полезную механическую энергию.

2. В принципе при наличии регенерации необходимо только подводить тепло, чтобы не допускать охлаждения рабочего тела при его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

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

4. Изменения объема в этих двух полостях должны не сов­падать по фазе, а получающиеся в результате циклические из­менения суммарного объема в свою очередь не должны совпа­дать по фазе с циклическим изменением давления. Это — усло­вие получения механической энергии на валу двигателя.

Таким образом, принцип Стирлинга — это попеременный нагрев и охлаждение заключенного в изолированном простран­стве рабочего тела. Чтобы наглядно представить, как этот про­стой принцип реализуется на практике, рассмотрим сначала элементарную систему поршень — цилиндр, в которой рабочее тело изолировано от внешней среды жестким поршнем, меха­нически соединенным с кривошипом (рис. 1.4).

По мере подвода тепла к головке цилиндра давление рабо­чего тела возрастает, и поршень начинает перемещаться впра­во под действием расширяющегося рабочего тела (рис. 1.5).

При расширении рабочего тела давление в цилиндре па­дает. Для компенсации охлаждения рабочего тела при его рас­ширении подвод тепла продолжается, благодаря чему процесс

Рис. 1.4 Реализация принципа Стир Рис. 1.5. Начальное перемещение

Линга в системе рабочий поршень — поршня.

Цилиндр.

Протекает при постоянной температуре. Когда поршень дости­гает своего крайнего правого положения (нижней мертвой точки), подвод тепла прекращается и начинается охлаждение головки цилиндра с помощью какого-либо внешнего источника (рис. 1.6).

В процессе охлаждения давление продолжает падать. Затем поршень начинает перемещаться влево, сжимая газ. Процесс

Тепло ►

(d) - (а)

Рис. 1.6. Поршень в нижней мертвой точ­ке.

Рис. 1.7. Фаза сжа­тия.

Рис. 1.8. Завершение рабочего цикла.

Охлаждения при этом продолжается, чтобы компенсировать на­грев при сжатии, так что и сжатие протекает при постоянной температуре (рис. 1.7).

Когда поршень достигает своего крайнего левого положения (верхней мертвой точки) охлаждающее устройство заменяется источником тепла (рис. 1.8).

Эту последовательность можно изобразить на диаграммах термодинамического состояния (рис. 1.9).

Поскольку процесс расширения с нагревом протекает при более высоком среднем давлении, чем процесс сжатия с охла­ждением, двигатель совершает полезную работу Однако такой метод подвода и отвода тепла громоздок и непрактичен, так как теплоемкость материалов, из которых изготавливается го­ловка цилиндра, слишком велика для реализации требуемыхбыстрых изменений температуры. Тем не менее основная кон­цепция попеременного нагрева и охлаждения изолированного рабочего тела при различных давлениях для получения меха­нической работы изложена здесь вполне точно.

Рис. 1.10. Работа вытеснительного поршня.

А— первоначальная схема; б — схема Стир­линга; 1—вытесннтельный поршень; 2 — ра­бочий поршень.

Рис. 1.9. Диаграммы термодинамиче­ского состояния: давление — объем (а), температура — энтропия (б).

Объем А

Возникает проблема воплощения этой концепции на практи­ке. Очевидным решением было бы поддерживать на одном тор­це цилиндра постоянную высокую температуру, а на другом — постоянную низкую. Однако в этом случае невозможно было бы использовать систему поршень — цилиндр, упомянутую при описании рабочего цикла, поскольку рабочее те­ло одновременно и получало, и отдава­ло бы тепло в сменяющих друг друга фазах процесса. Роберт Стерлинг пре­одолел эту трудность, введя вытеснн­тельный поршень, или вытеснитель, расположенный последовательно с пер­воначальным поршнем, получившим

Теперь название «рабочий поршень». Вытесннтельный поршень предназначен для перемещения рабочего тела между локально расположенными горячей и холодной полостями (рис. 1.10).

