Motorul StirlingEste un motor cu alimentare externă. Fluid principal este un gaz supus la un ciclu de patru

etape: incalzire isochoric (volum constant), de expansiune izoterme (la temperatura constanta), răcire şi compresie isochoric izotermice. El a fost numit devreme cu aer cald motor, dar nu

există un alt motor cu aer cald.

Robert Stirling în 1816 a inventat motorul cu aer cald, dar pentru a îmbunătăţi eficienţa sale, acesta a oferit o schimbare semnificativă suficient pentru a da o dezvoltare reală: un

regenerator între cele două pistoane care are foarte îmbunătăţit în mod semnificativ de performanţă.

Necunoscute publicului larg, ci o referinţă pentru specialişti, acest motor are multe avantaje. Nu a fost larg răspândită în momentul de dominare a motoarelor cu aburi au avut defect serios

exploda, uneori, şi provoca victime.

În prezent, ştim cum să construiască maşini cu aer cald sau motoare Stirling ale căror performanţe, depăşeşte cu mult că de motoare cu combustie internă.

 

 Istorie

În secolul al XIX-lea, cazanele de abur explodat de multe ori. Pentru a rezolva această problemă, Robert Stirling a inventat un motor, fără a face obiectul cazan de presiune excesivă.

De căldură este furnizat din afara maşinii, reducând riscul de explozie, deoarece nu este necesară pentru a fierbe apa într-un cazan la presiune inalta, deoarece încălzirea aerului din jur prin combustie este suficientă pentru această puterea motorului. Astfel, brevet Stirling au depus

27 septembrie 1816. De asemenea, stabilirea unui regenerator în sistemul de ţevi motorul a evitat pierderea prea mult de energie, îmbunătăţirea performanţelor acestuia. În 1843, fratele

său, James "industrializare", acest motor pentru a fi utilizate în fabrica în care el a fost un inginer. Cu toate acestea, din cauza unor disfuncţionalităţi diferite şi o putere prea mică în

comparaţie cu motorul cu aburi şi mai târziu motor cu combustie internă, motorul cu aer cald Stirling nu a obţinut succesul scontat. Motorul Stirling nu mai era un obiect de studiu pentru

fizicienii care înţeleg funcţionarea motorului Stirling, mult timp după invenţiei sale, cu apariţia de termodinamicii.

În 1871, progresul a termodinamicii în secolul al nouăsprezecelea a făcut posibilă în Gustav Schmidt pentru a descrie matematic ciclul Stirling [2]. Nu a fost până cercetărilor a companiei

olandeze Philips în anul 1930 pentru motorul Stirling este din nou serios luate în considerare şi că aplicarea acesteia în toate tipurile de tehnologii să fie testate: în 1938, un motor Stirling

peste 200 de cai putere cu un randament de peste 30% (comparabil cu motoare pe benzina curent), este creat. Cu toate acestea, această tehnologie are aplicaţii în criogenie. Numai în

ultimele decenii şi evoluţiile din motorul a început să fie interesant pentru industrie, deoarece de creştere necesitatea societală de surse alternative de energie. Într-adevăr, nu este pentru că

Robert Stirling folosit motorul cu combustie a puterii sale de energie termică care nu este posibil să se folosească alte surse de energie: solară, geotermală, de încălzire nucleară, respinsă de

către fabrici, etc. Din punct de vedere ecologic, este extrem de interesant, mai ales ca regenerator, deoarece încălzeşte şi precools gaz, literalmente permite reciclarea de energie.

Astfel, progresele în domeniul ştiinţei materialelor permite acum utilizarea de materiale care pot rezista la diferenţe foarte mari de temperatură şi compozite care îmbunătăţesc transfer de

căldură în regenerator [3]. Situaţia este de aşa natură încât motoarele Stirling sunt cuplate cu mâncăruri gigant solare şi utilizare a energiei solare cu o eficienţă mai mare în celule

fotovoltaice, chiar dacă pentru un preţ ridicat. De asemenea, el a luptat în 2008, record pentru convertirea energiei solare, cu o rată de conversie de 31.25% prin utilizarea de oglinzi

parabolice ca concentratoare solare [4].

