Больше 200 лет прошло с момента появления замечательного изобретения Роберта Стирлинга, а его двигатель всё ещё в ходу и не собирается даже покидать человечество, только улучшаясь с ходом времени, благодаря современным достижениям.
Посмотрим же, что это за устройство и чем примечательно?
Предыстория
С момента своего патентования в 1816 году, двигатель предложил человечеству совершенно новую, на тот момент, альтернативу самодвижущим устройствам:
Низкий уровень шума;
Способность работать на любом типе сгораемого топлива (и даже без него — это мы рассмотрим ниже);
Высокий КПД и надёжность конструкции.
Особо примечателен этот двигатель тем, что для его работы можешь быть применён любой перепад температур, и нет ограничений и минимально разрешённых значений!
Двигатель в своей работе требует подвода внешней энергии, а именно тепла, в качестве которого, может быть использован практически любой его источник: огонь сгораемого топлива, вода разных температур и даже простой нагрев солнцем (это мы ниже ещё увидим).
Поэтому, такая всеядность, надежность, хорошая мощность обеспечили двигателям Стирлинга заслуженное «место под солнцем» — такие двигатели были широко распространены, параллельно с паровыми, в эпоху расцвета паровых машин.
Кажется парадоксальным, зачем кому-то могло потребоваться альтернативное приводное устройство, в то время, когда безраздельно властвовал пар?
А дело здесь вот в чём: главной мотивацией Роберта Стирлинга было желание обезопасить двигательные установки, так как паровые машины то и дело взрывались, и с этим что-то нужно было делать — выходом и стало безопасное* устройство, работающее при атмосферном давлении.
*В дальнейшем, этим моментом пришлось в значительной мере поступиться, так как мощность двигателя зависит от давления рабочего тела в нём и его температуры. Соответственно, стали увеличивать давление (это всё мы ещё увидим ниже).
Суть двигателя, его типы, и нюансы
Двигатели Стирлинга весьма разнообразны по своему воплощению и внешнему виду, однако, несмотря на это, все они в процессе работы, проходят через 3 этапа: нагрев-охлаждение-нагрев.
А если быть более точным, то, учитывая переходные этапы, цикл Стирлинга будет выглядеть так: нагрев-расширение-переход в холодную зону-сжатие-обратное перетекание в зону тепла.
Что любопытно: двигатель Стирлинга является обратимой машиной (прямо как электродвигатели — и двигатель и генератор) и, если к нему не подводить внешнее тепло, а просто прилагать физические усилия по вращению вала двигателя — то газ в нём будет нагреваться и охлаждаться!
Ниже мы увидим, что одиночный модуль Стирлинга состоит обычно из 2 поршней: вытеснительного и рабочего, где вытеснительный предназначен для перекачки охлаждённого/нагретого газа, а рабочий поршень — собственно и совершает полезную работу и с него снимается полезная мощность.
Но чёткое разделение на типы поршней не всегда корректно: например, у α-типа (что это за тип, мы узнаем ниже), по сути, оба поршня являются рабочими!
Итак, раз уж мы заговорили о типе конструкций двигателя, то возможны несколько основных типов:
α-Стирлинг: два отдельных поршня, развёрнутых относительно друг друга на 90º:
Это была исторически самая первая конструкция и самая прозрачная в своём принципе действия: цилиндры чётко разделены и соединяются с помощью трубопровода, через регенератор.*
При этом (на картинке выше это не показано) холодный цилиндр имеет оребрение вокруг, чтобы более эффективно отводить тепло.
Такой тип конструкции является оптимальным с точки зрения проектирования: так как горячий и холодные концы чётко разделены, каждый из них можно спроектировать из своих материалов, оптимально подобранных для рабочих температур.
Но, есть и минусы: так как требуется синхронизация двух поршней, то нужен специальный коленчатый вал, для их синхронизации, кроме того, такая разнесённая конструкция увеличивает и утечки тепла.
*Регенератор на картинке выше выглядит как утолщение посреди трубопровода между цилиндрами. Так как в дальнейшем мы будем ещё обращаться к этому понятию, давайте выясним для себя, что же это такое и зачем нужен!
Смысл регенератора сводится к тому, что устранить бесполезную трату тепла, во время перемещения рабочего тела между горячим и холодным концом двигателя: в случае, если бы не было регенератора, подогретый газ двигался бы в сторону холодного конца и частично нагревал его, а при обратном перемещении — холодный газ, поступающий из холодного конца — остужал бы подогретый конец.