Вытесннтельный поршень свободно размещен в цилиндре, так что рабочее тело может обтекать его со всех сторон, как показано на рис. 1.11, где действие вытеснительного поршня иллюстрируется безотносительно к рабочему поршню.

1

I

I

•J

► -4

W

4

Рис. 1.11. Действие вытес­нителя.

При движении вытеснителя вверх, к горячему концу ци­линдра, нагретое рабочее тело поступает в холодную полость через кольцевой зазор у боковых стенок вытеснительногопоршня. При этом давление рабочего тела вследствие охлажде­ния понижается. В цилиндре отсутствуют клапаны, поэтому, если не принимать во внимание небольшого, практически пре - небрежимого падения давления в кольцевом зазоре вокруг вы - теснительного поршня, давление во всех зонах цилиндра будет одинаковым. При движении к нижней мертвой точке вытесни - тельный поршень заставляет рабочее тело перемещаться через холодную полость и кольцевой зазор вокруг боковой поверхно­сти поршня в горячую полость для подогрева. Поскольку при

Движении вытеснительного поршня давление у обоих его тор - цев всегда одинаково, на это движение работа не затрачива­ется.

Движение вытеснительного и рабочего поршней не совпа­дает по фазе. Объяснение этого с позиций термодинамики бу­дет дано ниже. Однако уже сейчас нетрудно понять, что если все рабочее тело в какой-то фазе цикла должно быть в горя­чей полости, а в другой фазе цикла — в холодной, то оба порш­ня не могут находиться в одной фазе. Чтобы получить такое не совпадающее по фазе движение поршней, необходим. меха­низм привода, отличный от общепринятого. Пример механизма, использованного самим Стирлингом, показан на рис. 1.12.

Необходим еще один элемент, чтобы получить двигатель Стирлинга в том виде, в каком он известен сейчас. Это реге­нератор, или «экономайзер», как его первоначально назвал Стирлинг. Когда вытеснительный поршень перемещает расши­ряющееся рабочее тело в холодную полость (рис. 1.11), оно должно пройти через горячую полость где из-за продолжаю­щегося нагрева получает избыточное тепло, которое необходи­мо отвести в холодильник. После того как рабочее тело сжато, оно перемещается в горячую полость через холодную, дополни­тельно охлаждаясь. Следовательно, рабочее тело поступает в горячую полость более холодным, чем требуется, а в холод­ную — более горячим.

Если в кольцевом зазоре вокруг вытеснительного поршня, по которому перетекает рабочее тело, установить сетку из стальной проволоки, то рабочее тело, проходя через этот зазор из горячей полости в холодную, будет иметь бо­лее высокую температуру, чем сетка, и, следовательно, будет отдавать теп­ло этой сетке. В этом случае сетка действует как предварительный холо­дильник, снижая термическую нагруз­ку основного холодильника. После процесса сжатия рабочее тело будет перетекать в горячую полость, нагре­ваясь при прохождении через сетку, т. е. будет вновь получать тепло, ра­нее отданное сетке. Теперь регенера­тор действует как предварительный нагреватель, уменьшая требуемое ко­личество подводимой энергии. Описанная система в целом по­казана на рис. 1.13.

Хотя схема, показанная на рис. 1.13, находит практическое применение во многих двигателях, проблема быстрой передачи энергии остается нерешенной, поскольку необходимо еще пре­одолеть тепловую инерцию стенок цилиндра. При проведении работ по усовершенствованию двигателя Стирлинга фирмой «Филипс» были применены трубчатые теплообменники для на­гревателя и холодильника, и, хотя при этом потребовалось уплот­нить вытесннтельный поршень, основная цель была достигнута. Полный рабочий цикл теперь можно описать с помощью рис. 1.14. На рис. 1.14 легко различаются составляющие процессы рабо­чего цикла, изображенного на диаграмме давление — объем (рис. 1.9, а).

. регенерашо'р

Рис. 1.13. Схема двигателя Стирлинга, пригодная для практического применения.

