Om te beginnen is de achternaam Stirling vrij gebruikelijk in zowel Engeland als Schotland. Dat wil zeggen, als er Stirling Castle is, waarom dan niet "Mr. Stirling"? En precies zo'n persoon - de Schotse priester Robert Stirling ontving op 27 september 1816 een Brits patent voor een motor die niets te maken had met een stoommachine! Bovendien bleek de naar hem vernoemde motor uniek te zijn, aangezien hij op elke warmtebron kon werken!
Robert Stirling.
In 1843 gebruikte zijn zoon James Stirling de motor van zijn vader in een fabriek waar hij als ingenieur werkte. Welnu, al in 1938 werden er motoren gemaakt met een vermogen tot 200 pk. en een rendement van 30 procent.
Het werkingsprincipe van deze motor is om de werkvloeistof afwisselend te verwarmen en af te koelen in een volledig gesloten cilinder. Gewoonlijk is het werkmedium lucht, maar waterstof en helium, evenals freonen, stikstofdioxide, vloeibaar gemaakt propaan-butaan en zelfs water kunnen worden gebruikt. Bovendien blijft het gedurende de thermodynamische cyclus vloeibaar. Dat wil zeggen, het ontwerp van de motor is uiterst eenvoudig en maakt gebruik van de bekende eigenschap van gassen: hun volume neemt toe door verwarming en door koeling neemt het af.
Een van de vele zelfgemaakte sterlingen.
De Stirling-motor gebruikt … de "Stirling-cyclus", die, in termen van zijn thermodynamische efficiëntie, niet alleen niet slechter is dan de Carnot-cyclus, maar zelfs enkele voordelen heeft. In ieder geval is het de "Stirling-cyclus" waarmee je in slechts een paar uur een werkende motor hebt gemaakt van een gewoon blikje.
Beta Stirling-apparaat.
De "Stirling-cyclus" zelf omvat vier hoofdfasen en twee overgangsfasen: verwarming, expansie, overgang naar een koude bron, koeling, compressie en overgang naar een warmtebron. Welnu, we krijgen nuttig werk bij het uitbreiden van het volume verwarmd gas.
Fase 1.
Fase 2.
Fase 3.
Fase 4.
De werkcyclus van de beta-type Stirlingmotor: a - verplaatsingszuiger; b - werkende zuiger; c - vliegwiel; d - vuur (verwarmingsruimte); e - koelribben (koelgebied).
Het werkt als volgt: er zijn twee cilinders en twee zuigers. Een externe warmtebron - en dat kan zelfs hout zijn, zelfs een gasbrander, zelfs zonlicht - verhoogt de temperatuur van het gas in het onderste deel van de warmtewisselaarcilinder. Er ontstaat druk en deze duwt de werkzuiger omhoog en de verdringerzuiger past niet strak tegen de cilinderwanden. Verder duwt het vliegwiel, scrollend, het naar beneden.
Stirlingschema uit een blikje.
In dit geval komt hete lucht uit de bodem van de cilinder de koelkamer binnen. In de werkkamer koelt het echter af en trekt het samen, en dan snelt de werkzuiger naar beneden. De verdringerzuiger beweegt naar boven en daarmee de gekoelde lucht naar de bodem. De cyclus wordt dus herhaald. Bij de Stirling wordt de beweging van de werkzuiger 90° verschoven ten opzichte van de verplaatsingszuiger.
Foto van een stirling uit een blikje.
In de loop van de tijd verschenen er veel verschillende ontwerpen van "styling", genoemd naar de letters van het Griekse alfabet: alfa, bèta, gamma, die verschillen in de werkcyclus hebben. De fundamentele verschillen tussen hen zijn klein en komen neer op de opstelling van de cilinders en de grootte van de zuigers.
Stirlingmotor met lineaire dynamo.
Alpha Stirling heeft twee afzonderlijke krachtzuigers in verschillende cilinders: warm en koud. De cilinder met de hete zuiger bevindt zich in de warmtewisselaar, die een hogere temperatuur heeft, en de cilinder met de koude zuiger in de koudere. De regenerator (d.w.z. de warmtewisselaar) bevindt zich tussen het warme deel en het koude deel.
Beta Stirling heeft maar één cilinder, heet aan de ene kant en koud aan de andere. De zuiger beweegt in de cilinder (waaruit de kracht wordt verwijderd) en de verdringer, die het volume van zijn hete zone verandert. Gas wordt via een regenerator naar het hete uiteinde van de cilinder gepompt vanaf het koude uiteinde van de cilinder.
Gamma Stirling heeft ook een zuiger en een verdringer, en twee cilinders - koud (waar de zuiger beweegt van waaruit de stroom wordt verwijderd) en warm (respectievelijk waar de verdringer beweegt). De regenerator is extern, in dit geval verbindt hij het warme deel van de tweede cilinder met de koude en tegelijkertijd met de eerste (koude) cilinder. De interne regenerator maakt in dit geval deel uit van de verdringer.
Er zijn varianten van de Stirlingmotor die niet onder deze drie klassieke typen vallen: bijvoorbeeld de roterende Stirlingmotor, waarbij de lekkageproblemen worden opgelost en er geen krukmechanisme is, aangezien deze roterend is.
Wat is er goed aan Stirlings en waarom zijn ze slecht? Allereerst zijn ze alleseters en kunnen ze elk temperatuurverschil aan, ook tussen verschillende waterlagen in de oceaan. De verbranding daarin is constant van aard, wat zorgt voor een efficiënte verbranding van brandstof, wat betekent dat de milieuvriendelijkheid hoger is. Bovendien heeft hij geen uitlaat. Minder geluidsniveau - geen "explosies" in de cilinders. Minder trillingen bijvoorbeeld bij een beta stirling. De werkvloeistof wordt niet verbruikt door styling. Het ontwerp van de motor is uiterst eenvoudig, er zijn geen gasdistributiemechanismen nodig. Een starter is niet nodig, net zoals een versnellingsbak niet nodig is.
De eenvoud en de afwezigheid van een aantal "delicate" knooppunten zorgen ervoor dat de "stirling" een ongekende prestatie levert voor alle andere motoren in tien- en honderdduizenden uren continu bedrijf.
Zweedse onderzeeër "Gotland".
Stirlings zijn erg zuinig. Zo geeft de omzetting van zonne-energie in elektriciteit door middel van stirling een hoger rendement (tot 31, 25%) dan warmtemotoren die op stoom werken. Hiervoor wordt de "styling" in het brandpunt van de parabolische spiegel geplaatst, die de zon "volgt", zodat zijn cilinder constant wordt verwarmd. Op zo'n installatie in Californië werd in 2008 het bovenstaande resultaat behaald en nu is er de bouw van een groot zonnestation op de stirlings. Je kunt ze aan de schil van hoogovens bevestigen en dan zal het continu smelten van ruwijzer ons veel… goedkope energie opleveren, want nu gaat deze warmte verloren!
Er is over het algemeen maar één nadeel aan styling. Het kan oververhit raken en dan zal het meteen mislukken. Om een hoog rendement te bereiken, moet het gas bovendien onder zeer hoge druk in de cilinder staan. Waterstof of helium. En dit is een uitzonderlijke pasvorm van al zijn werkeenheden en een speciaal vet voor hoge temperaturen. Nou ja, de afmetingen … de verbrandingskamer is niet nodig. Stirling kan niet zonder haar! En dit is een extra volume en een systeem van isolatie en koeling!
Soryu is een Japanse onderzeeër aangedreven door Stirling-motoren.
De verandering in prioriteiten zal echter waarschijnlijk de weg vrijmaken voor de Stirling-motoren. Als we milieuvriendelijkheid voorop stellen, kan voor eens en altijd afscheid worden genomen van de verbrandingsmotor. Daarnaast is er grote hoop op hen gevestigd voor de totstandkoming van kansrijke zonne-energiecentrales. Ze worden al gebruikt als autonome generatoren voor toeristen. En sommige ondernemingen hebben de productie van sterling vastgesteld, die werkt vanuit een conventionele gasovenbrander. NASA overweegt ook opties voor op Stirling gebaseerde stroomgeneratoren die worden aangedreven door nucleaire en radio-isotopenwarmtebronnen. In het bijzonder is het de bedoeling om een dergelijke styling, in combinatie met een elektrische generator, te gebruiken in de ruimteexpeditie naar Titan die door NASA is gepland.
"Ik nest" - de lay-out.
Het is interessant dat als je de Stirling-motor in de omgekeerde modus start, dat wil zeggen, het vliegwiel van een andere motor draait, het zal werken als een koelmachine (omgekeerde Stirling-cyclus), en het zijn deze machines die zeer effectief bleken te zijn voor de productie van vloeibaar gemaakte gassen.
Welnu, nu we een militair terrein hebben, merken we op dat Stirlings in de jaren 60 van de vorige eeuw werden getest op Zweedse onderzeeërs. En in 1988 werden de Stirlings de hoofdmotor van de Nakken-klasse onderzeeër. Met hen zeilde ze meer dan 10.000 uur onder water. De "Nakken" werden gevolgd door de seriële onderzeeërs van het type "Gotland", die de eerste onderzeeërs werden die waren uitgerust met Stirling-motoren, waardoor ze tot 20 dagen onder water konden blijven. Tegenwoordig hebben alle onderzeeërs van de Zweedse marine Stirlingmotoren, en Zweedse scheepsbouwers hebben de oorspronkelijke technologie ontwikkeld om dergelijke motoren op conventionele onderzeeërs te installeren door er een extra compartiment in te snijden met een nieuw voortstuwingssysteem. Ze werken op vloeibare zuurstof, die vervolgens in de boot wordt gebruikt om te ademen, en het valt op dat ze een zeer laag geluidsniveau hebben. Welnu, de bovengenoemde tekortkomingen (grootte en koelingsprobleem) op een onderzeeër oorlogsschip zijn niet significant. Het voorbeeld van de Zweden leek de Japanners de aandacht waard, en nu bevinden de Stirlings zich ook op de Japanse onderzeeërs van de "Soryu" -klasse. Het zijn deze motoren die tegenwoordig worden beschouwd als de meest veelbelovende all-mode enkele motoren voor onderzeeërs van de 5e generatie.
En zo ziet de styling van een student van de Penza State University Nikolai Shevelev eruit.
Nou, nu nogal wat over wat voor soort… "slechte jeugd" we hebben. Op 1 september kom ik naar studenten - toekomstige motoringenieurs, ik stel ze traditionele vragen, wat ze lezen (vrijwel niets!), Waar ze dol op zijn (hiermee is de situatie niet veel beter, maar meestal zijn de benen bezig, niet het hoofd!), Welke technische tijdschriften zijn ze bekend - "Young Technician", "Model Designer", "Science and Technology", "Popular Mechanics" … (geen!), en dan vertelt een student me dat hij dol op motoren. Een op de 20, maar dat is al wat! En dan vertelt hij me dat hij de Stirlingmotor zelf heeft gemaakt. Ik weet hoe ik zo'n motor uit een gewoon blikje moet maken, maar toen bleek dat hij iets veel effectievers deed. Ik zeg: "Breng het!" - en hij bracht. "Beschrijf hoe je het hebt gedaan!" - en hij beschreef, en ik vond zijn "essay" zo leuk dat ik het hier presenteer zonder enige wijzigingen of afkortingen.
Het begin van het werk is "creatieve chaos".
“Ik heb de technologie altijd leuk gevonden, maar vooral de motoren. Met veel interesse houd ik mij bezig met onderhoud, reparatie en maatwerk. Nadat ik over de Stirling-motor had geleerd, was ik er als geen andere motor door gefascineerd. De wereld van styling is zo divers en groot dat het simpelweg onmogelijk is om alle mogelijke opties voor de uitvoering ervan te beschrijven. Geen enkele andere motor biedt zo'n verscheidenheid aan ontwerp en vooral de mogelijkheid om het zelf te maken.
Ik had ideeën om een model van een motor te maken van een blikje en andere geïmproviseerde middelen, maar het stond niet in mijn regels om "hoe dan ook en van wat het kreeg" te doen. Daarom besloot ik deze taak serieus te nemen, om te beginnen met de theoretische voorbereiding. Ik heb de literatuur op internet bestudeerd, maar de zoektocht leverde niet het gewenste resultaat op: recensieartikelen en video's, het ontbreken van tekeningen voor de modellen van deze motor. De afgewerkte modellen werden voor een te hoge prijs verkocht. Bovendien een grote wens om alles zelf te maken, het werkingsprincipe te begrijpen, te debuggen en tests uit te voeren, nuttig werk van deze motor te krijgen en zelfs te proberen het gebruik ervan in de economie te vinden.
"Zaken draaien!" (Een slimme student, hij filmde het hele proces van werk als aandenken. Cadeau, burger, documentair fotografisch bewijs … en hier zijn ze!)
Ik vroeg wat rond op de forums en ze deelden de literatuur met mij. Het was het boek "Stirling Engines" (auteurs: G. Ryder en C. Hooper). Het weerspiegelde de hele geschiedenis van dit type motorbouw, waarom de snelle ontwikkeling stopte en waar deze motoren nog steeds worden gebruikt. Uit het boek leerde ik in meer detail alle processen die in de motor plaatsvinden, vond ik de antwoorden op de interessante vragen. Het was interessant om te lezen, maar ik wilde oefenen. Natuurlijk waren er geen tekeningen van garagemodellen, evenals op internet, natuurlijk, behalve een model uit een blik en schuimrubber.
Tot mijn grote geluk plaatste de persoon die de stylingmodellen verkocht een cursus over het maken van dergelijke modellen, hij bood het destijds aan voor $ 20, ik schreef hem en betaalde voor de cursus. Na het bekijken van alle video's, waarin hij elk een bepaald type styling uitlegde, besloot ik om precies de styling op hoge temperatuur van het gamma-type te doen. Omdat hij me interesseerde met zijn ontwerp, kenmerken en uiterlijk. Van de videocursus leerde ik de geschatte verhouding van de cilinderdiameter, zuigerdiameters, welke spelingen, ruwheid zou moeten zijn, welke materialen bij de vervaardiging moeten worden gebruikt, enkele van de nuances van constructie. Maar nergens waren de afmetingen van de motoren van de auteur beschikbaar, alleen ongeveer de verhouding van de afmetingen van de knooppunten.
Ik woon zelf in een dorp, zou je kunnen zeggen in de buitenwijken, mijn moeder is accountant en mijn vader is timmerman, dus het was op de een of andere manier ongepast om bij hen advies in te winnen over het bouwen van een motor. En ik wendde me tot mijn buurman, Gennady Valentinovich, voor hulp, hij werkte in de nu ingestorte KZTM-fabriek in Kuznetsk.
Over het algemeen bracht Gennady Valentinovich me de volgende dag een aluminium plano van ongeveer 1 m lang en ongeveer 50 mm in diameter. Ik was heel blij, zaagde de spaties af die ik nodig had, en de volgende dag ging ik naar school om te proberen de verwarming en koelkast voor mijn verbrandingsmotor te slijpen. Ik slijpde op een oefendraaibank (waarop grootvader Lenin werkte).
Natuurlijk was daar geen nauwkeurigheid, het buitenste deel van de kachel bleek redelijk goed te zijn, maar het cilindrische deel zelf onder de zuiger zat op een kegel. Trudovik legde me uit dat de kottersnijder buigt, omdat de machine voor dergelijke dingen nogal klein en zwak is. De vraag rees wat te doen… Het was een geluk dat mijn moeder in die tijd als accountant werkte bij een particuliere onderneming, een voormalige autoreparatiefabriek. Valery Aleksandrovich (de directeur van deze fabriek) bleek een geweldig persoon te zijn en heeft me veel geholpen, ik was al voorzien van een professionele Sovjet-machine en een draaier die me hielp. Het ging steeds leuker, en letterlijk een week later was bijna alles klaar, de montage van de motor begon. Er waren bijvoorbeeld interessante momenten in de constructie: de as, waarop het vliegwiel werd gedrukt, werd aan de fijnmechanica-werkplaats in een andere fabriek gegeven (om de nodige nauwkeurigheid voor de lagers te verkrijgen); de koelkast werd op een draaibank geslepen en de plaatsen voor de bevestigingsmiddelen werden gemaakt met een freesmachine, het vliegwiel werd op een slijpmachine geslepen. Het was erg interessant en spannend voor mij. De arbeiders in de fabriek dachten dat ik een student was en schrijf een soort wetenschappelijk werk. Ik zat tot laat in de avond in de fabriek en ze brachten me naar huis in de dienstauto van Valery Alexandrovich. De motor werd gestart in een grote kring van fabrieksarbeiders, iedereen was zeer geïnteresseerd. De lancering was succesvol, maar de motor liep slecht.
Het resultaat bekroont de deal! De hoek van de standaard is tijdens het testen verbrand.
Er werden tekortkomingen aan het licht gebracht, de plastic scharnieren werden vervangen door fluoroplastische, het vliegwiel werd lichter en uitgebalanceerd, de zuiger kreeg een fluoroplastische bevestiging voor een lagere warmteoverdracht en de koelkast kreeg een groter koeloppervlak. Na fijnafstelling heeft de motor zijn technische prestaties aanzienlijk verbeterd.
Ik was zelf verheugd. Als vrienden naar mijn huis komen, is het eerste wat ze doen naar hem toe komen, hem vragen om te beginnen. Gennady Valentinovich reed om de styling van zijn werk te laten zien, iedereen was erg geïnteresseerd, ze hoefden niet eens iemand te bellen, iedereen benaderde, keek en was geïnteresseerd."
De naam van de jonge man is Nikolai Shevelev en hij is het hoofd van de groep. Ik nam hem mee naar de decaan en we hadden met z'n drieën een heel goed gesprek. En toen herinnerde ik me de statistieken dat slechts 2% van de wereldbevolking genoeg is om de mensheid vooruit te helpen op het pad van wetenschappelijke en technologische vooruitgang. Ik telde het totale aantal studenten en realiseerde me dat … je je niet al te veel zorgen hoeft te maken. Met mensen als Nikolai is de vooruitgang voor ons nog steeds gegarandeerd!
