Po pierwsze, nazwisko Stirling jest dość powszechne zarówno w Anglii, jak i Szkocji. To znaczy, jeśli istnieje zamek Stirling, to dlaczego nie „pan Stirling”? I właśnie taka osoba – szkocki ksiądz Robert Stirling, 27 września 1816 roku, otrzymał brytyjski patent na silnik, który z parowozem nie miał nic wspólnego! Co więcej, silnik nazwany jego imieniem okazał się wyjątkowy, ponieważ mógł pracować z dowolnego źródła ciepła!
Roberta Stirlinga.
W 1843 roku jego syn James Stirling użył silnika ojca w fabryce, w której pracował jako inżynier. Otóż już w 1938 roku powstały stiirlingi o mocy do 200 KM. i sprawność 30 proc.
Zasada działania tego silnika polega na naprzemiennym podgrzewaniu i chłodzeniu płynu roboczego w całkowicie zamkniętym cylindrze. Zwykle czynnikiem roboczym jest powietrze, ale można stosować wodór i hel, a także freony, dwutlenek azotu, skroplony propan-butan, a nawet wodę. Ponadto pozostaje płynny przez cały cykl termodynamiczny. Oznacza to, że konstrukcja silnika jest niezwykle prosta i wykorzystuje dobrze znaną właściwość gazów: ich objętość wzrasta z ogrzewania, a z chłodzenia maleje.
Jeden z wielu domowych szterlingów.
Silnik Stirlinga wykorzystuje… „obieg Stirlinga”, który pod względem sprawności termodynamicznej nie tylko nie jest gorszy od cyklu Carnota, ale ma nawet pewne zalety. W każdym razie jest to „cykl Stirlinga”, który pozwala uzyskać działający silnik ze zwykłej puszki w ciągu zaledwie kilku godzin.
Beta Stirlinga.
Sam „cykl Stirlinga” obejmuje cztery główne fazy i dwie przejściowe: ogrzewanie, rozprężanie, przejście na źródło zimna, chłodzenie, kompresję i przejście na źródło ciepła. Cóż, otrzymujemy pożyteczną pracę w procesie zwiększania objętości ogrzanego gazu.
Faza 1.
Faza 2.
Faza 3.
Faza 4.
Cykl pracy silnika Stirlinga typu beta: a - tłok wyporowy; b - tłok roboczy; c - koło zamachowe; d - ogień (powierzchnia grzewcza); e - żebra chłodzące (obszar chłodzenia).
Działa to tak: są dwa cylindry i dwa tłoki. Zewnętrzne źródło ciepła – a może nim być nawet spalanie drewna, nawet palnik gazowy, nawet światło słoneczne – podnosi temperaturę gazu w dolnej części wymiennika ciepła. Powstaje ciśnienie, które wypycha tłok roboczy do góry, a tłok wyporowy nie przylega ciasno do ścianek cylindra. Co więcej, koło zamachowe, przewijanie, popycha je w dół.
Schemat Stirlinga z puszki.
W takim przypadku do komory chłodzącej dostaje się gorące powietrze z dna cylindra. W komorze roboczej jednak ochładza się i kurczy, a następnie tłok roboczy pędzi w dół. Tłok wyporowy porusza się w górę, a tym samym schłodzone powietrze przesuwa się w dół. W ten sposób cykl się powtarza. W Stirlingu ruch tłoka roboczego jest przesunięty o 90 ° w stosunku do tłoka wyporowego.
Zdjęcie stirlinga z puszki.
Z biegiem czasu pojawiło się wiele różnych wzorów „stylizacji”, nazwanych na cześć liter alfabetu greckiego: alfa, beta, gamma, które różnią się cyklem pracy. Zasadnicze różnice między nimi są niewielkie i sprowadzają się do rozmieszczenia cylindrów i wielkości tłoków.
Silnik Stirlinga z alternatorem liniowym.
Alpha Stirling ma dwa oddzielne tłoki mocy w różnych cylindrach: gorącym i zimnym. Cylinder z gorącym tłokiem znajduje się w wymienniku ciepła, który ma wyższą temperaturę, a cylinder z zimnym tłokiem odpowiednio w chłodniejszym. Regenerator (tj. wymiennik ciepła) znajduje się pomiędzy częścią gorącą a częścią zimną.
Beta Stirling ma tylko jeden cylinder, gorący na jednym końcu i zimny na drugim. Tłok porusza się wewnątrz cylindra (z którego pobierana jest moc) oraz wypornika, który zmienia objętość jego gorącej strefy. Gaz jest pompowany do gorącego końca butli z zimnego końca butli przez regenerator.
