Цикл Стирлинга — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Цикл Сти́рлинга — термодинамический цикл, описывающий рабочий процесс машины Стирлинга, запатентованной в 1816 г. шотландским изобретателем Робертом Стирлингом, приходским священником по профессии.
Помимо рабочего тела, нагревателя и холодильника абстрактная машина Стирлинга содержит ещё регенератор — устройство, отводящее тепло от рабочего тела на некоторых этапах цикла, и отдающее это тепло рабочему телу на других этапах. Идеальный цикл Стирлинга состоит из процессов:
T—V диаграмма идеального цикла Стирлинга с регенератором.- 1—2 изотермическое расширение рабочего тела с подводом тепла от нагревателя;
- 2—3 изохорный отвод тепла от рабочего тела к регенератору;
- 3—4 изотермическое сжатие рабочего тела с отводом тепла к холодильнику;
- 4—1 изохорический нагрев рабочего тела с подводом тепла от регенератора.
В расчёте на один моль рабочего тела тепло, подведённое за цикл от нагревателя (см. изотермический процесс) определяется выражением: Q1−2=RT1ln(V2/V1){\displaystyle Q_{1-2}=R\,T_{1}\,\ln(V_{2}/V_{1})} (здесь R{\displaystyle R} — универсальная газовая постоянная).
Тепло, отведённое за цикл к холодильнику: Q3−4=RT4ln(V2/V1){\displaystyle Q_{3-4}=R\,T_{4}\,\ln(V_{2}/V_{1})}.
Тепло, отдаваемое в процессе 2—3 регенератору и возвращаемое от него в процессе 4—1 равно: Q2−3=Q4−1=CV(T1−T4){\displaystyle Q_{2-3}=Q_{4-1}=C_{V}\,(T_{1}-T_{4})}. (здесь CV{\displaystyle C_{V}} — молярная теплоёмкость идеального газа при постоянном объёме) Это тепло сохраняется в системе, являясь частью её внутренней энергии, которая за цикл не изменяется. Регенератор, таким образом, позволяет экономить тепло, расходуемое нагревателем за счёт уменьшения тепла, отводимого к холодильнику, и, тем самым, повысить термодинамическую эффективность двигателя Стирлинга.
Термический коэффициент полезного действия идеального цикла Стирлинга равен: η=Q1−2−Q3−4Q1−2=T1−T4T1{\displaystyle \eta ={\frac {Q_{1-2}-Q_{3-4}}{Q_{1-2}}}={\frac {T_{1}-T_{4}}{T_{1}}}}. Таким же выражением определяется термический КПД цикла Карно.
Цикл, подобный циклу Стирлинга, но без регенератора, осуществим, хотя и менее эффективен. В изохорном процессе 2—3 такого цикла тепло отводится от рабочего тела непосредственно к холодильнику, а в процессе 4—1 — подводится от нагревателя. КПД такого цикла будет определяться выражением: η=Q1−2−Q3−4Q1−2+Q4−1{\displaystyle \eta ={\frac {Q_{1-2}-Q_{3-4}}{Q_{1-2}+Q_{4-1}}}}. Нетрудно видеть, что это выражение при ненулевом Q4−1{\displaystyle Q_{4-1}} и при тех же значениях Q1−2{\displaystyle Q_{1-2}} и Q3−4{\displaystyle Q_{3-4}}, что и в цикле с регенератором, имеет меньшую величину.
Пройденный в обратном направлении (4—3—2—1—4), цикл Стирлинга описывает холодильную машину. При этом направления передачи тепла Q4−3{\displaystyle Q_{4-3}},Q3−2{\displaystyle Q_{3-2}},Q2−1{\displaystyle Q_{2-1}} и Q1−4{\displaystyle Q_{1-4}} меняются на противоположные. Наличие регенератора является необходимым условием осуществимости холодильного цикла Стирлинга, поскольку согласно второму началу термодинамики в изохорном процессе (3—2) невозможно нагреть рабочее тело от холодильника, имеющего более низкую температуру, или передать тепло в процессе (1—4) от рабочего тела нагревателю, имеющему более высокую температуру.
