Jak fungují motory Stirling

  • Jacob Hoover
  • 0
  • 1860
  • 63
Foto s laskavým svolením American Stirling Company Tento motor může běžet pouze s použitím tepla z vaší ruky. Podívejte se na obrázky motorů.

Stirlingův motor je tepelný motor, který se výrazně liší od motoru s vnitřním spalováním v automobilu. Vynalezený Robert Stirling v 1816, Stirling motor má potenciál být mnohem účinnější než benzín nebo dieselový motor. Dnes se však motory Stirling používají pouze v některých velmi specializovaných aplikacích, například v ponorkách nebo pomocných generátorech energie pro jachty, kde je důležitý tichý provoz. Přestože pro motor Stirling neexistovala úspěšná aplikace pro masový trh, na něm pracují někteří velmi výkonní vynálezci.

Stirlingův motor používá Stirlingův cyklus,- což je na rozdíl od cyklů používaných ve spalovacích motorech.

  • Plyny použité uvnitř Stirlingova motoru nikdy neopouštějí motor. Neexistují žádné výfukové ventily, které odvádějí vysokotlaké plyny, jako v benzínovém nebo naftovém motoru, a nedochází k žádnému výbuchu. Z tohoto důvodu jsou Stirlingovy motory velmi tiché.
  • Stirlingův cyklus používá externí zdroj tepla, který by mohl být cokoli od benzínu po sluneční energii až po teplo produkované rozkládajícími se zařízeními. Uvnitř válců motoru nedochází k žádnému spalování.

Existují stovky způsobů, jak sestavit Stirlingův motor. V tomto článku se dozvíme o Stirlingově cyklu a uvidíme, jak fungují dvě různé konfigurace tohoto motoru.

Obsah
  1. Stirlingův cyklus
  2. Točivý motor typu Stirling
  3. Dvou-pístový Stirlingův motor
  4. Proč nejsou stirlingové motory běžnější?

Klíčovým principem Stirlingova motoru je to uvnitř motoru je utěsněno pevné množství plynu. Stirlingův cyklus zahrnuje řadu událostí, které mění tlak plynu uvnitř motoru a způsobují tak jeho práci.

Existuje několik vlastností plynů, které jsou rozhodující pro provoz Stirlingových motorů:

  • Pokud máte pevné množství plynu v pevném objemu prostoru a zvýšíte teplotu tohoto plynu, tlak se zvýší.
  • Pokud máte pevné množství plynu a stlačíte jej (zmenšíte jeho prostor), teplota tohoto plynu se zvýší.

Tento obsah není na tomto zařízení kompatibilní.

Podívejme se na každou část Stirlingova cyklu a podíváme se na zjednodušený Stirlingův motor. Náš zjednodušený motor používá dva válce. Jeden válec je ohříván externím zdrojem tepla (jako je oheň) a druhý je chlazen externím zdrojem chlazení (jako je led). Plynové komory dvou válců jsou spojeny a písty jsou vzájemně mechanicky spojeny vazbou, která určuje, jak se budou pohybovat ve vztahu k sobě navzájem.

Stirlingův cyklus má čtyři části. Dva písty ve výše uvedené animaci splňují všechny části cyklu:

  1. Teplo je přidáváno do plynu uvnitř vyhřívaného válce (vlevo), což způsobuje vytváření tlaku. To nutí píst k pohybu dolů. Toto je část Stirlingova cyklu, která funguje.
  2. Levý píst se pohybuje nahoru, zatímco pravý píst se pohybuje dolů. To tlačí horký plyn do chlazeného válce, který rychle ochlazuje plyn na teplotu zdroje chlazení a snižuje jeho tlak. To usnadňuje kompresi plynu v další části cyklu.
  3. Píst v chlazeném válci (vpravo) začne stlačovat plyn. Teplo generované touto kompresí je odváděno chladicím zdrojem.
  4. Pravý píst se pohybuje nahoru, zatímco levý píst se pohybuje dolů. To tlačí plyn do ohřátého válce, kde se rychle zahřívá, čímž se zvyšuje tlak a v tomto okamžiku se cyklus opakuje.

Motor Stirling vyrábí energii pouze během první části cyklu. Existují dva hlavní způsoby, jak zvýšit výstupní výkon Stirlingova cyklu:

  • Zvyšte výstupní výkon v první fázi - V části jednoho cyklu provádí tlak zahřátého plynu tlačícího proti pístu práci. Zvýšení tlaku během této části cyklu zvýší výkon motoru. Jedním způsobem, jak zvýšit tlak, je zvýšení teploty plynu. Když se později v tomto článku podíváme na dvouválcový Stirlingův motor, uvidíme, jak zařízení volalo regenerátor může zlepšit výkon motoru dočasným uložením tepla.
  • Snižte spotřebu energie ve třetí fázi - Ve třetí části cyklu provádějí písty práci s plynem a využívají část energie vyrobené v první části. Snížení tlaku během této části cyklu může snížit výkon spotřebovaný během této fáze cyklu (účinně zvyšuje výkon motoru). Jedním ze způsobů, jak snížit tlak, je ochlazení plynu na nižší teplotu.

Tato část popisuje ideální Stirlingův cyklus. Skutečné pracovní motory mění cyklus mírně kvůli fyzickým omezením jejich konstrukce. V následujících dvou sekcích se podíváme na několik různých druhů Stirlingových motorů. Motor typu vytlačovacího stroje je pravděpodobně nejsnadnější pochopit, takže tam začneme.

Speciální triky

Zvláštní poděkování patří Brentu Van Arsdellovi ze společnosti American Stirling Company za pomoc s tímto článkem.

