НАУКАОРУЖИЕТЕХНОЛОГИИАВТОМОБИЛИИГРЫ
АРХИВБЛОГИВИДЕОЛЕКТОРИЙКОНКУРСЫАУКЦИОНМАГАЗИНЭНЦИКЛОПЕДИЯ


ВОЗДУШНАЯ МАШИНА ПРЕПОДОБНОГО СТИРЛИНГА: К СЕДЬМОМУ НЕБУ

 13  37182





19 сентября 1816 года, выдержав все положенные экзамены и испытательный срок, Роберт Стирлинг был назначен священником церкви Лэй-Кирк в Килмарноке (Шотландия). Но славу он заслужил вовсе не чтением проповедей.

Все фотографии »

Двигатель Стирлинга может стать прекрасным украшением письменного стола
Двигатель Стирлинга может стать прекрасным украшением письменного стола
Достаточно зажечь спиртовку, и он почти бесшумно, с легким шелестом, раскручивается до рабочих оборотов
Достаточно зажечь спиртовку, и он почти бесшумно, с легким шелестом, раскручивается до рабочих оборотов
Молодой пастор отличался незаурядным инженерным талантом. Во время учебы в университете Роберт работал над альтернативой паровой машине. Легенда гласит, что его целью было уменьшить риск для рабочих: паровые машины часто взрывались из-за низкого качества деталей. Через неделю после назначения в Килмарнок Роберт подал заявку на получение патента на «Устройство для экономии тепла». Именно оно послужило сердцем машины, прославившей имя Стирлинга.

Хотя сила пара была известна уже более ста лет, теория тепловых машин находилась в зачаточном состоянии. Лишь в 1824 году Сади Карно опубликовал свой знаменитый труд «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», где сделал два важных вывода: во-первых, движущая сила машин возникает не из поглощенного тепла, а из перекачанного от горячего тела к холодному, а во-вторых, мощность машин растет с увеличением разницы температуры между горячим и холодным телами.Эти выводы в форме второго начала термодинамики оказали огромное влияние на конструкцию тепловых машин.

Но в 1818 году, когда вместе со своим другом Томасом Мортоном и младшим братом Джеймсом Стирлинг построил для откачки воды из каменоломни первую машину, работающую без пара (с воздухом в качестве рабочего тела), работ Карно еще не существовало. Тем не менее Стирлинг совершенно интуитивно построил двигатель фактически с максимально возможной термодинамической эффективностью! В отличие от цикла Карно, рабочий цикл машины Стирлинга состоит из двух изотерм (линий постоянной температуры) и двух изохор (линий постоянного объема). В координатах T-S (температура–энтропия) он выглядит вовсе не прямоугольным. Тогда каким же образом удается достичь теоретического максимума эффективности? Все дело в том самом запатентованном «Устройстве для экономии тепла», или, как его принято называть в современной технике, регенераторе.

Машина Стирлинга – это двигатель внешнего сгорания, в нем нет клапанов, а рабочее тело остается газообразным и циркулирует в замкнутом объеме. Он может работать при очень малой разнице температур от любого источника тепла – от газовых горелок до солнечных концентраторов и даже тепла рук (последнее любят демонстрировать преподаватели физики во время лекций по термодинамике). Конструкция машин проста, газ находится внутри под невысоким давлением, поэтому они более безопасны, чем паровые машины. При низких температурах двигатель Стирлинга даже более эффективен (в отличие от ДВС, двигателя внутреннего сгорания). И он почти бесшумен, что может быть критично в некоторых случаях (например, при движении субмарин в подводном состоянии).

Есть у этих двигателей и недостатки. Во-первых, даже при достаточно большом теоретическом и практическом КПД для реализации большой мощности двигатель должен рассеивать большое количество тепла, а это приводит к увеличению размеров и появлению громоздких радиаторов охлаждения. Для увеличения мощности приходится увеличивать разницу температур и давление рабочего тела, а это усложняет конструкцию. В отличие от ДВС, он не может «стартовать» сразу – для начала работы ему необходимо достичь достаточной разницы температур между горячей и холодной частями. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей внешнего сгорания, а «стирлинг» стартует все же гораздо быстрее, чем, скажем, паровая машина. Мощность работающего двигателя Стирлинга весьма непросто оперативно изменить, разве что добавлением рабочего тела (такие решения существуют, но приводят к усложнению конструкции). Кстати, воздух далеко не самое эффективное рабочее тело. Водород благодаря своей высокой теплопроводности, теплоемкости и низкой вязкости гораздо более эффективен, но он имеет тенденцию просачиваться сквозь уплотнители и к тому же огнеопасен (также довольно часто в качестве рабочего тела используют гелий).