Всё это существенно снижает КПД двигателя и ниже (будет ещё видео), мы увидим, что установка регенератора просто кардинально увеличивает эффективность!
А теперь что делает регенератор: он служит просто-напросто буфером тепла, для рабочего тела! То есть: например, при переходе нагретого газа, в холодный конец, он отбирает часть тепла у него, и в холодный конец газ приходит уже частично охлаждённым и не так сильно нагревает его.
При обратном же процессе, когда идёт перетекание газа из холодного конца в горячий, регенератор частично подогревает холодный газ, таким образом, он поступает в горячий конец уже подогретым и не так сильно охлаждает его.
Регенератор должен соответствовать следующим основным требованиям:
Создавать минимальное сопротивление потоку рабочего тела;
Обладать высокой теплоёмкостью;
Минимальным неиспользуемым объёмом.
Самым простым и популярным типом регенератора является стальная мочалка/вата/мат, свёрнутый в трубочку и вставленный в специальный бочонок посреди трубопровода между цилиндрами.
Альтернативным вариантом является пробка из частично спечённого металлического порошка (порошок только начал плавиться и все частицы слиплись, но не расплавились до конца — в итоге образуется губка).
Несомненным плюсом такой конструкции является высокая теплоёмкость (за счёт большой площади), простота конструкции, низкое сопротивление потоку (на малых оборотах).
Но, на больших оборотах, такая конструкция всё равно будет создавать большое сопротивление потоку, поэтому, если используют такой вариант, то в виде неплотно скрученного мата.
Ещё одной альтернативой является использование гофрированной фольги, где плотно свёрнутая металлическая лента, вставляется в бочонок регенератора, и, таким образом между лентами создаётся массив параллельных каналов, с хорошим теплообменом.
Пожалуй, это самая продвинутая конструкция регенератора, так как обеспечивает самый высокий теплообмен (особенно, если взять относительно тонкую и жёсткую фольгу) и механическую прочность конструкции.
Подобная конструкция ещё отличается и тем, что создает минимальное сопротивление потоку, за счёт своей чётко ориентированной структуре (в противовес беспорядочной структуре стальной ваты или спечённых металлических порошков).
По сути, это эталон для промышленно производимых моделей.
Ещё одним альтернативным вариантом является использование керамических шариков, просто насыпанных в ёмкость.
Благодаря высокой термостойкости, подобная конструкция может работать при весьма высоких температурах и особенно ценна для высокотемпературных двигателей, например, работающих от солнечной энергии.
Всего лишь простая установка регенератора позволяет поднять средний КПД двигателя Стирлинга с его обычных 15-20%, до более чем 40%!
β-Стирлинг: два поршня (вытеснительный и рабочий) движутся внутри одного цилиндра, при этом верхний поршень является вытеснителем, а нижний — рабочим, с которого и снимается полезная мощность:
Для решения проблем Стирлинга, типа α, и был разработан двигатель другой конструкции, условно названный β, где его основным преимуществом является минимизация мёртвых объёмов, представленная в предыдущем варианте соединительными трубками, что позволяет увеличивать рабочее давление, и, соответственно, увеличивает мощность двигателя.
Тут надо пояснить, что минимизация мёртвого объёма наблюдается только в случае, если внешние трубки с регенератором не используются (на картинке выше показана версия с регенератором), но мёртвый объём всё равно присутствует и не устранён полностью.
Версия с внешним регенератором имеет те же самые проблемы, что и в α-версии (увеличенный мёртвый объём, потенциальные теплопотери).
Описываемая конструкция без регенератора показана на картинке ниже:
Здесь мы видим, что газ перегоняется из верхней части поршня-вытеснителя, в нижнюю его часть - из этого кстати проистекает одна из основных проблем такого типа двигателя, так как рабочий поршень оказывается под воздействием большого градиента температур: верхняя часть его разогрета, а нижняя охлаждена, таким образом, это начинает налагать большие требования на герметизацию этого поршня, с целью избежать заклинивания.
γ-Стирлинг: в дальнейшем, с целью решить и эти проблемы, была разработана ещё одна версия двигателя, γ: в ней, как мы видим, проблема уплотнения рабочего поршня решена за счёт того, что он находится в полностью холодной зоне, а сама конструкция намного проще для изготовления, особенно, любителями.