Gamma Stirling ma również tłok i wypornik oraz dwa cylindry - zimny (gdzie porusza się tłok, z którego usuwana jest moc) i gorący (gdzie odpowiednio porusza się wypornik). Regenerator jest zewnętrzny, w tym przypadku łączy gorącą część drugiego cylindra z zimną i jednocześnie z pierwszym (zimnym) cylindrem. Wewnętrzny regenerator w tym przypadku jest częścią wypieracza.
Istnieją odmiany silnika Stirlinga, które nie mieszczą się w tych trzech klasycznych typach: na przykład obrotowy silnik Stirlinga, w którym rozwiązywane są problemy z wyciekami i nie ma mechanizmu korbowego, ponieważ jest obrotowy.
Co jest dobrego w stirlingach i dlaczego są złe? Przede wszystkim są wszystkożerne i potrafią wykorzystywać każdą różnicę temperatur, w tym między różnymi warstwami wody w oceanie. Spalanie w nich ma charakter ciągły, co zapewnia efektywne spalanie paliwa, co oznacza, że jest ono bardziej przyjazne dla środowiska. Co więcej, nie ma wydechu. Mniejszy poziom hałasu - brak "wybuchów" w cylindrach. Mniej wibracji, na przykład dzięki mieszaniu beta. Płyn roboczy nie jest zużywany podczas stylizacji. Konstrukcja silnika jest niezwykle prosta, nie wymaga mechanizmów dystrybucji gazu. Nie jest potrzebny rozrusznik, tak jak nie jest potrzebna skrzynia biegów.
Prostota i brak wielu „delikatnych” węzłów zapewnia „stirlingowi” niespotykaną wydajność dla wszystkich innych silników w dziesiątkach i setkach tysięcy godzin ciągłej pracy.
Szwedzka łódź podwodna „Gotland”.
Stirlings są bardzo ekonomiczne. Zatem zamiana energii słonecznej na energię elektryczną za pomocą stirlinga daje wyższą sprawność (do 31,25%) niż silniki cieplne pracujące na parze. W tym celu „stylizacja” jest ustawiona w centrum lustra parabolicznego, które „podąża” za słońcem, dzięki czemu jego cylinder jest stale nagrzewany. To na takiej instalacji w Kalifornii powyższy wynik uzyskano w 2008 roku, a obecnie na Stirlings trwa budowa dużej stacji solarnej. Można przymocować je do płaszcza wielkich pieców i wtedy ciągłe wytapianie surówki da nam dużo… taniej energii, bo teraz to ciepło się marnuje!
Ogólnie rzecz biorąc, stylizacja ma tylko jedną wadę. Może się przegrzać i wtedy natychmiast zawiedzie. Dodatkowo, aby osiągnąć wysoką sprawność, gaz musi znajdować się w butli pod bardzo wysokim ciśnieniem. Wodór lub hel. A to wyjątkowa precyzja spasowania wszystkich jego zespołów roboczych oraz specjalny smar wysokotemperaturowy. No i wymiary… komora spalania nie jest potrzebna. Stirling nie może bez niej żyć! A to dodatkowa objętość i system izolacji i chłodzenia!
Soryu to japońska łódź podwodna napędzana silnikami Stirlinga.
Jednak zmiana priorytetów prawdopodobnie utoruje drogę dla silników Stirlinga. Jeśli na pierwszym miejscu postawimy przyjazność dla środowiska, z silnikiem spalinowym będzie można pożegnać się raz na zawsze. Ponadto wiąże się z nimi wielkie nadzieje na stworzenie obiecujących elektrowni słonecznych. Są już wykorzystywane jako autonomiczne generatory dla turystów. Niektóre przedsiębiorstwa ustanowiły produkcję szterlingów, które działają z konwencjonalnego palnika gazowego. NASA rozważa również opcje dla generatorów mocy opartych na Stirling, zasilanych jądrowymi i radioizotopowymi źródłami ciepła. W szczególności planowane jest wykorzystanie takiej stylizacji w połączeniu z generatorem elektrycznym w planowanej przez NASA wyprawie kosmicznej na Tytana.
"Ja miot" - układ.
Ciekawe, że jeśli uruchomisz silnik Stirlinga w trybie odwrotnym, czyli obrócisz koło zamachowe z innego silnika, to będzie działać jako maszyna chłodnicza (odwrócony cykl Stirlinga) i to właśnie te maszyny okazały się bardzo skuteczne do produkcji gazów skroplonych.
Cóż, teraz, ponieważ mamy teren wojskowy, zauważamy, że Stirlingi były testowane na szwedzkich okrętach podwodnych w latach 60. ubiegłego wieku. A potem w 1988 roku Stirlingi stały się głównym silnikiem okrętu podwodnego klasy Nakken. Z nimi pływał pod wodą przez ponad 10 000 godzin. Po „Nakken” pojawiły się seryjne okręty podwodne typu „Gotland”, które stały się pierwszymi okrętami podwodnymi wyposażonymi w silniki Stirlinga, które pozwalają im przebywać pod wodą do 20 dni. Dziś wszystkie okręty podwodne szwedzkiej marynarki wojennej mają silniki stirlinga, a szwedzcy stoczniowcy opracowali oryginalną technologię instalowania takich silników na konwencjonalnych okrętach podwodnych, wycinając w nich dodatkowy przedział z nowym układem napędowym. Działają na ciekły tlen, który jest następnie używany w łodzi do oddychania, i zauważono, że mają bardzo niski poziom hałasu. Cóż, wyżej wymienione niedociągnięcia (problem z rozmiarami i chłodzeniem) okrętu podwodnego nie są znaczące. Przykład Szwedów wydawał się Japończykom godny uwagi, a teraz Stirlingi znajdują się również na japońskich okrętach podwodnych klasy „Soryu”. To właśnie te silniki są dziś uważane za najbardziej obiecujące silniki jednomodowe we wszystkich trybach dla okrętów podwodnych piątej generacji.
I tak wygląda stylizacja studenta Penza State University Nikolai Shevelev.
Cóż, teraz trochę o tym, jakiego rodzaju… „złą młodość” mamy. 1 września przychodzę do studentów - przyszłych inżynierów maszynowych, zadaję im tradycyjne pytania, co czytają (praktycznie nic!), co lubią (z tym sytuacja nie jest dużo lepsza, ale głównie nogi są zajęte, nie szef!), Jakie są znane czasopisma techniczne - „Młody technik”, „Modelarz”, „Nauka i technika”, „Popularna mechanika”… (brak!), a potem jeden uczeń mówi mi, że jest lubi silniki. Jeden na 20, ale to już coś! A potem mówi mi, że sam wykonał silnik Stirlinga. Wiem jak zrobić taki silnik ze zwykłej puszki, ale potem okazało się, że zrobił coś znacznie efektywniejszego. Mówię: „Przynieś to!” - i przyniósł. "Opisz, jak to zrobiłeś!" - i opisał, a jego "esej" tak mi się spodobał, że przedstawiam go tutaj bez żadnych zmian i skrótów.
Początek pracy to „kreatywny chaos”.
„Zawsze lubiłem tę technologię, ale przede wszystkim silniki. Z dużym zainteresowaniem zajmuję się konserwacją, naprawą i personalizacją. Dowiedziawszy się o silniku Stirlinga, byłem nim zafascynowany jak żaden inny silnik. Świat stylizacji jest tak różnorodny i duży, że po prostu niemożliwe jest opisanie wszystkich możliwych opcji jego wykonania. Żaden inny silnik nie zapewni takiej różnorodności pod względem wzornictwa, a co najważniejsze, możliwości samodzielnego wykonania.
Miałem pomysły na zrobienie modelu silnika z puszki i innych improwizowanych środków, ale nie było w moich przepisach robić „jakkolwiek i z tego, co dostało”. Dlatego postanowiłem potraktować to zadanie poważnie, zacząć od przygotowania teoretycznego. Studiowałem literaturę w Internecie, ale wyszukiwanie nie przyniosło pożądanego rezultatu: recenzje artykułów i filmów, brak rysunków do modeli tego silnika. Gotowe modele zostały sprzedane po zbyt wysokiej cenie. Ponadto wielkie pragnienie, aby wszystko zrobić samemu, zrozumieć zasadę działania, debugować i przeprowadzać testy, uzyskać użyteczną pracę z tego silnika, a nawet spróbować znaleźć jego zastosowanie w gospodarce.
„Toczenie biznesu!” (Sprytny uczeń sfilmował na pamiątkę cały proces pracy. Obecny, obywatel, dokumentalny dowód fotograficzny… i oto one!)
Pytałem na forach, a oni dzielili się ze mną literaturą. Była to książka „Silniki Stirlinga” (Autorzy: G. Ryder i C. Hooper). Odzwierciedlało całą historię tego typu budowy silników, dlaczego zatrzymał się szybki rozwój i gdzie te silniki są nadal używane. Z książki poznałem bardziej szczegółowo wszystkie procesy zachodzące w silniku, znalazłem odpowiedzi na interesujące mnie pytania. Ciekawie się czytało, ale chciałem poćwiczyć. Oczywiście nie było rysunków modeli garażowych, a także w Internecie, no oczywiście, z wyjątkiem modelu z puszki i gumy piankowej.