Таким образом, если нам не нужно часто запускать и останавливать машину, а также менять ее мощность и при этом у нас есть источник тепла, хорошее охлаждение и неограниченный размер – вряд ли существует что-то более подходящее, чем двигатель Стирлинга.

При жизни изобретателя двигатель не слишком успешно пытался конкурировать с паровыми машинами. Один из двигателей мощностью в полсотни лошадиных сил с КПД около 10% (что превышало аналогичный показатель паровых машин), построенный Робертом и его младшим братом Джеймсом, несколько лет проработал в литейном цехе в Данди в середине 1840-х. Затем горячий цилиндр лопнул: тогда не существовало жаропрочных сталей, поэтому создать надежные и долговечные детали машин из мягкого железа было проблематично. Впрочем, то же самое относилось и к паровым машинам. Возможно, поэтому Роберт Стирлинг в одном из своих писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера – процесса, который позволял получать не мягкое железо, а твердую и прочную сталь, делающую паровые машины значительно более безопасными. Стирлинг выражал надежду, что сталь даст новую жизнь и его «машинам на воздухе». Но увидеть этого он уже не успел – 6 июня 1878 года изобретатель умер в шотландском городке Галстон в Восточном Айршире.

В начале XX века на сцену вышли двигатели внутреннего сгорания, и машины Стирлинга, казалось бы, навсегда остались в истории. Однако в 1950-х к ним вновь возник интерес благодаря голландской компании Philips, создавшей на базе конструкции Стирлинга эффективную криогенную машину (двигатель Стирлинга может работать как тепловой насос, преобразовывая механическую работу и перекачивая тепло от одного тела к другому). Сейчас и двигатели, и холодильные машины Стирлинга, реализованные на современном уровне, выпускаются многими крупными компаниями. Они позволяют использовать любое топливо (и вообще любые источники тепла) и при этом более эффективны (КПД может достигать почти 40–45%) и значительно более экологичны, тихи и надежны, чем ДВС.



Март 2007
Автор: Дмитрий Мамонтов
Как работает двигатель Стирлинга (альфа-тип): один из цилиндров постоянно подогревается, а второй охлаждается
Как работает двигатель Стирлинга (альфа-тип): один из цилиндров постоянно подогревается, а второй охлаждается
Альфа, бета, гамма

Двигатели Стирлинга по конструкции делятся на три типа. У альфа-типа имеется два цилиндра, горячий и холодный, между которыми расположен регенератор. У двигателя бета-типа 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. У гамма-типа 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 соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром.
Диаграмма T-S (температура-энтропия) термодинамических циклов
Диаграмма T-S (температура-энтропия) термодинамических циклов

КПД тепловых машин

Работа любой тепловой машины идет по определенному замкнутому термодинамическому циклу, состоящему из четырех процессов: сжатия, подвода тепла, расширения и отвода тепла. Каждый процесс может быть: адиабатическим (изоэнтропическим) – без теплообмена с окружающей средой; изотермическим – при постоянной температуре; изохорным (изометрическим) – при постоянном объеме; изобарическим – при постоянном давлении. Зная термодинамический цикл двигателя, можно подсчитать его максимальный теоретический КПД без учета трения и других потерь. Среди всех циклов максимально возможный КПД имеет цикл Карно, состоящий из двух адиабат и двух изотерм, а также цикл Стирлинга из двух изотерм и двух изохор (их теоретические эффективности в идеальном случае равны).
Зарегистрируйтесь сейчас и получите 100 баллов себе на счет!
А разместив ссылку на этот материал Вы получите дополнительные баллы за каждый переход по ней.
Подробнее об условиях акции читайте в правилах.

       
ЧИТАЙТЕ ПО ТЕМЕ


КАК СНИМАЛСЯ 3D-ФИЛЬМ ОБ МКС
Первый 3D-фильм, снятый в открытом космосе – это «Космическая станция 3D», вышедшая в 200...