Namísto toho, aby měl dva písty, má motor typu vytlačovacího stroje jeden píst a posuvný prvek. vytlačovač slouží k ovládání, kdy je plynová komora zahřívána a když je chlazena. Tento typ Stirlingova motoru se někdy používá při demonstracích ve třídě. Můžete si dokonce koupit soupravu, kterou si můžete sami postavit!

Tento obsah není na tomto zařízení kompatibilní.

Aby motor mohl běžet, vyžaduje výše uvedený motor teplotní rozdíl mezi horní a dolní částí velkého válce. V tomto případě je rozdíl mezi teplotou vaší ruky a okolním vzduchem dostatečný pro spuštění motoru.

Na obrázku na této stránce můžete vidět dva písty:

  1. výkonový píst - Toto je menší píst v horní části motoru. Je to pevně utěsněný píst, který se pohybuje vzhůru, jak se plyn uvnitř motoru rozšiřuje.
  2. vytlačovač - Toto je velký píst ve výkresu. Tento píst je ve svém válci velmi volný, takže vzduch se může snadno pohybovat mezi vyhřívanou a chlazenou částí motoru, když se píst pohybuje nahoru a dolů.

Zdvihák se pohybuje nahoru a dolů a řídí, zda se plyn v motoru zahřívá nebo chladí. Existují dvě pozice:

  • Když je posuvník blízko vrcholu velkého válce, většina plynu uvnitř motoru je zahřívána zdrojem tepla a expanduje. Uvnitř motoru se vytváří tlak, který tlačí výkonový píst nahoru.
  • Když je posuvník blízko dna velkého válce, většina plynu uvnitř motoru se ochlazuje a stahuje. To způsobuje pokles tlaku, což usnadňuje pohyb pístu dolů a stlačování plynu.

Motor opakovaně zahřívá a chladí plyn a získává energii z jeho expanze a kontrakce.

Dále se podíváme na dvoupístový Stirlingův motor.

Tento obsah není na tomto zařízení kompatibilní.

V tomto motoru je vyhřívaný válec zahříván vnějším plamenem. Chlazený válec je chlazený vzduchem a má na něm žebra, která pomáhají v procesu chlazení. Tyč vycházející z každého pístu je spojena s malým diskem, který je zase připojen k většímu setrvačníku. To udržuje písty v pohybu, když motor nevyvíjí žádnou energii.

Plamen neustále ohřívá spodní válec.

  1. V první části cyklu dochází k nárůstu tlaku, který nutí píst, aby se pohyboval doleva a vykonával práci. Chlazený píst zůstává přibližně nehybný, protože je v bodě své otáčky, kde mění směr.
  2. V další fázi se oba písty pohybují. Vyhřívaný píst se pohybuje doprava a chlazený píst se pohybuje nahoru. Tím se většina plynu pohybuje přes regenerátor a do chlazeného pístu. Regenerátor je zařízení, které může dočasně ukládat teplo - může to být pletivo z drátu, kterým prochází zahřáté plyny. Velká povrchová plocha pletiva rychle absorbuje většinu tepla. Toto ponechává méně tepla, které má být odstraněno chladicími žebry.
  3. Dále píst v chlazeném válci začne stlačovat plyn. Teplo generované touto kompresí je odváděno chladicími žebry.
  4. V poslední fázi cyklu se oba písty pohybují - chlazený píst se pohybuje dolů, zatímco zahřátý píst se pohybuje doleva. To tlačí plyn přes regenerátor (kde shromažďuje teplo, které se tam akumulovalo během předchozího cyklu) a do ohřátého válce. V tomto okamžiku začíná cyklus znovu.

Možná se divíte, proč dosud neexistují masové tržní aplikace Stirlingových motorů. V další části se podíváme na některé z důvodů.

Existuje několik klíčových charakteristik, díky nimž jsou Stirlingovy motory nepraktické pro použití v mnoha aplikacích, včetně většiny osobních a nákladních vozidel.

Protože zdroj tepla je externí, chvíli trvá, než motor reaguje na změny v množství tepla aplikovaného na válec - to vyžaduje čas, aby bylo teplo vedeno stěnami válce a do plynu uvnitř motoru. Tohle znamená tamto:

  • Aby mohl motor vyrobit užitečnou energii, vyžaduje se určitý čas, než se zahřeje.
  • Motor nemůže rychle změnit svůj výkon.

Tyto nedostatky zaručují, že nenahradí motor s vnitřním spalováním v automobilech. Hybridní automobil poháněný Stirlingovým motorem však může být proveditelný.

Další informace o Stirlingových motorech a souvisejících tématech naleznete v odkazech na následující stránce.

Související články

  • Jak fungují automobilové motory
  • Jak fungují hybridní auta
  • Jak fungují motory s plynovou turbínou
  • Jak fungují dvoudobé motory
  • Jak dieselové motory fungují
  • Jak dieselové dvoudobé motory fungují
  • Jak rotační motory fungují
  • Jak Gears funguje
  • Jak funguje hybrid Aptera 
  • Co je to tankový motor, jako v "Thomas Tank Engine"?

Další skvělé odkazy

  • Americká Stirling Company
  • Stirling Engine Society USA
  • Plány plechovek se stirlingovým motorem
  • Domovská stránka Stirlingova motoru
  • AirSport: Stirling Engine: Letecká pohonná jednotka budoucnosti
  • Idaho Stirlingův motor



Zatím žádné komentáře

Nejzajímavější články o tajemstvích a objevech. Spousta užitečných informací o všem
Články o vědě, prostoru, technologii, zdraví, životním prostředí, kultuře a historii. Vysvětlete tisíce témat, abyste věděli, jak všechno funguje