Ku mojemu wielkiemu szczęściu osoba, która sprzedawała modele do stylizacji wysłała kurs robienia takich modeli, wystawił go wtedy za 20$, napisałem do niego i zapłaciłem za kurs. Po obejrzeniu wszystkich filmów, w których wyjaśniał pewien rodzaj stylizacji, postanowiłem zrobić dokładnie stylizację wysokotemperaturową typu gamma. Ponieważ zainteresował mnie swoim designem, cechami i wyglądem. Z kursu wideo nauczyłem się przybliżonego stosunku średnicy cylindra, średnic tłoków, jakie powinny być luzy, chropowatość, jakich materiałów użyć do produkcji, niektórych niuansów konstrukcyjnych. Ale nigdzie nie były dostępne rozmiary silników autora, tylko w przybliżeniu stosunek rozmiarów węzłów.
Sam mieszkam na wsi, można powiedzieć na przedmieściach, moja mama jest księgową, a ojciec stolarzem, więc jakoś nie wypadało zwracać się do nich o radę w sprawie budowy silnika. I zwróciłem się o pomoc do mojego sąsiada, Giennadija Walentinowicza, który pracował w zawalonym już zakładzie KZTM w Kuzniecku.
Generalnie następnego dnia Giennadij Walentynowicz przywiózł mi aluminiowy blank o długości około 1 mi średnicy około 50 mm. Byłem bardzo szczęśliwy, odpiłowałem potrzebne mi blanki, a następnego dnia poszedłem do szkoły, aby spróbować naostrzyć grzałkę i lodówkę do mojego silnika spalinowego. Ostrzyłem na tokarce treningowej (na której pracował dziadek Lenin).
Oczywiście nie było tam dokładności, zewnętrzna część grzałki okazała się całkiem niezła, ale sama część cylindryczna pod tłokiem była na stożku. Trudovik wyjaśnił mi, że wytaczarka wygina się, ponieważ maszyna do takich rzeczy jest raczej mała i słaba. Powstało pytanie, co dalej… Miałam szczęście, że moja mama pracowała wówczas jako księgowa w prywatnym przedsiębiorstwie, które było dawnym zakładem naprawy samochodów. Valery Aleksandrovich (dyrektor tego zakładu) okazał się wspaniałą osobą i bardzo mi pomógł, dostałem już profesjonalną radziecką maszynę i tokarza, który mi pomógł. Sprawy potoczyły się fajniej i dosłownie tydzień później prawie wszystko było gotowe, rozpoczął się montaż silnika. W konstrukcji były ciekawe momenty, na przykład: wał, na którym wciśnięto koło zamachowe, został przekazany do warsztatu mechaniki precyzyjnej w innym zakładzie (w celu uzyskania niezbędnej dokładności dla łożysk); lodówka została naostrzona na tokarce, a miejsca na elementy złączne wykonano frezarką, koło zamachowe oszlifowano na szlifierce. To było dla mnie bardzo interesujące i ekscytujące. Pracownicy fabryki myśleli, że jestem studentem i piszę jakąś pracę naukową. Siedziałem w fabryce do późnego wieczora i przywieźli mnie do domu oficjalnym samochodem Walerego Aleksandrowicza. Silnik został uruchomiony w dużym gronie pracowników fabryki, wszyscy byli bardzo zainteresowani. Premiera przebiegła pomyślnie, ale silnik pracował słabo.
Wynik wieńczy transakcję! Narożnik stoiska został spalony podczas testów.
Ujawniono niedociągnięcia, plastikowe zawiasy zastąpiono fluoroplastycznymi, koło zamachowe zostało rozjaśnione i wyważone, tłok otrzymał fluoroplastyczne mocowanie w celu mniejszego przenoszenia ciepła, a lodówka zyskała większą powierzchnię chłodzenia. Po dopracowaniu silnik znacznie poprawił swoje osiągi techniczne.
Sam byłem zachwycony. Kiedy przyjaciele przychodzą do mojego domu, pierwszą rzeczą, jaką robią, jest podchodzenie do niego i proszenie go, aby zaczął. Giennadij Valentinovich pojechał, aby pokazać stylizację swojej pracy, wszyscy byli bardzo zainteresowani, nawet nie musieli do kogoś dzwonić, wszyscy podchodzili, patrzyli i interesowali się”.
Młody człowiek nazywa się Nikołaj Szevelev i jest szefem grupy. Zaprowadziłem go do dziekana i porozmawialiśmy we trójkę bardzo dobrze. A potem przypomniałem sobie statystyki, że tylko 2% światowej populacji wystarczy, aby ludzkość postępowała na drodze postępu naukowego i technologicznego. Policzyłem całkowitą liczbę uczniów i zdałem sobie sprawę, że… nie ma się czym martwić. Z ludźmi takimi jak Nikołaj postęp nadal będzie dla nas gwarantowany!