Однако, из-за переходного канала между цилиндрами, мы здесь также видим, что образуется некоторый мёртвый объём, хотя и достаточно маленький.
То есть, делая вывод по существующим видам двигателя Стирлинга, можно сказать, что, наблюдая их разные виды, мы, по сути, наблюдаем их историческую эволюцию...
Выше мы говорили, по сути, о типах цилиндров, где в целом, двигатель Стирлинга может состоять из ряда модулей (то есть, быть составленным из ряда модулей, показанных выше):
Проектирование размеров
Если говорить об общих рекомендациях к проектированию цилиндров и длин их хода, то, как вы могли заметить выше, в версии α использованы поршни одинакового диаметра и хода. Собственно, это и является основной рекомендацией — их площади и ходы должны соотноситься как 1:1.
В β-версии, площади должны соотноситься (поршень-вытеснитель: рабочий поршень) как 1,5:1 или 3:1, длину хода допустимо сделать почти равной, например 0,9:1.
В γ-версии, площадь поршней может соотноситься как 1:1…2:1, с равными длинами хода.
Что же касается регенератора, в α и γ вариантах, то его объём должен планироваться таким образом, чтобы он был примерно равен рабочему цилиндру, что позволит эффективно аккумулировать тепло при переходах, где его длина и ширина должны соотноситься как 1:1 – это даёт оптимальную конфигурацию, эдакий «бочонок», так как более вытянутая форма будет сильно сопротивляться проходу воздушного потока.
В случае же β-версии, то регенератор обычно представлен кольцевой полостью вокруг вытеснителя, равной ему по длине (проще говоря: диаметр вытеснителя делается чуть меньше диаметра цилиндра, чтобы между ними остался довольно большой зазор).
Рабочее тело и его давление
Интересным отличием двигателя Стирлинга от, например, двигателя внутреннего сгорания, является его герметичность — то есть, в процессе работы в нём используется единожды закачанное внутрь и замкнутое в его полостях «рабочее тело», в качество которого выступает обычно газ (воздух, водород, гелий), под атмосферным или повышенным давлением.
Рабочее тело, собственно, и предназначено для переноса тепла из одной зоны двигателя — в другую.
Выше мы обмолвились о давлении рабочего тела и возможности его варьирования: да, двигатель не обязательно должен работать при атмосферном давлении и увеличение значения давления является одним из самых очевидных способов существенного увеличения выходной мощност�� двигателя, без внесения изменений в его физические размеры, что хорошо видно из формулы ниже:
Сила давления на рабочий поршень = давление рабочего тела * площадь поршня
Таким образом, увеличивая давление рабочего тела, можно увеличить и крутящий момент двигателя.
Однако, увеличение давления уже начинает предъявлять особые требования к прочности и надёжности конструкции, так что это устанавливает определённый порог входа для сборки подобных конструкций.
Тем не менее, именно повышенное давление (вплоть до 200 бар и более) часто используется в коммерческих установках, которые должны сочетать большую мощность с относительно малым размером: например, известны военные и космические установки, работающие под давлением, более чем в 200 бар.
В качестве рабочего тела не обязательно должны использоваться газы — могут быть использованы и жидкости, но это потребует большого увеличения размеров двигателя из-за гораздо меньшего, чем у газов, теплового расширения жидкостей.
Температура
Если просмотреть на большинство тестовых видео, где показаны работающие образцы двигателя Стирлинга, то, может сложиться впечатление, что для его работы, обязательно нужно распалить горелку и «жарить» двигатель изо всех сил.
Однако, в реальности это вовсе не так: двигатель тем и хорош, что может работать, практически от любого перепада температур, например, даже от перепада температур между теплом руки и температурой окружающего воздуха в комнате!
Правда, в этом случае, и перепад давлений будет весьма малым, со��дающим ничтожное давление на рабочий поршень, из-за чего придётся переходить на совершенно иные соотношения диаметров поршней: например, 50:1 или даже 100:1 и даже более.
Придётся также вносить и существенные изменения в конструкцию, например, сделать вытеснитель и рабочий поршень сверхлёгкими (как вариант, изготовив их из пенопласта).