Г. Уокер ДВИГАТЕЛИ СТИРЛИНГА Сокращенный перевод с английского Б. В. СУТУГИНА и Н. В. СУТУГИНА
Двигатель Стирлинга без поршней
Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла.
Двигатель Стирлинга – двигатель с внешним подводом тепла. Внешний подвод тепла – это очень удобно, когда есть необходимость использовать в качестве источника тепла не органические виды топлива. Например, можно использовать солнечную энергию, геотермальную энергию, бросовое тепло с различных предприятий.
Приятная особенность цикла Стирлинга – это то, что его КПД равен КПД цикла Карно [1]. Естественно у реальных двигателей Стирлинга эффективность ниже и зачастую намного. Двигатель Стирлинга начал своё существование с устройства, имеющего множество подвижных деталей, таких как поршни, шатуны, коленчатый вал, подшипники. К тому же еще и ротор генератора крутился (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Двигатель Стирлинга альфа типа
Посмотрите на двигатель Стирлинга Альфа типа. При вращении вала поршни начинают перегонять газ то из холодного в горячий цилиндр, то наоборот, из горячего в холодный. Но они не просто перегоняют, а ещё и сжимают и расширяют. Совершается термодинамический цикл. Можно мысленно представить на картинке, что когда вал повернётся так, что ось, на которую крепятся шатуны, окажется вверху, то это будет момент наибольшего сжатия газа, а когда внизу, то расширения. Правда это не совсем так из-за тепловых расширений и сжатий газа, но примерно всё же всё это так.
Сердцем двигателя является так называемое ядро, которое состоит из двух теплообменников – горячего и холодного и между ними находится регенератор. Теплообменники обычно делаются пластинчатыми, а регенератор – это чаще всего стопка, набранная из металлической сетки. Зачем нужны теплообменники понятно – нагревать и охлаждать газ, а зачем нужен регенератор? А регенератор – это настоящий тепловой аккумулятор. Когда горячий газ движется в холодную сторону, он нагревает регенератор и регенератор запасает тепловую энергию. Когда газ движется из холодной на горячую сторону, то холодный газ подогревается в регенераторе и таким образом это тепло, которое без регенератора бы безвозвратно ушло на нагрев окружающей среды, спасается. Так что, регенератор – крайне необходимая вещь. Хороший регенератор повышает КПД двигателя примерно в 3,6 раза.
Любителям, которые мечтают построить подобный двигатель самостоятельно, хочу рассказать подробнее про теплообменники. Большинство самодельных двигателей Стирлинга, из тех что я видел, вообще не имеют теплообменников (я про двигатели альфа типа). Теплообменниками являются сами поршни и цилиндры. Один цилиндр нагревается, другой охлаждается. При этом площадь теплообменной поверхности, контактирующей с газом совсем мала. Так что, есть возможность значительно увеличить мощность двигателя, поставив на входе в цилиндры теплообменники. И даже на рисунке 1 пламя направлено прямиком на цилиндр, что в заводских двигателях не совсем так.
Вернёмся к истории развития двигателей Стирлинга. Итак, пускай двигатель во многом хорош, но наличие маслосъёмных колец и подшипников снижало ресурс двигателя и инженеры напряжённо думали, как его улучшить, и придумали.
В 1969 году Вильям Бейл исследовал резонансные эффекты в работе двигателя и позже смог сделать двигатель, для которого не нужны ни шатуны ни коленчатый вал. Синхронизация поршней возникала из-за резонансных эффектов. Этот тип двигателей стал называться свободнопоршневым двигателем (Рисунок 2).