Astăzi, motorul Stirling este obiectul de multe experimente cu atât amatori şi de către companii specializate în energie, sau de către NASA.

 Principiu, avantajele şi dezavantajele  Principiul

  motor Stirling alimentat de diferenţa de temperatură dintre aerul înconjurător şi de palmier a principiului main.Le este relativ simplu: fluid principal care produce lucru este un gaz (aer,

hidrogen sau heliu), supus unui ciclu care cuprinde 4 faze: incalzire isochoric (volum constant), de expansiune izoterme (la temperatura constanta), răcire şi compresie isochoric izotermice.

Scopul este de a produce energie mecanică de la energie termică. La începutul ciclului, de gaz din interiorul motorului este mutat într-o încălzit de o sursa de energie: temperatura şi presiunea creşte. Apoi ne-am permite gazului în piston să se extindă. Gaz a transformat energia termică în energie mecanică. De fapt, un gaz de înaltă presiune, care se extinde poate oferi o mulţime

de energie mecanică. Cu toate acestea, gazul nu se poate extinde la infinit: trebuie să comprimare a gazului în piston la starea sa iniţială (astfel încât se poate extinde din nou mai

târziu), utilizând puterea minimă (sub forma de comprese cererea de gaze pentru energie mecanică). Pentru a face acest lucru, mutaţi de gaz din partea fierbinte la partea rece a

motorului, reducând astfel presiunea. Utilizarea energiei mecanice furnizate chiar mai devreme, îl comprimă gazul: ca un gaz comprese la presiune scăzută necesită mai puţină energie decât

extinderea unei livrărilor de gaze de înaltă presiune sunt recoltate un surplus de energie mecanică la fiecare Odată ce aţi repeta ciclul de expansiune la presiune inalta - compresie de

joasă presiune. Desigur, noi trebuie să hrana pentru animale în mod constant de energie motorului termic [2]. Acest ciclu este numit termodinamica ciclul Stirling (deşi acest lucru nu este

Stirling a fost descris) [1].

Motorul sursă fierbinte (rosu piston de mai sus) este furnizat de o sursa externa: combustie externă de petrol, gaze naturale, carbune, lemn, dar şi de energie regenerabilă, cum ar fi

energia solară sau geotermală.

 Ciclu Stirling  

Diagrama Clapeyron a teoriei ciclului Stirling. În aplicaţiile practice, utilizând ciclul Stirling, ciclul este aproape elliptiqueLe ciclu Stirling este un ciclu termodinamic care descrie motorul Stirling. Aceasta include primul motor Stirling inventat, dezvoltat si patentat in 1816 de Robert Stirling şi

fratele său.

Ciclul este reversibil, în sensul că dacă lucrul mecanic este furnizat, el poate funcţiona ca o

pompă de căldură şi să furnizeze căldură sau de frig (inclusiv rece criogenice). Ciclul este un gaz cu ciclu închis regenerativ, folosind un fluid. Ciclu "închis" înseamnă că fluidul de lucru este

permanent în maşină termodinamice. Acest lucru clasifică, de asemenea, motorul cu ardere externă. "Regenerativ" se referă la prezenţa unui schimbător de căldură care duc la creşterea

eficienţei termice a dispozitivului.

Ciclul este acelaşi ca de cele mai multe cicluri termice şi constă în patru etape: 1. Comprimare, 2. Încălzire, 3. Relaxare, 4. De răcire.

Teoretice Ciclul Stirling are patru faze (vezi diagrama din dreapta):

Punctele 1-2, de expansiune izotermice. Zona de recreere este încălzită din exterior şi de gaze urmează o expansiune izoterm.

Punctele 2-3, de răcire la volum constant (isochoric). Gazul trece prin regenerator este răcit prin transferul de căldură pentru a fi utilizat pentru următorul ciclu.

Punctele 3-4, de compresie izotermă. Zona de compresie este răcit şi gaze urmează o compresie izotermă.

Punctele 4-1, de încălzire isochoric. Gaz curge prin regenerator şi extracte de căldură.