16/04/14   0


АМНИСТИЯ ДЛЯ ВЛАДЕЛЬЦЕВ БЕСПИЛОТНИКОВ
В США официально разрешили использование беспилотных летательных аппаратов в коммерческих ...

15/04/14   12


БЕЗОПАСНАЯ ХИМИОТЕРАПИЯ: НАНОЧАСТИЦА НЕСЕТ В СЕБЕ СРАЗУ ТРИ ЛЕКАРСТВА ОТ РАКА
Химики Массачусетского технологического института создали наночастицы, способные доставит...

15/04/14   6


ИННОВАЦИОННОЕ ДЕТСКОЕ КРЕСЛО НАДУВАЕТСЯ ЗА 40 СЕКУНД
Компания Volvo Cars разработала автомобильное детское кресло, представляющее собой легкую ...

14/04/14   28
КОММЕНТАРИИ (13)
Написать комментарий:





     ONLINE

Написать личное сообщение
Румата
Зарегистрирован: 25.02.13
Сообщений: 0
Комментариев: 4880
Рейтинг: 288383.00
Баллов на счету: 288383
Добавлено 02.05.13 01:57
- 0 +
bigdrum:
Румата:
bigdrum:
Кстати в композиции с изотопным источником стирлинг гораздо лучше термопары.

С какой стороны смотреть. У термопары нет движущихся частей и поэтому выше надёжность и ресурс.





Зато у Стирлинга выше КПД, плюс он допускает капсулированное исполнение. Плюс можно вместо генерации энергии использовать его как механический привод...


О! приходим к консенсусу? Для генерации термопара без Стирлинга с генератором, а как механический привод - Стирлинг, который будет напрямую, без термопары и мотора напрямую крутить Вам мозги или чего там ещё.


Цитировать
     OFFLINE

Написать личное сообщение
bigdrum
Зарегистрирован: 04.06.11
Сообщений: 0
Комментариев: 3762
Рейтинг: 34505.00
Баллов на счету: 23260
Добавлено 01.05.13 21:37
- 0 +
Пудъ шишлингов:
Хм , заглянул в дуропедию которая радостно со светлой улыбкой идиота сообщила , что при использовании воды в качестве рабочего Стирлинга она используется в жидкой фазе .



В системах охлаждения установок синтеза полимеров вода как раз в виде пара низкого давления .



И? Что вы предлагаете с этим делать?


Цитировать
Пудъ шишлингов
Добавлено 01.05.13 21:20
- 0 +
Хм , заглянул в дуропедию которая радостно со светлой улыбкой идиота сообщила , что при использовании воды в качестве рабочего Стирлинга она используется в жидкой фазе .

В системах охлаждения установок синтеза полимеров вода как раз в виде пара низкого давления .


Цитировать
     OFFLINE

Написать личное сообщение
bigdrum
Зарегистрирован: 04.06.11
Сообщений: 0
Комментариев: 3762
Рейтинг: 34505.00
Баллов на счету: 23260
Добавлено 01.05.13 19:52
- 0 +
Румата:
bigdrum:
Кстати в композиции с изотопным источником стирлинг гораздо лучше термопары.

С какой стороны смотреть. У термопары нет движущихся частей и поэтому выше надёжность и ресурс.



Зато у Стирлинга выше КПД, плюс он допускает капсулированное исполнение. Плюс можно вместо генерации энергии использовать его как механический привод...


Цитировать
     ONLINE

Написать личное сообщение
Румата
Зарегистрирован: 25.02.13
Сообщений: 0
Комментариев: 4880
Рейтинг: 288383.00
Баллов на счету: 288383
Добавлено 01.05.13 17:45
- 0 +
bigdrum:
Кстати в композиции с изотопным источником стирлинг гораздо лучше термопары.

С какой стороны смотреть. У термопары нет движущихся частей и поэтому выше надёжность и ресурс.


Цитировать
     OFFLINE

Написать личное сообщение
bigdrum
Зарегистрирован: 04.06.11
Сообщений: 0
Комментариев: 3762
Рейтинг: 34505.00
Баллов на счету: 23260
Добавлено 01.05.13 16:26
- 0 +
Кстати в композиции с изотопным источником стирлинг гораздо лучше термопары.