Рисунок 2 – Свободнопоршневой двигатель Стирлинга
На рисунке 2 показан свободнопоршневой двигатель бета типа. Здесь газ переходит из горячей области в холодную, и наоборот, благодаря вытеснителю (который движется свободно), а рабочий поршень совершает полезную работу. Вытеснитель и поршень совершают колебания на спиральных пружинах, которые можно видеть в правой части рисунка. Сложность в том, что их колебания должны быть с одинаковой частотой и с разностью фаз в 90 градусов и всё это благодаря резонансным эффектам. Сделать это довольно трудно.
Таким образом, количество деталей уменьшили, но при этом ужесточились требования к точности расчётов и изготовления. Но надёжность двигателя, несомненно, возросла, особенно в конструкциях, где в качестве вытеснителя и поршня применяются гибкие мембраны. В таком случае в двигателе вообще отсутствуют трущиеся детали. Электроэнергию, при желании, с такого двигателя можно снимать с помощью линейного генератора.
Но и этого инженерам оказалось не достаточно, и они начали искать способы избавиться не просто от трущихся деталей, а вообще от подвижных деталей. И они нашли такой способ.
В семидесятых годах 20-го века Петер Цеперли понял, что синусоидальные колебания давления и скорости газа в двигателе Стирлинга, а также тот факт, что эти колебания находятся в фазе, невероятно сильно напоминают колебания давления и скорости газа в бегущей звуковой волне (рис.3).
Рисунок 3 — График давления и скорости бегущей акустической волны, как функция времени. Показано, что колебания давления и скорости находятся в фазе.
Эта идея пришла Цеперли не случайно, так как до него было множество исследований в области термоакустики, например, ещё сам лорд Рэлей в 1884 качественно описал это явление.
Таким образом, он предложил вообще отказаться от поршней и вытеснителей, и использовать только лишь акустическую волну для контроля над давлением и движением газа. При этом получается двигатель без движущихся частей и теоретически способный достичь КПД цикла Стирлинга, а значит и Карно. В реальности лучшие показатели – 40-50 % от эффективности цикла Карно (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема термоакустического двигателя с бегущей волной
Можно видеть, что термоакустический двигатель с бегущей волной – это точно такое же ядро, состоящее из теплообменников и регенератора, только вместо поршней и шатунов здесь просто закольцованная труба, которая называется резонатором. Да как же работает этот двигатель, если в нём нет никаких движущихся частей? Как это возможно?
Для начала ответим на вопрос, откуда там берётся звук? И ответ – он возникает сам собой при возникновении достаточной для этого разницы температур между двумя теплообменниками. Градиент температуры в регенераторе позволяет усилить звуковые колебания, но только определённой длины волны, равной длине резонатора. С самого начала процесс выглядит так: при нагреве горячего теплообменника возникают микро шорохи, возможно даже потрескивания от тепловых деформаций, это неизбежно. Эти шорохи – это шум, имеющий широкий спектр частот. Из всего этого богатого спектра звуковых частот, двигатель начинает усиливать то звуковое колебание, длина волны которого, равна длине трубы – резонатора. И неважно насколько мало начальное колебание, оно будет усилено до максимально возможной величины. Максимальная громкость звука внутри двигателя наступает тогда, когда мощность усиления звука с помощью теплообменников равна мощности потерь, то есть мощности затухания звуковых колебаний. И эта максимальная величина порой достигает огромных величин в 160 дБ. Так что внутри подобного двигателя действительно громко. К счастью, звук наружу выйти не может, так как резонатор герметичен и по этому, стоя рядом с работающим двигателем, его еле слышно.
Усиление определённой частоты звука происходит благодаря всё тому же термодинамическому циклу – циклу Стирлинга, который осуществляется в регенераторе.
Рисунок 5 – Стадии цикла грубо и упрощённо.
Как я уже писал, в термоакустическом двигателе вообще нет движущихся частей, он генерирует только акустическую волну внутри себя, но, к сожалению, без движущихся частей снять с двигателя электроэнергию невозможно.
