Cum funcționează motoarele Stirling

Foto cu amabilitate American Stirling Company Acest motor poate funcționa folosind doar căldura de la mâna ta. Vezi poze cu motoare.

Motorul Stirling este un motor de căldură care este foarte diferit de motorul cu ardere internă din mașină. Inventat de Robert Stirling în 1816, motorul Stirling are potențialul de a fi mult mai eficient decât un motor pe benzină sau diesel. Astăzi, motoarele Stirling sunt utilizate doar în unele aplicații foarte specializate, cum ar fi în submarine sau generatoare auxiliare de energie pentru iahturi, unde funcționarea liniștită este importantă. Deși nu a existat o aplicație de succes pe piața de masă pentru motorul Stirling, unii inventatori de mare putere lucrează la el.

Un motor Stirling folosește Ciclul stirling,- ceea ce este spre deosebire de ciclurile utilizate la motoarele cu combustie internă.

• Gazele utilizate în interiorul unui motor Stirling nu părăsesc niciodată motorul. Nu există supape de evacuare care aerisesc gaze de înaltă presiune, ca într-un motor pe benzină sau diesel, și nu au loc explozii. Din această cauză, motoarele Stirling sunt foarte liniștite.
• Ciclul Stirling folosește o sursă de căldură externă, care ar putea fi orice, de la benzină la energia solară până la căldura produsă de instalațiile în descompunere. În interiorul cilindrilor motorului nu are loc nicio combustie.

Există sute de moduri de a combina un motor Stirling. În acest articol, vom afla despre ciclul Stirling și vom vedea cum funcționează două configurații diferite ale acestui motor.

cuprins

1. Ciclul Stirling
2. Motor Stirling de tip dislocator
3. Motor cu două pistoane Stirling
4. De ce nu sunt motoarele care stirlly mai frecvente?

Principiul cheie al unui motor Stirling este acela o cantitate fixă ​​de gaz este sigilată în interiorul motorului. Ciclul Stirling implică o serie de evenimente care schimbă presiunea gazului din interiorul motorului, determinându-l să funcționeze.

Există mai multe proprietăți ale gazelor care sunt esențiale pentru funcționarea motoarelor Stirling:

• Dacă aveți o cantitate fixă ​​de gaz într-un volum fix de spațiu și ridicați temperatura gazului respectiv, presiunea va crește.
• Dacă aveți o cantitate fixă ​​de gaz și o comprimați (reduceți volumul spațiului său), temperatura gazului respectiv va crește.

Acest conținut nu este compatibil pe acest dispozitiv.

Să parcurgem fiecare parte a ciclului Stirling în timp ce privim un motor Stirling simplificat. Motorul nostru simplificat folosește doi cilindri. Un cilindru este încălzit de o sursă de căldură externă (cum ar fi focul), iar celălalt este răcit de o sursă de răcire externă (cum ar fi gheața). Camerele de gaz ale celor doi cilindri sunt conectate, iar pistoanele sunt conectate mecanic între ele printr-o legătură care determină modul în care acestea se vor mișca unele față de altele.

Există patru părți ale ciclului Stirling. Cei doi pistoane din animația de mai sus realizează toate părțile ciclului:

1. Se adaugă căldură la gazul din interiorul cilindrului încălzit (stânga), ceea ce determină acumularea de presiune. Acest lucru obligă pistonul să se deplaseze în jos. Aceasta este partea ciclului Stirling care face treaba.
2. Pistonul stâng se mișcă în sus, în timp ce pistonul drept se deplasează în jos. Aceasta împinge gazul fierbinte în cilindrul răcit, care răcește rapid gazul până la temperatura sursei de răcire, scăzând presiunea. Acest lucru face mai ușor să comprimați gazul în următoarea parte a ciclului.
3. Pistonul din cilindrul răcit (dreapta) începe să comprimeze gazul. Căldura generată de această compresie este eliminată de sursa de răcire.
4. Pistonul drept se mișcă în sus, în timp ce pistonul stâng se deplasează în jos. Aceasta forțează gazul în cilindrul încălzit, unde se încălzește rapid, construind presiunea, moment în care se repetă ciclul.

Motorul Stirling produce putere doar în prima parte a ciclului. Există două moduri principale de creștere a puterii unui ciclu Stirling:

• Creșteți puterea în prima etapă - În prima parte a ciclului, presiunea gazului încălzit care împinge împotriva pistonului efectuează o muncă. Creșterea presiunii în această parte a ciclului va crește puterea motorului. O modalitate de creștere a presiunii este prin creșterea temperaturii gazului. Când aruncăm o privire la un motor Stirling cu două pistoane mai târziu în acest articol, vom vedea cum se numește un dispozitiv regenerator poate îmbunătăți puterea motorului prin stocarea temporară a căldurii.
• Reduceți consumul de energie în etapa a treia - În prima parte a ciclului, pistoanele efectuează lucrări pe gaz, folosind o parte din puterea produsă în prima parte. Scăderea presiunii în această parte a ciclului poate scădea puterea utilizată în această etapă a ciclului (creșterea efectivă a puterii motorului). O modalitate de a scădea presiunea este răcirea gazului la o temperatură mai scăzută.

Această secțiune a descris ciclul ideal Stirling. Motoarele care funcționează efectiv variază ușor ciclul din cauza limitărilor fizice ale designului lor. În următoarele două secțiuni, vom arunca o privire la câteva tipuri diferite de motoare Stirling. Motorul de tip dislocator este probabil cel mai ușor de înțeles, așa că vom începe de acolo.

Multumiri speciale

Mulțumiri speciale Brent Van Arsdell de la American Stirling Company pentru ajutorul acordat cu acest articol.