Цитировать
Пуд шишлингов
Добавлено 24.10.12 23:19
- 0 +
Леонид:

От эксплуатации паровоза отказались
только из-за низкого КПД парового котла, а паровая машина до сих пор является
лучшим изобретением для транспорта.



! ! ! Х Ы Х ! ! !

Если чо по жизни надо будет притворится умным сообшите окружающим , что паровоз не паровая машЫнка , а пароатмосферная ( вкурите : цикл Карно ) .


Цитировать
Леонид
Добавлено 24.10.12 16:28
- -1 +
От эксплуатации паровоза отказались только из-за низкого КПД парового котла, а паровая машина до сих пор является лучшим изобретением для транспорта. Мы придумали лучший рабочий котел внутреннего сгорания работающего на любом топливе с высоким КПД, которую можно использовать на любом транспорте и этот двигатель может собрать в домашних условиях каждый из серийно выпускаемых узлов и деталей. Откройте сайт (форсирование двигателя Стирлинг стр.2 перпетобиль). Такой вариант силовой установки лучше Стиринга , его еще можно использовать для обогрева помещений . Одним словом - решает все проблемы человечества. Можно использовать как гелиоустановку.


Цитировать
Валерий
Добавлено 16.04.09 22:42
- 0 +
Да, моторчики мне тоже понравились. Могу похвалиться своим творчеством. Тоже в свободное время конструирую небольшие модели двигателей Стирлинга. Посмотреть можно на сайте по адресу: cnc-stanky.narod.ru в разделе "Творчество".


Цитировать
Игорь
Добавлено 09.03.09 22:57
- 0 +
Друзья - прошу всех посетить мой недавно созданный сайт, посвященный всевозможным физическим игрушкам Physicstoys.narod.ru где я посторался собрать массу информации о Стирлингах, их устройстве, изготовлении, в том числе и своими силами. Я сам
уже пару лет увлекаюсь этой темой и имею свои работающие модели разных типов. Всё это с фотками и видео лежит у меня на сайте, заходите кому интересно.


Цитировать
grifoid
Добавлено 25.05.07 00:16
- 0 +
Классные моторчики и цены тоже красивые!
Продажа:
[ссылка]


Цитировать
     ONLINE

Написать личное сообщение
Дмитрий Мамонтов
Редакция «ПМ»
Зарегистрирован: 21.05.08
Сообщений: 42
Комментариев: 10894
Рейтинг: 30998.00
Баллов на счету: 30998
Добавлено 31.03.07 15:25
- 0 +
Нам эту модель предоставил магазин "Eurotrain" [ссылка] .


Цитировать
Irokez
Добавлено 31.03.07 14:48
- 0 +
Очень понравилась машинка.
Подскажите пожалуйста, где купить - что-б стала " ...прекрасным украшением письменного стола" ?



Цитировать
ЭТО ИНТЕРЕСНО
РОЖДЕННЫЙ ЗАНОВО
Джеймс Бонд меняет приоритеты

Перед создателями нового фильма о Джеймсе Бонде стояла серьезная проблема. За последние го...

23/02/07   3
СТРАНА ШОССЕЙНЫХ ГИГАНТОВ
Австралийские автопоезда

Путешествие по Австралии на автомобиле не назовешь безумно увлекательным. Но зато на здешн...

23/02/07   10
КОШМАР ШИНОМОНТАЖНИКА
Стихия грязи

Заброшенный «танковый» полигон с крутыми подъемами, огромные лужи, болота и много-много гр...

23/02/07   19
ПАНАМСКИЙ КАНАЛ 2.0
Шире, безопаснее, технологичней

Мировое судоходство набирает обороты, размеры судов растут, и сейчас это чудо инженерной м...

23/02/07   1
ЗВЕЗДНЫЕ ПАТРУЛИ
Комета твоего имени

Любой романтик со знанием звездного неба при наличии усидчивости и толике удачи может стат...

23/02/07   0
ТОП 5 ТЕМ
СТАРЕЙШИЕ ИЗ ЖИВУЩИХ
ФОТОГРАФИИ РЭЙЧЕЛ СУССМАН

На снимках Рэйчел Суссман – древнейшие из живых существ на Земле. Фотограф спешит объеха...

16/04/14   5
12 УНИКАЛЬНЫХ СОВЕТСКИХ АВТОМОБИЛЕЙ
Представляем вашему вниманию несколько интересных концептов, разработанных во времена СССР...