Обычно добывают энергию из термоакустических двигателей с помощью линейных генераторов. Упругая мембрана колеблется под напором звуковой волны высокой интенсивности. Внутри медной катушки с сердечником, вибрируют закрепленные на мембране магниты. Вырабатывается электроэнергия.
В 2014 году Kees de Blok, Pawel Owczarek и Maurice Francois из предприятия Aster Thermoacoustics показали, что для преобразования энергии звуковой волны в электроэнергию, годится двунаправленная импульсная турбина, подключенная к генератору.
Рисунок 6 – Схема импульсной турбины
Импульсная турбина крутится в одну и ту же сторону вне зависимости от направления потока. На рисунке 6 схематично изображены лопатки статора по бокам и лопатки ротора посередине.
А так турбина выглядит у них в реальности:
Рисунок 7 – Внешний вид двунаправленной импульсной турбины
Ожидается, что применение турбины вместо линейного генератора сильно удешевит конструкцию и позволит увеличить мощность устройства вплоть до мощностей типичных ТЭЦ, что невозможно с линейными генераторами. опубликовано econet.ru
P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление — мы вместе изменяем мир! © econet
Стирлинг, Роберт — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
У этого термина существуют и другие значения, см. Стерлинг.Ро́берт Сти́рлинг (англ. Robert Stirling) (25 октября 1790, Клог Фарм, Шотландия — 6 июня 1878, Галстон, Шотландия) — шотландский священник, изобретатель двигателя Стирлинга.
Стирлинг родился в Клог Фарме недалеко от Метвена, Шотландия. Он был третьим ребёнком в семье, а всего детей было восемь. От отца он унаследовал интерес к конструированию техники, но изучал богословие и стал священником Шотландской Церкви в местечке Лайф Кирк в 1816 году.
В 1819 году Стирлинг вступил в брак с Джиной Рэнкин. У них было семеро детей, двое из них: Патрик Стирлинг и Джеймс Стирлинг стали инженерами по паровозостроению.
Стирлинг умер в Галстоне, Шотландия в 1878 году.
Тепловой двигатель[править | править код]
Стирлинг был весьма обеспокоен травматизмом рабочих, работающих в его приходе с паровыми двигателями. Эти двигатели часто взрывались из-за низкого качества металла, из которого они изготавливались. Более прочного материала в те годы не существовало. Стирлинг решил усовершенствовать конструкцию теплового двигателя сделав его более безопасным.
Стирлинг придумал устройство, которое он назвал «эконом тепла» (сейчас такое устройство называют регенератором или теплообменником). Это устройство служит для повышения тепловой эффективности различных процессов. Стирлинг получил патент на двигатель с «экономом тепла» в 1816 году. Двигатель Стирлинга не может взорваться, потому что работает при более низком давлении, чем паровая машина, и не может причинить ожоги паром. В 1818 он построил первый практичный вариант своего двигателя и использовал его в насосе для откачки воды из карьера.
Теоретических основ работы двигателя Стирлинга — цикл Стирлинга — не существовало до тех пор, пока не появились работы Сади Карно. Карно разработал и опубликовал в 1825 году общую теорию работы тепловых двигателей — Цикл Карно, из которой цикл Стирлинга строится аналогичным образом.
В дальнейшем Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом получил ещё несколько патентов на усовершенствование воздушного двигателя. А в 1840 году Джеймс построил большой воздушный двигатель для привода всех механизмов в своей литейной компании.
Оптические инструменты[править | править код]
Проживая в Килмарноке, Стирлинг сотрудничал с другим изобретателем — Томасом Мортоном, который предоставлял Стирлингу всё своё оборудование и инструменты для проведения опытов. Они оба интересовались астрономией. У Мортона Стирлинг научился шлифовать линзы, после чего изобрел ряд оптических приборов.
