Высокотемпературный двигатель Стирлинга с генератором электроэнергии.

Здравствуйте. В сегодняшнем обзоре я расскажу вам о двигателе внешнего сгорания. Высокотемпературном двигателе Стирлинга с генератором электроэнергии. Пускай, это всего лишь небольшая модель, но вещь крайне любопытная и качественно собранная. Приглашаю тех, кому это интересно – под кат.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Это устройство преобразующее тепловую энергию в механическую.

Основное отличие его от двигателя внутреннего сгорания в том, что тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно. Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство, отличающее его от всех остальных машин.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы. Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.
Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических типа, например:

Роторный двигатель Стирлинга — решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, так как двигатель роторный).



Мы будем рассматривать гамма тип.



Принцип действия высокотемпературного двигателя. Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.
Гамма-Стирлинг без регенератора:



Заказан двигатель был 10 мая. Уже 11 мая магазин выслал его. А 30 мая я забрал двигатель из отделения связи:



Двигатель надежно упакован в крепкую картонную коробку и переложен множеством слоёв пупырчатой плёнки:



Помимо самого двигателя в комплект входит:



Спиртовка, запасные поршень и вытеснитель, запасная резинка, выполняющая роль ремня генератора и переливающийся разными цветами светодиод для проверки генератора.

Давайте сначала посмотрим на краткие характеристики с сайта магазина:

Description:
Item:
SIze: 165*90*90mm
Flywheel: 60mm(Diameter)
Driving Wheel: 25mm(Diameter)
Power cylinder bore: 16mm
Piston stroke: 15mm
Weight: 505g
Generator voltage: 5V
Material: aluminum alloy
Linkage: stainless steel
Age: +8

И вот сам двигатель Стирлинга, выполненный из стекла, алюминия и нержавеющей стали:



Двигатель установлен на массивной алюминиевой площадке с резиновыми ножками:





Маховик:





Шкив ремня генератора:



Биения отсутствуют. Балансировка маховика и шкива – присутствует.

Рабочий поршень:





Поршень-вытеснитель находится в стеклянной колбе, которая нагревается открытым пламенем:



Для нормальной работы двигателя система должна быть герметична.

Место для спиртовки под вытеснителем:



Генератор:





Собираем спиртовку и заливаем в неё спирт:



Устанавливаем её на место:



Зажигаем:



Колба с вытеснителем нагревается. Даём команду – «От винта!» )))







Подключаем светодиод:



Посмотрим, сколько вольт выдаёт генератор:



4,08 вольта.

Посмотрим форму осциллографом:





Явно не хватает сглаживающего конденсатора.

На закрытом входе осциллографа:



Время работы от одной заправки спиртовки спиртом:



КПД высокотемпературных двигателей Стирлинга – довольно велико:



Пламя спиртовки имеет следующую температуру:



350 градусов в нижней части. Как раз этой частью пламени и нагревается колба с вытеснителем.

Следовательно, при этой температуре и температуре окружающего воздуха +20, КПД, согласно таблице, составит 52,96%. Но нужно не забывать, что холодильник охлаждается только окружающим воздухом. Принудительное охлаждение или радиатор – отсутствуют. И поэтому в процессе работы двигателя – холодильник начинает нагреваться и КПД падает.

Видео работы высокотемпературного двигателя внешнего сгорания:



Да, это всего лишь модель. Но, как говорится – сказка ложь, да в ней намек… Этот двигатель помогает разобраться в основах. И кто знает, может подвигнет вас на создание полноразмерного двигателя. В интернете множество энтузиастов, строящих настоящие генераторы энергии, работающие от двигателя Стирлинга. А может, эта модель для вас так и останется забавной и красивой игрушкой в стиле стим-панк, наблюдать за работой которой — очень любопытно.