Kas yra Stirlingo variklis? Kaip veikia Stirlingo variklis?

Kas yra Stirlingo variklis? Kaip veikia Stirlingo variklis? Kaip buvo atrastas Stirlingo variklis? Kokiose srityse jis naudojamas? Kaip šilumos energija paverčiama judėjimo energija? Išsamią informaciją apie Stirlingo variklius rasite mūsų straipsnyje.

Kas yra Stirlingo variklis?

Stirlingo variklis yra mašina, kuri energiją, susidariusią kaitinant uždarą kamerą, paverčia mechanine energija. Taip pat žinomas kaip karšto oro variklis. Kai šildomas oras plečiasi ir susispaudžia, variklis pradeda judėti. Jį 1816 m. išrado škotų kunigas, gerbiamas Robertas Stirlingas. Variklį sukūrė jo brolis Jamesas Stirlingas. Išradėjų laikais buvo naudojamos garu varomos mašinos ir jos buvo gana pavojingos. Jie nusprendė rasti patikimesnę alternatyvą. Jie norėjo šilumos energiją tiesiogiai paversti judėjimo energija.

Kas yra Stirlingo variklyje?

• Maitinimo stūmoklis (dūmoklis): Jis skirtas dujoms judėti uždaroje kameroje. Paprastai jis naudojamas beta ir alfa tipo varikliuose.
• Stūmoklis: Jis padeda paversti šilumos energiją mechanine energija, judėdamas variklio cilindruose.
• Smagratis: Tai konstrukcija, prie kurios tvirtinami stūmokliai. Šios konstrukcijos užduotis yra perduoti susidariusią mechaninę energiją judančioms dalims.
• Aušintuvas: Tai padeda atvėsti dujas uždaroje kameroje. Tai padeda varikliui naudoti ilgesnį laiką.
• Šildytuvas: Tai pati svarbiausia variklio dalis. Jis naudojamas dujoms šildyti uždaroje kameroje, kad šilumos energija būtų paversta judėjimo energija.

Be to, kai kurių tipų varikliams jis gali būti naudojamas su kitais komponentais, išskyrus šiuos. Tai visiškai priklauso nuo kūrėjų nuožiūra.

Stirlingo variklio veikimo principas

Stirlingo variklis veikia pakartotinai kaitinant ir aušinant izoliuotą darbinių dujų kiekį (dažniausiai oro arba dujų, tokių kaip helis, vandenilis).

Dujos elgiasi pagal dujų dėsnius (santykį su slėgiu, temperatūra ir tūriu). Kai dujos yra šildomos, kadangi jos yra izoliuotoje erdvėje, jų slėgis pakyla ir veikia jėgos stūmoklį, sukuriant galios taktą. Kai dujos atšaldomos, slėgis krenta ir dėl to stūmoklis naudoja dalį darbo, atliekamo grįžtant eigą, kad dujos iš naujo suspaustų. Gautas tinklo darbas sukuria jėgą ant veleno. Darbinės dujos periodiškai teka tarp karšto ir šalto šilumokaičių. Darbinės dujos yra sandariai uždarytos stūmokliniuose cilindruose. Taigi išmetamųjų dujų čia nėra. Skirtingai nuo kitų tipų stūmoklinių variklių, vožtuvai nereikalingi.

Kai kurie Stirlingo varikliai naudoja skirstytuvą, kad darbinės dujos judėtų pirmyn ir atgal tarp šalto ir karšto bakų. Dėl kelių cilindrų galios stūmoklių sujungimo darbinės dujos juda palaikant balionus skirtingomis temperatūromis.

Tikruose Stirlingo varikliuose tarp bakų dedamas regeneratorius. Ši šiluma perduodama iš regeneratoriaus, kai dujų ciklas vyksta tarp karštosios ir šaltosios pusės. Kai kuriose konstrukcijose separatoriaus stūmoklis yra pats regeneratorius. Šis regeneratorius prisideda prie Stirlingo ciklo efektyvumo. Konstrukcija, čia vadinama regeneratoriumi, iš tikrųjų yra tvirta konstrukcija, kuri netrukdys pro ją praeiti šiek tiek oro. Pavyzdžiui, šiam darbui gali būti naudojami plieniniai rutuliai. Kai oras juda iš šaltos patalpos į šiltą kambarį, jis praeina per šį regeneratorių. Kai karštas oras pasiekia šaltąją dalį, jis palieka šiek tiek šilumos energijos ant šių kamuoliukų. Kai šaltas oras pereina į karštąją pusę, jis šiek tiek sušyla prieš tai išleista šilumos energija. Kitaip tariant, jis padidina variklio efektyvumą iš anksto pakaitindamas orą prieš patenkant į karštą dalį ir iš anksto aušinant prieš patenkant į šaltą.