13/03/14   33
ПОЛНОЕ ЛУННОЕ ЗАТМЕНИЕ: ПРЯМАЯ ТРАНСЛЯЦИЯ
Утром 15 апреля жители Земли смогут наблюдать первое в этом году полное лунное затмение. К...

15/04/14   3
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МОТОЦИКЛ С ПРОБЕГОМ БЕНЗИНОВОГО
Электромотоцикл Johammer J1.200, хоть и напоминает с виду крайне удивленную улитку, спосо...

13/04/14   22
РОССИЯ ИСПЫТАЛА БАЛЛИСТИЧЕСКУЮ РАКЕТУ «ЯРС»
14 апреля в 10:40 по московскому времени с космодрома «Плесецк» (расположен в 180 километ...

14/04/14   19
ацц инструкция по применению
ПОПУЛЯРНЫЙ
ЛЕКТОРИЙ
МОСКВА
  ЗАЧЕМ ЧЕЛОВЕКУ ЭМОЦИИ?  
Все ли люди переживают одно и то же?
22 апреля
ОБСУЖДЕНИЯ
ВСЕ КОММЕНТАРИИ
С ЧЕГО НАЧИНАЕТСЯ УТРО
Дело в том, что пока нет окончательных и устоявшихся представлений ни о механизме действия кофеина.....
02:03
ОТ РЕДАКТОРА
...мы в ответ на эти предсказания чувствуем себя все лучше и лучше. ...история о беспилотных ис...
01:47
ПОДТВЕРЖДЕНО: ТЕТРАКВАРКИ СУЩЕСТВУЮТ
Сергей А.: Makcиm: т.е. я правильно понимаю , что найденные тетракварки целиком и полностью описыв...
01:36
НОВЫЕ МЕТОДЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 3D-ПЕЧАТИ В МЕДИЦИНЕ
понятно , что потеренная кровь это та кровь которая вытекла из раны или разреза во время операции ...
01:22
ПОДВОДНАЯ ОДИССЕЯ NOKIA
Интересно, что этот смартфон, в отличие от многих конкурентов, не имеет защиты от воды и, вероятно, ...
01:18
10 ПОДВИГОВ И СУМАСШЕДШИХ ВЫХОДОК УЧЕНЫХ
больные...
01:12
ЭДИСОН БЫЛ ПРАВ
Эдисон был прав: За постоянный ток! — Популярная механика replica bags replica bags[ссылка]
01:10
ДОБЫЧА ЗОЛОТА ИЗ СТАРЫХ СМАРТФОНОВ
sarabuz: Какая-то скудная заметка. Ни условий, ни вида грибов. Непонятно. БАКТЕРИЯ, НЕСУЩАЯ ЗОЛОТЫЕ...
00:53
ДОБЫЧА ЗОЛОТА ИЗ СТАРЫХ СМАРТФОНОВ
sarabuz: Непонятно. Возможно только из смартфонов? Не только из смартфонов и даже без грибов. ...
00:35
ЧТО МОЖНО И ЧЕГО НЕЛЬЗЯ УЗНАТЬ О ПСИХИКЕ ЧЕЛОВЕКА?(ЧАСТЬ 2)
Уважаемые верните звук! Пожалуйста!
00:05
ДОБЫЧА ЗОЛОТА ИЗ СТАРЫХ СМАРТФОНОВ
Какая-то скудная заметка. Ни условий, ни вида грибов. Непонятно. Возможно только из смартфонов? А ес...
00:01
БИОПРИНТЕР
Frothuss: это что же получается? я не умру в 50 лет от цироза печени?! Нет, ты умрешь в 49, ...
23:52
КОНКУРС «РАБОТА МЕЧТЫ»
Гаечный ключ в руках космонавта - да, это, доложу я вам - штука страшная :)
23:51
ПОДТВЕРЖДЕНО: ТЕТРАКВАРКИ СУЩЕСТВУЮТ
reguser: bigdrum: Квинтиллион-сик стиллион-кварк звучит гордо :) - Девочка! тебе кт...
23:49
КАК УБИТЬ БЕСПИЛОТНИК
Дровосек: БМ: с высоты сотни метров её заметит часовой невооружённым взглядом и срежет очер...
23:48
»  Все комментарии