На рис. 1 14, а рабочий поршень находится в крайнем ниж­нем положении, вытеснитель — в крайнем верхнем положении, и все рабочее тело заключено в холодной полости. Затем под действием внешних сил рабочий поршень начинает переме­щаться вверх, сжимая рабочее тело в холодной полости, при­чем температура рабочего тела поддерживается на минималь­ном уровне. В точке 2 (рис. 1.15) вытесннтельный поршень все еще находится в крайнем верхнем положении, рабочийпоршень заканчивает свое движение вверх, и процесс сжатия за­вершается (рис. 1.14,6). Рабочий поршень остается в своей верхней мертвой точке, а вытеснительный поршень начинает движение вниз, перемещая рабочее тело в систему холодиль­ник — регенератор — нагреватель и далее в горячую полость. Объем рабочего тела в этом процессе остается постоянным, а давление возрастает. В процессе между точками 2 и 3 рабоче­му телу передается тепло от регенератора. Точка 3 соответ­ствует пребыванию всего рабочего тела в горячей полости, при

А 6 в г

Рис. 1.14. Полный рабочий цикл двигателя, работающего по схеме фирмы «Филипс».

Этом рабочий поршень все еще остается в своей верхней мерт­вой точке. Следует отметить, что вытеснительный поршень в точке 3 еще не достиг своего крайнего нижнего положения.

Теперь рабочее тело, находясь в горячей полости, получает тепло от трубчатого нагревателя и расширяется. Воздействуя на вытеснительный и рабочий поршни, расширяющееся рабочее тело заставляет их совместно перемещаться вниз, пока они не займут свое крайнее нижнее положение. В процессе между точ­ками 3 и 4 совершается положительная работа. Точка 4 соот­ветствует пребыванию обоих поршней в своих нижних мертвых точках. Рабочий поршень продолжает оставаться в этом поло­жении, а вытеснительный поршень перемещается вверх, вытес­няя расширившееся рабочее тело через систему нагреватель — регенератор — холодильник в холодную полость. При этом ра­бочее тело отдает остаток своего тепла регенератору. В процес­се 4 — 1 объем остается неизменным, а давление падает. Так осуществляется цикл Стирлинга в том виде, как он показан на двух диаграммах состояния (рис. 1.15).

Сравнивая движение поршней относительно друг друга в последовательных процессах (рис. 1.14), легко заметить, что их движение на протяжении всего цикла не совпадает по фазе.

Для обеспечения протекания такого цикла в соответствии с его описанием, приведенным выше, необходимо прерывистое перемещение поршней. Этот вывод можно наглядно проиллю­стрировать диаграммой перемещений поршней (рис. 1.16).

Рис. 1.15. Термодинамические диаграммы состояния идеального цикла Стир­линга.

Горячая полость расширения определяется переменным объемом VE между головкой цилиндра и верхним торцем вы­теснительного поршня. Она об­разуется исключительно благо­даря перемещению вытесни­тельного поршня. Холодная по­лость сжатия определяется пе­ременным объемом Vc между нижним торцем вытеснитель­ного поршня и верхним тор­цем рабочего поршня. Объем нагревателя, холодильника, ре­генератора и примыкающих к ним патрубков является не­рабочим объемом и называет­ся объемом мертвого простран­ства (мертвым объемом) VD. Любой мертвый объем умень­шает мощность, вырабатывае­мую двигателем, и его необходимо сводить к минимуму, допу­скаемому конструктивными особенностями двигателя. Однако в некоторых условиях путем увеличения мертвого объема можно увеличить КПД двигателя.

> Угол поборота крисошипа

Рис. 1.16. Законы движения поршней при воспроизведении идеального цик­ла.

Теперь следовало бы рассмотреть проблемы термодинами­ки, газодинамики и теплообмена, которые необходимо решить для реализации принципа Стирлинга. Не ппеодолены такжетрудности, связанные с высокой сложностью механизма при­вода и необходимостью обеспечить достаточную балансировку двигателя.