Idealus Stirlingo variklio ciklas turi tokį patį teorinį efektyvumą kaip ir Carnot šiluminio variklio, esant tokiai pačiai įleidimo ir išleidimo temperatūrai. Jo termodinaminis efektyvumas yra didesnis nei garo variklių. (arba kai kurie paprasti vidaus degimo ir dyzeliniai varikliai)

Stirlingo variklį gali maitinti bet koks šilumos šaltinis. Išorinio degimo variklis, degimas posakyje dažnai nesuprantamas. Šilumos šaltinis gali būti gaminamas deginant, bet taip pat gali būti saulės energija, geoterminė energija ar branduolinė energija. Taip pat šalčio šaltinis, naudojamas temperatūros skirtumui sukurti, gali būti skirtingos medžiagos, žemesnės už aplinkos temperatūrą. Aušinimas gali būti pasiektas naudojant šaltą vandenį arba šaltnešį. Tačiau kadangi temperatūrų skirtumas, kurį reikia gauti iš šalčio šaltinio, bus mažas, reikės dirbti su didesnėmis masėmis, o galios nuostoliai, kurie atsiras siurbiant, sumažins ciklo efektyvumą. Degimo produktai nesiliečia su vidinėmis variklio dalimis. Tepalinės alyvos naudojimo laikas Stirlingo varikliuose yra ilgesnis nei vidaus degimo variklių.

Stirlingo variklių tipai

Yra 3 pagrindiniai Stirlingo variklių tipai. Kiti variklių tipai yra patobulintos 3 variklių versijos.

• Alfa tipo stirling variklis:

Jį sudaro du stūmokliai, smagratis, uždara dujų kamera su stūmokliais, šilumokaičiai, šilumos generatorius ir smagratis. Juo siekiama suaktyvinti jame esančias dujas, kaitinant šilumos šaltiniu viršuje esančio stūmoklio plotą. Įkaitusios dujos pradeda stumti stūmoklį pirmyn ir atgal, kitas prijungtas stūmoklis pradeda judėti, todėl karštos ir šaltos dujos yra išstumiamos kameroje. Sukurta energija perduodama smagračio, prie kurio sujungti šie du stūmokliai, pagalba.

• Beta tipo stirling variklis:

Ant to paties veleno yra 2 stūmokliai. Šie du stūmokliai yra sujungti vienas su kitu. Kaitinant kamerą su stūmokliu apačioje, uždaroje kameroje esančios dujos įkaista ir aktyvuojamos. Tokiu būdu stūmoklis pradeda judėti aukštyn. Kitas prijungtas stūmoklis taip pat padeda šaltoms dujoms judėti kameroje. Smagratis, prie kurio pritvirtinti stūmokliai, perduoda susidariusią energiją.

• Gama tipo stirlingo variklis:

Yra du atskiri stūmokliai. Kamera su didesniu stūmokliu yra šildoma ir joje aktyvuojamos dujos. Tokiu būdu stūmokliai, sujungti vienas su kitu smagračiu, pradeda judėti.

Stirlingo variklių pranašumai

• Kadangi šiluma veikiama išorėje, galime tiksliai valdyti kuro ir oro mišinį.
• Kadangi šilumai tiekti naudojamas nuolatinis šilumos šaltinis, nesudegusio kuro kiekis yra labai mažas.
• Šio tipo varikliui reikia mažiau priežiūros ir tepimo nei variklių tipams esant jų galios lygiui.
• Jie yra gana paprastos konstrukcijos, palyginti su vidaus degimo varikliais.
• Jie gali veikti net esant žemam slėgiui, yra saugesni nei garo šaltinio mašinos.
• Žemas slėgis leidžia naudoti lengvesnius ir patvaresnius cilindrus.

Stirlingo variklių trūkumai

• Kaina yra didelė degalų taupymo požiūriu, nes reikiama šiluma reikalinga pirmą kartą užvedus variklį.
• Gana sunku perkelti jo galią į kitą lygį.
• Kai kurie varikliai negali greitai užvesti. Jiems reikia pakankamai šilumos.
• Paprastai vandenilio dujos naudojamos uždaroje kameroje. Tačiau kai šių dujų molekulės gana mažos, sunku jas išlaikyti kameroje. Todėl susiduriame su papildomomis išlaidomis.
• Vėsesnė dalis turi sugerti pakankamai šilumos. Jei šilumos nuostoliai per dideli, variklio efektyvumas sumažės.

Stirlingo variklių taikymo sritys

Stirlingo varikliai naudojami mažos galios aviacijos varikliuose, laivų varikliuose, šilumos siurbliuose, kombinuotose šilumos ir elektros energijos sistemose. Šiandien jis dažniausiai naudojamas elektros energijai gaminti saulės baterijų laukuose.