Бессемеровский процесс[править | править код]
В письме от 1876 года Роберт Стирлинг признал важность нового изобретения Генри Бессемера — бессемеровский процесс производства стали, который сделал паровые двигатели безопаснее, а они, в свою очередь, угрожали сделать воздушный двигатель анахронизмом. Вместе с тем он также выразил надежду, что новая сталь позволит повысить эффективность и его воздушных двигателей.
Обсуждение:Двигатель Стирлинга — Википедия
Посторался резюмировать всё что нашёл по поводу двигателя Стирлинга, но пока не закончил. Ещё буду добалять и редактировать материал. — Rarus
Карбюрато и двигатель стирлинга[править код]
Не стоит указывать на отсутствие карбюратора. Т.к.: 1) Карбюраторы давно не используются на ДВС; 2) В любом случае некая система питания для двигателя Стирлинга необходима. Будет ли это некая модификация карбюратора, системы впрыска или просто печка-буржуйка, тем не менее необходимо обеспечивать двигатель топливом.82.209.206.1 10:54, 3 августа 2009 (UTC)
Я удивляюсь Википедии: иногда ради сомнительной истины администраторы и модераторы убивают чуть ли не 2/3 статьи, а как в данном случае допускаю сомнительную ссылку на непонятно что, отдаленно напоминающее двигатель, и тем более Стирлинга. Давайте дискутировать — эта ссылка не нужна, по моему мнению. Поэтому я ее и убираю. Спасибо
По-моему, источник на информацию от том, что двигатель не нуждается в стартере не нужен. Ибо это Капитан Очевидность подсказывает…—FCR 15:34, 25 января 2010 (UTC)
- Вообще-то «Кэп приходит на помощь, когда разъясняются очевидные вещи, навроде почему 2+2=4, а не происходит объяснение ботанам сотен матана». Именно так говорится сами-знаете-где. И отстутствие стартера у стирлинга — это очевидная вещь для кого, для кандидата технических наук или нашего читателя?—Urutseg 13:05, 17 декабря 2010 (UTC)
Согласен с тем, что и данный двигатель нуждается в системе питания (хоть и может работать от природного тепла)но встаёт законный вопрос — какой вид использовать? 94.243.48.104 13:58, 13 марта 2010 (UTC)
- Описать устройство регенератора конструкции Стирлинга. Из дальнейшей статьи оно не становится понятным.
- Описать конструкцию стирлинг-насоса для перекачки жидкостей.
- я с удивлением обнаружил, что известные мне устройства отсутствуют в патентных документах. Вроде бы и просто, но… (abah 20:11, 17 декабря 2010 (UTC))
- В разделе «тепловые насосы» непонятно устройство теплового насоса «стирлинг-стирлинг», в котором отсутствуют рабочие поршни. Также нужно описание конструкции.
- в книге Уокера изображённая конструкция теплового насоса неработоспособна. Я знаю, как её следует доработать, но следует выяснить, известно ли об этом остальному миру. (abah 20:11, 17 декабря 2010 (UTC))
- В этом же разделе ( «тепловые насосы» ), в самом конце есть фраза о прекращении исследований в этом направлении. Совершенно непонятно почему. Из содержания самого раздела складывается впечатление, что это наоборот перспективное направление. 89.23.187.139 07:20, 22 июня 2011 (UTC)
Tucvbif?* 17:39, 28 августа 2010 (UTC)
- Правьте смело, это добровольный проект, каждый делает только то что ему интересно. goga312 16:47, 18 сентября 2010 (UTC)
«Стирлинг» для перекачки жидкостей может быть гораздо проще привычной схемы «двигатель-насос». В двигателе Стирлинга вместо рабочего поршня может использоваться перекачиваемая жидкость, которая одновременно служит для охлаждения рабочего тела.
Всё это очень интересно, но есть ли ссылка на описание конструкции?
