III Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2011

Превращение тепловой энергии в машинах типа Стирлинга-Вильке в механическую энергию и другие виды энергии используется для демонстрации работы теплового двигателя, а также для изучения термодинамических циклов в разделе «Термодинамика» курса общей физики.

Вместе с тем, поиск альтернативных источников энергии, таких как солнечная или ветровая, требует разработки калорических двигателей, которые обладали бы высоким КПД.

В предлагаемой вниманию работе рассматривается калорический двигатель Стирлинга-Вильке фирмы изготовителя 3B - Scientifics, который из чисто демонстрационного преобразован в научно- исследовательскую поисковую лабораторную работу для изучения тепловых процессов перехода лучистой(солнечной) энергии в механическую, а затем в электрическую с одной стороны, а с другой переход электрической энергии в тепловую и далее в механическую энергию. Двигатель Стирлинга-Вильке (рисунок 1) является классическим примером тепловой машины.

В ходе термодинамического цикла (рисунок 2) тепловая энергия поступает из резервуара высокой температуры, а затем частично превращается в используемую механическую энергию для выработки электрического тока: Оставшаяся тепловая энергия после этого передается в резервуар при меньшей температуре. Рабочий цикл машины Стирлинга-Вильке разбивается на четыре цикла:

1 цикл - нагревание. В этот период времени вытесняющий поршень (рисунок 2) (P1) входит и вытесняет воздух вниз в нагретую зону вытесняющего цилиндра, откуда тепло поступает в систему. В этот момент рабочий поршень (P2) находится в нижней «мёртвой точке», поскольку вытесняющий поршень всегда идёт на 90 градусов впереди.

 2 цикл - расширение. Нагретый воздух расширяется и заставляет рабочий поршень (P2) двигаться вверх. В результате механическая энергия через коленчатый вал передаётся на рычаг с противовесом.

3 цикл - охлаждение. Пока поршень (P2) находится в верхней «мёртвой точке», вытесняющий поршень (P1) втягивается и вытесняет горячий воздух, который остывает, отдавая тепло в атмосферу вокруг верхней части вытесняющего цилиндра.

­ 4 цикл - сжатие. При движении вниз рабочий поршень (P2) сжимает охлаждённый воздух. Для этого механическая энергия передаётся с рычага противовеса.

Температуры в нижней, верхней и средних частях рабочего цилиндра измеряются с помощью медь - константановых термопар в функции от времени нагрева. Также проводится расчёт термодинамических циклов (рисунок 2):

1. Изотермическое расширение с подводом тепла.

2. Изохорный процесс отвода тепла к регенератору.

3. Изотермический процесс сжатия с отводом тепла.

4. Изохорический нагрев с подводом тепла от регенератора и теплоотдачи при постоянном давлении.

Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга (рис.2), который по термодинамической эффективности не уступает циклу Карно, и даже обладает преимуществом. Дело в том, что цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация этого цикла малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Помимо рабочего тела, нагревателя и холодильника машина Стирлинга содержит ещё регенератор - устройство, отводящее тепло от рабочего тела на некоторых этапах цикла, и отдающее это тепло рабочему телу на других этапах.

Вывод: даже на рассмотренной нами модели двигателя Стирлинга довольно-таки высокий КПД, равный 51%.

В принципе:

КПД двигателя Стирлинга может достигать 65-70% КПД от цикла Карно при современном уровне проектирования и технологии изготовления. Кроме того КПД двигателя почти не зависит от скорости вращения колен вала. В двигателях внутреннего сгорания напротив максимальный КПД достигается в узком диапазоне частот вращения.
В конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распредвал. Грамотно спроектированный и технологично изготовленный двигатель Стирлинга не требует регулировки и настройки в процессе всего срока эксплуатации.
В ДВС сгорание топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя является, по сути, взрывом со скоростью распространения взрывной волны 5-7 км/сек. Этот процесс дает чудовищные пиковые нагрузки на шатуны, коленчатый вал и подшипники. Стирлинги лишены этого недостатка.
Двигатель не будет "капризничать" из-за потери искры, засорившегося карбюратора или низкого заряда аккумулятора, поскольку не имеет этих агрегатов. Понятие "двигатель заглох" не имеет смысла для Стирлингов. Стирлинг может остановиться, если нагрузка превышает расчетную. Повторно запуск осуществляется однократным поворотом маховика коленчатого вала.
Простота конструкции позволяет длительно эксплуатировать Стирлинг в автономном режиме.
Двигатель Стирлинга может использовать любой источник тепловой энергии, начиная с дров и заканчивая ядерным топливом!
Сгорание топлива происходит вне внутреннего объема двигателя (в отличие от ДВС), что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его дожигание (т.е. отбор максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов).