Навігація по публікаціям
Скористайтеся нашими послугами
Двигун Стірлінга почав своє існування з пристрою, що має безліч рухомих деталей, таких як поршні, шатуни, колінчастий вал, підшипники [2]. До того ж ще і ротор генератора крутився (Малюнок 1).
Малюнок 1 - Двигун Стірлінга альфа типу
Подивіться на двигун Стірлінга Альфа типу. При обертанні вала поршні починають переганяти газ із холодного в гарячий циліндр, то навпаки, з гарячого в холодний. Але вони не просто переганяють, а ще й стискають і розширюють. Здійснюється термодинамічний цикл. Можна подумки уявити на зображенні, що коли вал повернеться так, що вісь, на яку кріпляться шатуни, виявиться вгорі, то це буде момент найбільшого стиснення газу, а коли внизу, то розширення. Правда це не зовсім так через теплових розширень і стиснень газу, але приблизно все ж все це так.
Серцем двигуна є так зване ядро, яке складається з двох теплообмінників - гарячого і холодного і між ними знаходиться регенератор. Теплообмінники зазвичай робляться пластинчастими, а регенератор - це найчастіше стопка, набрана з металевої сітки. Навіщо потрібні теплообмінники зрозуміло - нагрівати і охолоджувати газ, а навіщо потрібен регенератор? А регенератор - це справжній тепловий акумулятор. Коли гарячий газ рухається в холодну сторону, він нагріває регенератор і регенератор запасає теплову енергію. Коли газ рухається з холодної на гарячу сторону, то холодний газ підігрівається в регенераторі і таким чином це тепло, яке без регенератора б безповоротно пішло на нагрівання навколишнього середовища, рятується. Так що, регенератор - вкрай необхідна річ. Хороший регенератор підвищує ККД двигуна приблизно в 3,6 рази.
Любителям, які мріють побудувати подібний двигун самостійно, хочу розповісти докладніше про теплообмінники. Більшість саморобних двигунів Стірлінга, з тих що я бачив, взагалі не мають теплообмінників (я про двигуни альфа типу). Теплообмінниками є самі поршні і циліндри. Один циліндр нагрівається, інший охолоджується. При цьому площа теплообмінної поверхні, що контактує з газом дуже мала. Так що, є можливість значно збільшити потужність двигуна, поставивши на вході в циліндри теплообмінники. І навіть на малюнку 1 полум'я направлено прямо на циліндр, що в заводських двигунах не зовсім так.
Повернемося до історії розвитку двигунів Стірлінга. Отже, нехай двигун багато в чому хороший, але наявність маслос'емних кілець і підшипників знижувало ресурс двигуна і інженери напружено думали, як його поліпшити, і придумали.
У 1969 році Вільям Бейл досліджував резонансні ефекти в роботі двигуна і пізніше зміг зробити двигун, для якого не потрібні ні шатуни ні колінчастий вал. Синхронізація поршнів виникала через резонансних ефектів. Цей тип двигунів став називатися свободнопоршневим двигуном (Малюнок 2).
Малюнок 2 - Свободнопоршневой двигун Стірлінга
На малюнку 2 показаний вільнопоршневий двигун бета типу. Тут газ переходить з гарячою області в холодну, і навпаки, завдяки витискувачі (який рухається вільно), а робочий поршень виконує корисну роботу. Витіснювач і поршень здійснюють коливання на спіральних пружинах, які можна бачити в правій частині малюнка. Складність в тому, що їх коливання повинні бути з однаковою частотою і з різницею фаз в 90 градусів і все це завдяки резонансним ефектам. Зробити це досить важко.
Таким чином, кількість деталей зменшили, але при цьому посилилися вимоги до точності розрахунків і виготовлення. Але надійність двигуна, безсумнівно, зросла, особливо в конструкціях, де в якості витіснювача і поршня застосовуються гнучкі мембрани. В такому випадку в двигуні взагалі відсутні деталі, що труться. Електроенергію, при бажанні, з такого двигуна можна знімати за допомогою лінійного генератора.
Але і цього інженерам виявилося замало, і вони почали шукати способи позбутися не просто від деталей, що труться, а взагалі від рухомих деталей. І вони знайшли такий спосіб.
У сімдесятих роках 20-го століття Петер Цеперлі зрозумів, що синусоїдальні коливання тиску і швидкості газу в двигуні Стірлінга, а також той факт, що ці коливання знаходяться в фазі, неймовірно сильно нагадують коливання тиску і швидкості газу в біжучому звуковий хвилі (рис.3 ).
Малюнок 3 - Графік тиску і швидкості біжить акустичної хвилі, як функція часу. Показано, що коливання тиску та швидкості знаходяться в фазі.
Ця ідея прийшла Цеперлі не випадково, так як до нього було безліч досліджень в області ТЕРМОАКУСТИКА, наприклад, ще сам лорд Релей в 1884 якісно описав це явище.
Таким чином, він запропонував взагалі відмовитися від поршнів і витискувачів, і використовувати тільки акустичну хвилю для контролю над тиском і рухом газу. При цьому виходить двигун без рухомих частин і теоретично здатний досягти ККД циклу Стірлінга, а значить і Карно. В реальності кращі показники - 40-50% від ефективності циклу Карно (Малюнок 4).
Малюнок 4 - Схема Термоакустичний двигуна з хвилею, що біжить
Можна бачити, що термоакустичний двигун з хвилею, що біжить - це точно таке ж ядро, що складається з теплообмінників і регенератора, тільки замість поршнів і шатунів тут просто закільцьованих труба, яка називається резонатором. Так як же працює цей двигун, якщо в ньому немає ніяких рухомих частин? Як це можливо?
Для початку відповімо на запитання, звідки там береться звук? І відповідь - він виникає сам собою при виникненні достатньою для цього різниці температур між двома теплообмінниками. Градієнт температури в регенераторі дозволяє посилити звукові коливання, але тільки певної довжини хвилі, що дорівнює довжині резонатора. З самого початку процес виглядає так: при нагріванні гарячого теплообмінника виникають мікро шарудіння, можливо навіть потріскування від теплових деформацій, це неминуче. Ці шарудіння - це шум, який має широкий спектр частот. З усього цього багатого спектра звукових частот, двигун починає посилювати то звукове коливання, довжина хвилі якого, дорівнює довжині труби - резонатора. І неважливо наскільки мало початкове коливання, воно буде посилено до максимально можливої величини. Максимальна гучність звуку усередині двигуна настає тоді, коли потужність посилення звуку за допомогою теплообмінників дорівнює потужності втрат, тобто потужності загасання звукових коливань. І ця максимальна величина часом досягає величезних величин в 160 дБ. Так що всередині подібного двигуна дійсно голосно. На щастя, звук назовні вийти не може, так як резонатор герметичний і з цього, стоячи поруч з працюючим двигуном, його ледве чутно.
Посилення певної частоти звуку відбувається завдяки все тому ж термодинамическому циклу - циклу Стірлінга, який здійснюється в регенераторі.
Малюнок 5 - Стадії циклу грубо і спрощено.
Як я вже писав, в Термоакустичний двигуні взагалі немає рухомих частин, він генерує тільки акустичну хвилю всередині себе, але, на жаль, без рухомих частин зняти з двигуна електроенергію неможливо.
Зазвичай добувають енергію з термоакустичних двигунів за допомогою лінійних генераторів. Пружна мембрана коливається під напором звукової хвилі високої інтенсивності. Усередині мідної котушки з сердечником, вібрують закріплені на мембрані магніти. Виробляється електроенергія.
Малюнок 6 - Схема імпульсної турбіни
Імпульсна турбіна крутиться в одну і ту ж сторону незалежно від напрямку потоку. На малюнку 6 схематично зображено лопатки статора з боків і лопатки ротора посередині. А так турбіна виглядає у них в реальності:
Малюнок 7 - Зовнішній вигляд двобічної імпульсної турбіни
Очікується, що застосування турбіни замість лінійного генератора сильно здешевить конструкцію і дозволить збільшити потужність пристрою аж до потужностей типових ТЕЦ, що неможливо з лінійними генераторами.
Що ж, будемо продовжувати пильно стежити за розвитком термоакустичних двигунів.
Список використаних джерел
Скористайтеся нашими послугами