На рис. 1.16 показана зависимость изменения объема от угла поворота кривошипа, при выполнении которой реализует­ся идеальный цикл Стирлинга. Основной функцией механизма привода является наиболее точное воспроизведение этой зави­симости. Однако полное удовлетворение требований термоди­намики возможно только при прерывистом движении поршней, а механическое устройство не в состоянии точно воспроизвести такое движение. Хотя в принципе и можно создать механизм, воспроизводящий закон изменения объема, близкий к идеаль­ному, при его проектировании необходимо учитывать и другие факторы, а именно: простоту конструкции, компактность, дина­мические факторы и возможность установки системы уплот­нения.

Чем больше в механизме привода движущихся частей, тем меньше, как правило, механический КПД; при этом преимуще­ства, обусловленные воспроизведением закона изменения объ­ема, близкого к идеальному, могут быть сведены на нет низ­ким общим КПД двигателя. Кроме того, большое число дета­лей приводит к повышению стоимости изготовления механизма привода, общей стоимости агрегата и затрат на эксплуатацию, а также к снижению надежности по сравнению с механизмами привода обычных двигателей внутреннего сгорания. Простран­ство, в которое должен «вписываться» двигатель Стирлинга, также может быть определяющим фактором, а это поставит конструктора перед выбором, что предпочесть: громоздкий ме­ханизм привода, обеспечивающий почти идеальный закон изме­нения объема, или более компактный механизм, но воспроизво­дящий закон изменения объема с меньшей точностью.

Динамические факторы, которые необходимо принимать во внимание при конструировании, можно разделить на две груп­пы: связанные с динамической нагруженностью и связанные с динамической балансировкой движущихся частей двигателя. Динамические нагрузки оказывают решающее влияние на оп­ределение основных размеров двигателя Стирлинга. Термоди­намический анализ работы двигателя предъявляет определен­ные требования к рабочему объему, длине шатуна и др., одна­ко количественно эти требования выражены безразмерными параметрами и, следовательно, не устанавливают каких-либо реальных размеров. Определение размеров этих компонентов основывается на последующих динамических расчетах, включа­ющих определение нагрузок на подшипники, величины изгиба­ющего момента на шатуне и т. п. Двигатель Стирлинга благо­даря используемому в нем замкнутому циклу по своей приро­де является бесшумным, и если в нем предусмотреть свобод­ный от вибраций (а следовательно, динамически уравновешен­ный) механизм привода, то потенциальные возможности его практического применения существенно расширятся. Некото­рые механизмы привода, разработанные для двигателей Стир­линга, удовлетворяют этим требованиям.

Рис. 1.17. Кривошипно-баланснрный механизм привода [16].

1 — нагреватель; 2— регенератор; 3 — холо­дильник; 4 — вытесннтельный поршень; 5 — рабочий поршень; 6—балансир; 7 — виль­чатый шатун.

И наконец, в двигателях Стирлинга большого литража воз­никает проблема уплотнений, отделяющих цилиндры двигате­ля от картера и изолирующих картер от избыточного давле­ния. Таким образом, мы перечислили основные факторы, влия­ющие на выбор механизма привода двигателя Стирлинга.

В двигателях Стирлинга чаще всего используются: криво - шипно-баланси

msd.com.ua

Нагревательное устройство двигателя стирлинга

 

Использование: двигателестроение. Сущность изобретения: нагревательное устройство выполнено в виде ряда тонкостенных трубок, одним концом соединенных с головкой цилиндра 1, а другим с регенератором 2 и объединенных в верхней части нагревателя кольцевым сборником 4. Трубки нагревателя и кольцевой сборник собраны вокруг цилиндра, причем ряд трубок, собранный вокруг цилиндра и соединяющий регенератор с кольцевым сборником, охвачен кольцевым коллектором 5, образованным кожухом 6, замкнутым на кольцевой сборник и цилиндр. К коллектору через инжектор 7 подводится газовоздушная смесь (ГВС), а с внутренней стороны ряда трубок, на выходе ГВС, расположен перфорированный цилиндр 9. Зазоры между "регенераторными" трубками выполнены из условия превышения скорости истечения ГВС над скоростью распространения пламени, зазоры между "цилиндровыми" трубками и перфорация наоборот, а расстояние между "регенераторными" трубками и перфорированным цилиндром составляет по радиусу 1 3 мм. 1 ил.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к двигателям Стирлинга (ДС).