 Beneficii Producătoare de vibraţii putin din cauza lipsei de explozie, lipsa de valve care se deschid şi se

închide, lipsa de gaz scăpa. Acest lucru face mai silenţioase şi reduce solicitari mecanice. Intretinere usoara datorita lipsei sale de schimb de materiale cu mediul şi lipsa de reacţii chimice interne, motorul se deterioreze cu excepţia cazului în motorul cu ardere internă. performanţă bună: se poate abordare de 40% [5] (80% din ciclul Carnot maxim), faţă de

aproximativ 35% pentru motoare cu combustie internă: în cazul în care diferenţa de 5 puncte pare scăzut, înseamnă că încă aproape 15 % (5 / 35) de suplimentare de energie. Motoare electrice, a căror performanţă poate ajunge la bine de 95%, nu sunt comparabile, deoarece

energia electrică este o formă de energie greu pentru a stoca şi a transporta un randament de aproape 100%, care este un puternic limită pentru anumite aplicaţii.

Reversibile. Ciclul Stirling este reversibilă: un motor Stirling acţionate de către un alt motor este o pompa de caldura capabilă să răcească la -200 ° C sau temperaturi de peste 700 ° C, după direcţia de mers. Acest lucru, fără a utiliza gaz cu proprietati speciale care le fac dezavantajele

practice sau chimice (cum ar fi echipamentele de refrigerare freon generaţiile mai în vârstă, distrugerea stratului de ozon). În practică, în plus, este funcţia de pompe de căldură eficient,

care permite unei maşini există puţine. Multi-source. Datorită modului său de alimentare cu energie termică acest motor poate rula de

la orice sursă de căldură (de ardere din orice combustibil, solare, nucleare, sau caldura) Potenţial mai mic de poluare. Caldura din exterior este posibil, folosind combustibili non-fosili, să furnizeze atât de mult mai curat decât motoarele cu ardere internă în cazul în care arderea

este imperfect.

 DezavantajeAnşeitatea a pistoanelor sau este mai mare decât motorul cu combustie internă şi este dificil de

realizat. Temperaturi foarte ridicate şi necesitatea de a utiliza un gaz mai uşor se poate complica problema.

design delicate. În timp ce motoarele cu combustie internă generează căldură direct în fluid, foarte rapid şi foarte omogen, bazat pe un transfer de căldură Stirling între gaz şi noduri (două surse, de recuperare), în timp ce gaze sunt izolatoare termice în care schimburile sunt foarte

lent. În plus, noi trebuie să reducă volumul de "moarte" (care conţine lichid care nu reuşeşte ciclu şi, prin urmare, nu contribuie la performanţă). Toate acestea ridică probleme de dinamica

fluidelor, probleme dificile, la noduri, colector, conducte sau cu piston, care permite mişcarea de gaz în timpul ciclului (probleme în diametru, lungime, creând turbulenţe sau de a evita, etc.).

Greu de controlat. Un argument împotriva ei este de a scuza lipsa de receptivitate: schimbarea de regim a acestui motor este foarte dificil de realizat, deoarece poate fi teoretic face prin care

acţionează pe raportul de compresie a fluidului de lucru. Dar el poate fi corect în funcţie de aplicaţie, folosind metode cum ar fi transmiterea în cazul unui arbore de acţionare la roţi, sau

nici o schimbare în care a de conducere o elice. Acesta este motivul pentru motorul Stirling este considerat în mod greşit ca având o capacitate foarte săraci de a produce putere şi cuplu

variabil neajuns considerat foarte important pentru propulsie auto, în special, în timp ce este tocmai faptul că aceasta a depus cererea averile a motorului cu ardere internă. Acest neajuns

ar putea fi redus în cazul unui "sistem hibrid" (motorul merge la turaţie constantă, atunci, modularea puterii este susţinută de sistemul electric), dar ele sunt încă rare. Pe o barca sau un

avion cu elice cu pas variabil, acest lucru nu este însă o problemă. Având în câteva aplicaţii astăzi că în masă (a se vedea generatoare WhisperGen), spre

deosebire de motorul cu combustie internă, aceasta este mult mai scump, din ce în ce, pentru acelaşi motiv, producătorii nu ai acorda acelaşi interes în termeni de cercetare şi dezvoltare, care nu îi permite să recupereze (presupunând posibil). Curând [evaziv], această situaţie ar

putea evolua pozitiv cu dezvoltarea de cercetare cu privire la producţia de energie şi, în special cele referitoare la energia regenerabilă.

 Utilizarea

Motorul Stirling are aplicatii de nisa, în situaţiile în care costul iniţial al sistemului nu este un dezavantaj serios în comparaţie cu beneficiile (militar, cercetare, avansat).

Principala aplicaţie comercială a Stirling este în domeniul de refrigerare industriale şi militare. Acesta serveşte ca o maşină de lichefiere a gazelor şi ca un cooler pentru sistemele militare de

orientare infraroşu. Folosit ca un generator de energie electrică în Islanda, Japonia, şi în medii extreme, cum ar fi

deserturi şi Arctic Australia de mai multe misiuni ştiinţifice şi militare. Este folosit de marina de Suedia, Australia şi, în curând americanii submarin de atac ca un

motor principal întreg, mai ales pentru submarine, suedeză Gotland clasă, nu numai din cauza tăcerii lui, proprietate crucială pentru submarine, dar, de asemenea, mult mai mici pentru producţia de gaze nearse necesare pentru furnizarea de gradientul termic (diferenţa de

temperatură) la un motor Stirling, de fapt, un submarin poate arunca cu capul de gaze de eşapament că prin comprimare la o presiune cel puţin egală cu cea a mediului, care necesită (şi

irosindu-şi) o proporţie semnificativă de energie disponibile la bord. Acest motor, de asemenea, anumite clase de fregate americane, sistemul de răcire a

reactorului nuclear submarine şi mai multe portavioane, precum şi pe UAV-anduranta. Datorită capacităţii sale FlexFuel a fost testat cu succes de URSS pe un tanc prototip greu

câteva al căror "obiect 167" înainte de a fi abandonat din motive politice, precum şi economic, în timpul tranziţiei la economia de piaţă în toamna a blocului sovietic.

NASA şi alte agenţii spaţiale-l folosească pentru a oferi puterea de a sateliţii şi sondele spaţiale, în plus faţă de panouri solare, care vă ajută să se orienteze pentru performanţe optime.

Producătorul de personal computer placi de baza MSI a introdus la începutul anului 2008 un ventilator de racire, care este propulsat de un motor Stirling ca o sursă de căldură care

utilizează energia eliberată de cipul răcire [6]. Cele mai mari producători de cazan oferă, în 2009, o generaţie de plante micro folosind un

motor Stirling. Acest tip de cazan de mărimea unui încălzitor de apă nu pot doar apă de caldura

pentru uz casnic (încălzire, apă caldă), dar, de asemenea, pentru a produce electricitate pe plan local [7].

Numărul de exemplare sunt folosite în scopuri educaţionale în fizica clasa pentru a demonstra principiile termodinamicii. Unele alimentat de căldura solară concentrată de către un vas ca

modelele folosite în unele centrale electrice solare care genereaza electricitate, altele necesită căldură doar o ceaşcă de cafea sau care a palmei de o parte, să funcţioneze. [8] şi [9].

 Tipuri de motor Stirling  Stirling alfa

Un alfa Stirling conţine două pistoane de putere separate, cu piston "fierbinte" piston şi "rece". Piston fierbinte este aproape de schimb cu temperatura cea mai ridicată şi pistonul rece este

situat în apropierea punctului de schimb de cea mai joasă temperatură.

Acest tip de motor are un raport putere-volum este foarte mare, dar problemele tehnice legate de (des) la temperaturi ridicate ale sigiliilor piston fierbinte.

Mai jos este o diagramă de motor Stirling alfa (a explicat pentru a roti sensul acelor de ceasornic).

1. Gazul de lucru este încălzit în contact cu pereţii cilindrului cald (rosu), a văzut şi mărească volumul. Extinderea de gaze a împins piston fierbinte în partea inferioară a cursei sale în

cilindru (stânga aici). Gaz extinderea apoi continuă să cilindru rece (albastru), a căror ciclu este întârziată de 90 ° în raport cu rola fierbinte.

 2. De gaz este acum la volumul maxim. Piston cald (rosu) trimite cele mai multe din butelie de gaz la rece (albastru), care începe de răcire.

 3. Aproape toate buteliei de gaz este acum în răcire cu gaz rece (albastru) şi continuă. Presiunea gazului este la minim sa: pistonul se duce în jos rece.

 4. De gaz este acum la volumul său minim, se va încălzi din nou în rola fierbinte: ea se extinde, se împinge pistonul şi cald, şi ciclul începe din nou.

   

 Stirling beta O versiune beta Stirling utilizează, de asemenea, un volum de gaz delimitate între două

pistoane. Ambele pistoane combina:

mişcare relativă, atunci când schimbă volumul de gaz; o mişcare comună care deplasează volumul de cald la frig, şi vice-versa.

Volumele situat pe cealaltă parte a pistoanelor nu sunt funcţionale. În ilustraţie de top, se vede altfel portul de comunicare al uneia dintre aceste volume cu exteriorul. Pistoanele sunt atât

strânse. Principiul de beta motor de fapt, se apropie de cea a motorului gamma, cu excepţia faptului că ambele zone calde şi reci sunt situate în acelaşi cilindru. Avantajele sunt

compactitatea şi lipsa de pierdere aerodinamice, dezavantajele sunt pierderile de căldură prin conducţie, şi, de asemenea, imposibilitatea de a folosi un regenerator.

Există motoarele cu piston coaxiale Stirling, de asemenea, Beta motor calificat, unul dintre cele două pistoane nu este strâns: ea joacă rolul de venit, şi volumul situat deasupra refulare este funcţional. Aceste motoare sunt similare cu motoarele astfel Gamma descrise mai jos, dar nici

un volum mort.

 Stirling gamma O gama Stirling este un motor Stirling cu un piston putere şi piston joacă numai rolul de motor.

Numai piston are un sistem de închidere.

Refulare a avut loc succesiv zona fierbinte şi zona rece, urmarind de fiecare dată de gaz în zona opusă. Variaţiile de temperatură în care gazul este apoi supus pentru a genera schimbări

de presiune, care pune în mişcare motor cu piston.

Volumul măturat de refulare nu poate fi neapărat şters de puterea piston, este un volum mort. Din acest motiv, motorul Gamma, nu pot atinge rate de compresie ridicată, ceea ce limitează posibilităţile de întoarcere. Cu toate acestea, simplitatea mecanice face un sistem utilizat pe

scară largă, de asemenea, motoarele cu mai mulţi cilindri.

Unele motoare au o deplasare Gamma strâmt: gaz împrumută-un circuit extern pentru a trece de la o zonă la alta, atunci este posibil de a plasa un regenerator pe circuitul exterior, creşterea

randamentului.

 Alte evoluţii a principiului variaţii Mulţi au fost propuse [10]:

Înlocuirea piese de mecanica solide elastice: membrane, lichid sau gaz, aceştia pot obţine gratuit motoare cu piston, la displacers liber, sau ambele. S-ar putea nota, de asemenea, cazul

unui motor pompa numit Stirling Fluidyne ale căror supape sunt în mişcare numai piese mecanice, motor INFINIA a se vedea, de asemenea, [11].

Motorul Stirling montare serie permite fiecărui piston să joace strămutând dublu rol şi motor, dacă motorul este "efectul dublu", de exemplu.

Transpunerea motor rotativ (a se vedea Quasiturbine) principiul motorului Stirling pot fi combinate cicluri în serie într-o singură mişcare de rotaţie.

Este, de asemenea schimba ca punerea în comun a fluidelor de lucru, cazul motorului Stirling-Vuilleumier, dar ciclu termodinamic care nu mai propriul motor Stirling, atunci ne apropiem de o

nouă clasă de motoare cu ardere externă