Из-за своей малой мощности, подобные системы можно собирать разве что для развлечения, так как серьёзную работу делать они неспособны…
Тем не менее, выглядят такие монструозные конструкции, обычно, весьма впечатляюще:
Конкретные применения
Итак, после ознакомления, думается, что, вооружившись знаниями об основных существенных элементах двигателей Стирлинга, вы легко сможете собрать свой собственный «Стирлинг» (как называют его энтузиасты), даже без каких-либо подробных мануалов, своей собственной реализации в деталях. :-)
Тем не менее, иногда бывает полезно посмотреть на опыт других людей, чтобы осознать, что многие вещи — намного проще, чем мы привыкли думать, и это придаёт уверенность…
В прошлом, как было уже сказано, двигатели Стирлинга использовались в качестве замены паровых машин, и были довольно сильно распространены в разных сферах, в качестве именно силового оборудования производств — как непосредственный привод машин, так и в качестве электрогенераторов (особенно, в сельской местности), которые могли работать на любом топливе.
Но были и весьма оригинальные экземпляры: как вам понравится настольный вентилятор, с приводом от двигателя Стирлинга?! К слову, такие были довольно сильно распространены: ещё к началу ХХ века, по некоторым оценкам, число таких выпущенных вентиляторов (разных модификаций) насчитывало около 250000 штук:
И по сей день такие вентиляторы вдохновляют любителей создавать реплики, которые, кстати, получаются довольно неплохо:
А вот следующее видео, это не просто реплика, а, фактически, подробная инструкция, как собрать подобный вентилятор, с объяснением теории работы двигателей Стирлинга:
Или вот, например, низкотемпературный двигатель, работающий от перепада температур, всего лишь в 20 градусов:
Или ещё одна забавная игрушка — машинка с низкотемпературным двигателем Стирлинга. Теперь мы понимаем, почему такая огромная разница, между диаметром цилиндров? Похоже, что здесь как раз тот случай, где соотношение где-то 50:1 или около того. Не такая впечатляющая, как у огромной конструкции, которую мы видели выше, но, тем не менее:
Для чего можно использовать самодельные двигатели Стирлинга в наши дни, кроме развлечения? Например, как вполне полезный вариант резервного питания, для зарядки гаджетов:
Подытоживая, можно сказать, что, несмотря на массу времени, прошедшую с момента появления двигателя Стирлинга, его актуальность не пропадает и по сей день, находя практические применения в реальной жизни и вдохновляя энтузиастов на интересные самоделки, среди которых, возможно, кроется где-то и ваша? ;-)
P.S. Наверняка, у вас сразу же возник вопрос, после прочтения, а что показано на картинке, в «шапке» статьи?
Отвечу, что там показана культовая модель двигателя Стирлинга, — Philips MP1002CA, выпущенная в середине XX века, с целью обеспечить электричеством удалённые регионы мира, особенно, в Азии, Африке, Южной Америке, которые не были на тот момент электрифицированы.
Компания хорошо поработала над концепцией двигателя, благодаря чему, ей удалось создать маленький и малошумный, а также эффективный электрогенератор, который мог бы работать на разных видах топлива.
Стоит только упомянуть один факт: по своему КПД он превосходил большинство, существовавших на тот момент, двигателей внутреннего сгорания (калоризаторного типа, сравнимой мощности).
В работе двигатель демонстрировал низкий уровень вибраций и высокий уровень надёжности, вырабатывая порядка 100-200 Вт выходной электрической мощности, для чего он потреблял тепловую мощность, порядка 1,5-2 кВт.
Основным источником высокой мощности и компактности устройства этого двигателя было использование водорода, в качестве рабочего тела, закаченного в двигатель, под давлением в 150 бар.
Целью использования водорода было то, что он по теплопроводности превосходит воздух почти в восемь раз, и это означает, что рабочее тело будет быстрее нагреваться и быстрее охлаждаться, а, соответственно, и двигатель сможет развить большую мощность!
Двигатель был собран по кинематической схеме β-типа, с использованием ромбического привода, который позволял снижать вибрации, и не тре��овать наличия коленчатого вала.
Тем не менее, несмотря на все его преимущества, двигатель не стал коммерчески успешным, чему виной стали ряд причин:
Дороговизна конструкции в целом, из-за использования качественных жаростойких сталей;
Нарастающее распространение ДВС, маленького размера и относительно дешёвых;
Утечки водорода из-за трудности его удержания.
Тем не менее, его конструкция вошла в «золотой фонд» инженерных решений, ставших, со временем, эталоном.
Ну и видео его работы, в наше время (без водорода, просто на воздухе, закачанном насосом):