Известно нагревательное устройство (НУ) для ДС, выполненное в виде ряда тонкостенных трубок, одним концом соединенных с головкой цилиндра, а другим с регенератором и объединенных в верхней части нагревателя кольцевым сборником, трубки нагревателя и сборник собраны вокруг цилиндра. Тепло к рабочему телу, находящемуся в рабочем контуре и циркулирующему по нагревательным трубкам подводится газообразным или жидким теплоносителем, обтекающим трубки снаружи, т.е. конвективно, что не эффективно. Вместе с тем конструкция НУ сложная. В предлагаемом нагревательном устройстве ДС ряд трубок, собранный вокруг цилиндра и соединяющий регенератор с кольцевым сборником, охвачен кольцевым коллектором, образованным кожухом, замкнутым на кольцевой сборник и цилиндр, к коллектору через инжектор подводится газовоздушная смесь (ГВС), а с внутренней стороны ряда трубок, на выходе ГВС, расположен перфорированный цилиндр, внутри которого опускаются трубки, соединяющие кольцевой сборник с головкой цилиндра, при этом зазоры между "регенераторными" трубками выполнены из условия превышения скорости истечения ГВС над скоростью распространения пламени, а зазоры между "цилиндровыми" трубками и размеры перфорации наоборот, а расстояние между "регенераторными" трубками и перфорированным цилиндром составляет по радиусу 1-3 мм. На чертеже изображено схематически предлагаемое нагревательное устройство. На чертеже показаны цилиндр 1, регенератор 2, "регенераторные" трубки 3, кольцевой сборник 4, кольцевой коллектор 5, кожух 6, инжектор 7, ГВС 8, перфорированный цилиндр 9 и "цилиндровые" трубки 10. При зажигании газовоздушной смеси пламя, раскаляя "цилиндровый" ряд трубок и перфорированный цилиндр, проходит к "регенеративным" трубкам, в зазорах между которыми и продолжает находиться, образовывая полосы микрофакелов высотой 1-3 мм, поскольку скорость истечения ГВС через зазоры выше скорости распространения пламени, тем самым накаляя "регенераторные" трубки и перфорированный цилиндр, излучающий энергию на трубчатый нагреватель. Процесс подвода энергии таким образом состоит из конвекции и радиации, что значительно эффективнее. В то же время конструкция предлагаемого НУ проще, чем у известного устройства.

Формула изобретения

НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА, выполненное в виде ряда тонкостенных трубок, одним концом соединенных с головкой цилиндра, а другим с регенератором и объединенных в верхней части нагревателя кольцевым сборником, причем трубки нагревателя и кольцевой сборник собраны вокруг цилиндра, отличающееся тем, что ряд трубок, собранных вокруг цилиндра и соединяющих регенератор с кольцевым сборником, охвачен кольцевым коллектором, образованным кожухом, замкнутым на кольцевой сборник и цилиндр, к коллектору подключен инжектор для подачи газовоздушной смеси, с внутренней стороны ряда трубок на выходе газовоздушной смеси расположен перфорированный цилиндр, в который опускаются трубки, соединяющие кольцевой сборник с головкой цилиндра, при этом зазоры между "регенераторными" трубками выполнены из условия превышения скорости истечения газовоздушной смеси над скоростью распространения пламени, зазоры между "цилиндровыми" трубками и размеры перфорации наоборот, а расстояние между "регенераторными" трубками и перфорированным цилиндром составляет по радиусу 1 3 мм.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Похожие патенты:

Изобретение относится к двигателестроению, а именно к миниатюрным двигателям, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использовано в медицине для привода насоса крови, в автономных энергетических установках систем навигации и систем жизнеобеспечения в труднодоступных районах, на космических и подводных аппаратах, длительное время работающих без участия человека

Изобретение относится к области двигателестроения, а именно к двигателям, работающим по циклу Стирлинга, и может быть использовано в автономных установках систем навигации и систем жизнеобеспечения в труднодоступных районах, а также в аппаратах, длительное время находящихся под землей, в космическом пространстве и под водой

Изобретение относится к двигателестроению, в частности к топливной аппаратуре двигателей внешнего сгорания

Изобретение относится к системам для производства электроэнергии и тепла

Изобретение относится к машиностроению, а именно к двигателестроению и может быть использовано при создании двигателей Стирлинга

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к двигателям Стирлинга (ДС)

Изобретение относится к энергетике, а конкретнее к ДС (двигателям Стирлинга)

Изобретение относится к двигателестроению. Двигатель внешнего нагрева содержит систему управления с блоком управления, систему нагрева и охлаждения, цилиндр с торцовой и боковой стенками. Во внутренней полости цилиндра размещены рабочий и вытеснительный поршни, кинематически связанные с валом. Боковая стенка цилиндра выполнена пустотелой, содержащей между внутренней и внешней стенками полости нагрева и охлаждения. Полости нагрева и охлаждения соединены соответственно с входными и выходными трубопроводами систем нагрева и охлаждения. Система нагрева содержит трубопроводы низкого и высокого давления, насос и теплообменник нагрева. Около теплообменника нагрева установлен нагреватель. Система охлаждения содержит трубопроводы низкого и высокого давления, насос и теплообменник охлаждения. К теплообменнику охлаждения присоединены подводящий и отводящий трубопроводы. Двигатель содержит датчики температуры, установленные соответственно перед и после теплообменника нагрева и теплообменника охлаждения. Датчики температуры соединены электрическими связями с блоком управления. К валу присоединен электрогенератор. Выход электрогенератора соединен электрическими проводами с коммутатором. К коммутатору присоединен электродвигатель привода и аккумулятор. Изобретение направлено на увеличение надежности и экономичности двигателя. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к двигателям внешнего сгорания. Теплообменная часть двигателя Стирлинга представляет два цилиндра: горячий и холодный. Цилиндры выполнены с поршнями-вытеснителями равных диаметров и ходов поршней, противофазно движущимися, плотно подогнанными к цилиндрам. Цилиндры выполнены с общим рабочим пространством и уравновешенным действием рабочего давления на поршни-вытеснители. Изобретение направлено на повышение эффективности двигателя Стирлинга. 2 ил.

Изобретение относится к энергетике малых мощностей. Устройство для получения электроэнергии из тепла окружающей среды состоит из поршневого двигателя, трубопровода с регенератором, рабочего тела, генератора электрического тока, бака с трубчатым водораспределителем, капельно-пленочного оросителя, шаровых вентилей, литий-ионного аккумулятора, электронного блока управления и стартера. Устройство выполнено в виде двухцилиндрового двигателя Стирлинга, имеющего горячий цилиндр и холодный цилиндр. Головка горячего цилиндра соединена полыми трубками с нагревателем. Выход горячего цилиндра подключен к трубопроводу с установленным в нем регенератором. Внутри регенератора размещена проволочная матрица. Выход регенератора через трубопровод подключен к камере холодного цилиндра. Холодный цилиндр снабжен водоиспарительной системой охлаждения, состоящей из двух мини-градирен, бака, трубчатого водораспределителя с капельно-пленочным оросителем. Головка холодного цилиндра соединена через термоинтерфейс с блоком тепловых трубок, отводящих тепло от корпуса цилиндра с помощью радиатора-холодильника, постоянно смачиваемого водой в двух мини-градирнях. На горячий и холодный цилиндры установлены юстированные датчики давления и температуры. Техническим результатом является повышение экономичности и КПД. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

Нагревательное устройство двигателя стирлинга

www.findpatent.ru