În loc să aibă doi pistoane, un motor de tip cilindru are un piston și un dispozitiv de deplasare. de deplasare servește pentru controlul când camera de gaz este încălzită și când este răcită. Acest tip de motor Stirling este uneori utilizat în demonstrații de clasă. Puteți chiar să cumpărați un kit pentru a vă construi unul singur!

Acest conținut nu este compatibil pe acest dispozitiv.

Pentru a rula, motorul de mai sus necesită a diferenta de temperatura între partea superioară și inferioară a cilindrului mare. În acest caz, diferența dintre temperatura mâinii și aerul din jurul ei este suficientă pentru a rula motorul.

În figura din această pagină, puteți vedea doi pistoane:

1. piston de putere - Acesta este pistonul mai mic din partea superioară a motorului. Este un piston bine închis, care se ridică pe măsură ce gazul din interiorul motorului se extinde.
2. de deplasare - Acesta este pistonul mare din desen. Acest piston este foarte liber în cilindrul său, astfel încât aerul se poate mișca ușor între secțiunile încălzite și răcite ale motorului pe măsură ce pistonul se mișcă în sus și în jos.

Dispozitivul se deplasează în sus și în jos pentru a controla dacă gazul din motor este încălzit sau răcit. Există două poziții:

• Când discul este aproape de vârful cilindrului mare, cea mai mare parte a gazului din interiorul motorului este încălzită de sursa de căldură și se extinde. Presiunea se acumulează în interiorul motorului, forțând pistonul de alimentare în sus.
• Când discul este aproape de fundul cilindrului mare, cea mai mare parte a gazului din interiorul motorului se răcește și se contractă. Acest lucru face ca presiunea să scadă, făcând mai ușor deplasarea pistonului cu putere și comprimarea gazului.

Motorul încălzește și răcește în mod repetat gazul, extrăgând energie din expansiunea și contracția gazului.

În continuare, vom arunca o privire la un motor Stirling cu două pistoane.

Acest conținut nu este compatibil pe acest dispozitiv.

În acest motor, cilindrul încălzit este încălzit cu o flacără externă. Cilindrul răcit este răcit cu aer și are aripioare pe acesta pentru a ajuta procesul de răcire. O tijă care decurge din fiecare piston este conectată la un disc mic, care este la rândul său conectat la o volană mai mare. Aceasta menține pistoanele în mișcare atunci când motorul nu este generat de energie.

Flacăra încălzește continuu cilindrul de jos.

1. În prima parte a ciclului, presiunea se acumulează, forțând pistonul să se deplaseze spre stânga, lucrând. Pistonul răcit rămâne aproximativ staționar, deoarece se află în punctul în care se schimbă direcția.
2. În următoarea etapă, ambii pistoane se mișcă. Pistonul încălzit se deplasează spre dreapta și pistonul răcit se mișcă în sus. Aceasta deplasează cea mai mare parte a gazului prin regenerator iar în pistonul răcit. Regeneratorul este un dispozitiv care poate stoca temporar căldura - ar putea fi o plasă de sârmă prin care gazele încălzite trec. Suprafața mare a ochiurilor de sârmă absoarbe rapid cea mai mare parte a căldurii. Acest lucru lasă mai puțină căldură pentru a fi îndepărtat de aripioarele de răcire.
3. În continuare, pistonul din cilindrul răcit începe să comprimeze gazul. Căldura generată de această compresie este îndepărtată de aripioarele de răcire.
4. În ultima fază a ciclului, ambii pistoane se mișcă - pistonul răcit se deplasează în jos în timp ce pistonul încălzit se deplasează spre stânga. Acest lucru forțează gazul de-a lungul regeneratorului (unde ridică căldura care a fost stocată acolo în timpul ciclului anterior) și în cilindrul încălzit. În acest moment, ciclul începe din nou.

Ați putea să vă întrebați de ce nu există încă aplicații pe piața de masă a motoarelor Stirling. În secțiunea următoare, vom arunca o privire asupra câtorva dintre motivele acestui lucru.

Există câteva caracteristici cheie care fac motoarele Stirling nepracticabile pentru utilizarea în multe aplicații, inclusiv în majoritatea mașinilor și camioanelor.

pentru că sursa de căldură este externă, este nevoie de puțin timp pentru ca motorul să răspundă la modificările cantității de căldură aplicată pe cilindru - este nevoie de timp pentru căldura să fie condusă prin pereții cilindrului și în gazul din interiorul motorului. Aceasta înseamnă că:

• Motorul necesită ceva timp pentru a se încălzi înainte de a putea produce o putere utilă.
• Motorul nu își poate schimba puterea rapidă.

Aceste neajunsuri sunt toate, dar nu garantează că nu va înlocui motorul cu ardere internă în mașini. Cu toate acestea, o mașină hibridă cu motor Stirling ar putea fi posibilă.

Pentru mai multe informații despre motoarele Stirling și subiecte conexe, consultați linkurile de pe pagina următoare.

Articole similare

• Cum funcționează motoarele auto
• Cum funcționează mașinile hibride
• Cum funcționează motoarele cu turbină pe gaz
• Cum funcționează motoarele în doi timpi
• Cum funcționează motoarele diesel
• Cum funcționează motoarele în doi timpi Diesel
• Cum funcționează motoarele rotative
• Cum funcționează angrenajele
• Cum funcționează hibridul Aptera 
• Ce este un motor cu rezervor, ca în „Thomas the Tank Engine”?

Mai multe legături grozave

• Compania Americană de Stirling
• Stirling Engine Society SUA
• Planuri de motorizare cu staniu din staniu
• Pagina de start a motorului Stirling
• AirSport: motorul Stirling: The Aircraft Powerplant of the Future
• Motorul Idaho Stirling