Eugepros 16:36, 24 августа 2011 (UTC)
Интересуют есть ли патенты на двигатель Стирлинга, механизмы на основе двигателя Стирлинга. Кто держатели? 217.117.64.234 21:00, 4 ноября 2011 (UTC)
Участник:Важнов Алексей Геннадьевич, на каком основании вы отменяете ссылку Physicstoys.narod.ru? —178.64.44.168 10:30, 27 ноября 2011 (UTC)
- Потому что это магазин. Читайте Википедия:Внешние ссылки. —LeNiN 10:46, 27 ноября 2011 (UTC)
- Читайте Википедия:Внешние ссылки#Неприемлемые ссылки:
3. Ссылки, размещение которых имеет своей основной целью продвижение того или иного вебсайта; ссылки на коммерческие сайты (основная функция которых — продажа товаров или услуг) и сайты с недопустимо большим объёмом рекламы — то есть всё, что попадает под определение «спам».
Основной функцией данного сайта не является «продажа товаров или услуг». Это наиболее информативный сайт о двигателе Стирлинга. —178.64.44.168 10:53, 27 ноября 2011 (UTC)
В то же время, следует иметь в виду, что Википедия — энциклопедия, а не каталог ссылок. В задачи Википедии не входит представление исчерпывающего перечня внешних ссылок по той или иной теме, поэтому включение в статью каждой внешней ссылки должно быть хорошо обосновано.
—LeNiN 13:38, 27 ноября 2011 (UTC)
- Внешних ссылок здесь не так много, чтобы говорить об их исчерпывающем перечне, а качество и объём материала, предоставляемого на сайте Physicstoys.narod.ru, не вызывает сомнений в его пользе в качестве источника информации по теме статьи. —178.64.44.168 14:42, 27 ноября 2011 (UTC)
В преимуществах указано: «Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит.» Может, ошибаюсь, но не видел ни одного бесшумного или даже относительно тихого стирлинга. Может, стоит указать АИ? 202.179.31.242 02:43, 27 января 2012 (UTC)
- Но суть та Вам понятна? Стирлингу не нужно быстрого\детонационного горения топлива, даже не нужно клапанов работающих в импульсном режиме. Знай подводи и отводи тепло, да и снимай полезную мощность. Конечно лучше переформулировать предложение более точно. Переформулируйте, если сможете.—Reinstall✉ 23:29, 28 января 2012 (UTC)
В ещё одном пункте: «Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.» Про простой преобразователь — всё верно, а про сферу применения паровых машин — в корне неверное утверждение! При кипении жидкости теплопередача от стенок котла больше на порядки, чем передача тепла от стенок газу. Так что паровая машина как раз наиболее эффективна при малых разницах температур. А в солнечной энергетике можно получить разницу в 200 и более градусов. Возникающего давления не выдержит сама машина. Поэтому и применяют стирлинг, а не паровик! abah 95.133.59.25 12:05, 7 октября 2014 (UTC)
Измените уравнение состояния ид. газа.[править код]
Оно дано в каких-то плохих обозначениях. Малую букву n в МКТ обозначают за концентрацию молекул, но ни в коем случае не количество вещества. Его принято обозначать греческой буквой ν [ню]. Я не думаю, что какой-то автор статей вправе изменять многовековую практику обозначений. Более того, прочитав статью, увидев эту формулу, я ужаснулся… Короче, правьте.
—79.141.229.63 19:22, 17 февраля 2013 (UTC)
Сайт струйки.нет («своими руками») — не работает!
Регенератор, рекуператор или очиститель?[править код]
Зачем заменили слово «рекуператор» на «очиститель»? Слово «рекуператор», как и сходный по смыслу «регенератор», имеет устоявшееся применение в технической литературе. «Очиститель» — тоже. Причём, этот традиционный смысл не имеет ничего общего с «очистителем» Стирлинга. Верните, пожалуйста, прежнее слово, а то кто-нибудь подумает, что речь идёт о воздушном фильтре. 94.179.49.13 19:05, 13 июня 2014 (UTC)