Днес ще говорим за тип двигател, различен от конвенционално използвания двигател с вътрешно горене. Превозните средства обикновено използват двигатели, задвижвани от изкопаеми горива чиято ефективност обикновено не е много висока. В този случай ви представяме двигателят на Стърлинг. Този тип двигател предлага значително по-голяма ефективност от бензиновите или дизеловите двигатели и също така е екологичен.
В тази статия ще разгледаме основните характеристики на двигателя на Стърлинг, как работи и какви са основните му предимства и недостатъци. Ще разгледаме и някои от най-честите употреби на този двигател, който може да играе решаваща роля в енергийния преход.
Двигателят на Стърлинг
Двигателят на Стърлинг е вид двигател с външно горене, който използва налягането, генерирано от газ, който се нагрява и охлажда, вместо вътрешно горене, при което горивата се изгарят. Това е изобретение, което датира от 1816 г., когато е проектирано и патентовано от шотландския преподобен Робърт Стърлинг. Предназначен като по-безопасна алтернатива на парната машина, която доминираше по това време, Stirling предлагаше по-голяма ефективност и безопасност благодарение на простата си конструкция.
Въпреки че имаше трудности да се наложи в широкомащабни приложения поради технически и икономически ограничения, той остава много подходящ в определени сектори, главно поради своите безшумна работа и способността му да генерира енергия от различни източници, включително възобновяема енергия.
В момента използването му се фокусира върху подводници и производство на електроенергия, особено в соларни централи, където двигателите на Стърлинг се възползват от слънчевата топлина, за да генерират енергия ефективно. В следващите раздели ще разгледаме повече подробности за неговата работа и приложения.
Стърлинг работа на двигателя
Двигателят на Стърлинг следва термодинамичен цикъл, известен като Цикъл на Стърлинг, който се състои от четири основни фази: нагряване, разширяване, охлаждане и компресия. За разлика от двигателите с вътрешно горене, при двигателя на Стърлинг газът остава затворен в системата, което означава, че не се отделят замърсяващи емисии, като въглероден диоксид или токсични газове. Това го прави привлекателен вариант от екологична гледна точка.
Основни принципи на работа: Цикълът на Стърлинг се основава на два основни принципа:
- Налягането вътре в газа се увеличава, когато температурата му се повиши в затворен обем.
- Компресирането на газ при постоянен обем също повишава неговата температура.
Тези принципи се прилагат чрез две камери, една гореща и една студена, които съдържат работния газ (който може да бъде хелий, водород, азот или дори въздух). Газът се движи между двете камери, което причинява промени в налягането, което задвижва буталата.
Процесът започва с нагряване на газа в горещ цилиндър. При нагряване газът се разширява и избутва буталото надолу. След това горещият газ се прехвърля в студена камера, където се охлажда и налягането му намалява, позволявайки му да бъде компресиран отново. Това генерира цикличното движение на буталата и преобразува топлинната енергия в механична енергия, полезна за генериране на електричество или за движение на превозно средство.
Части на двигателя на Стърлинг
Двигателят на Стърлинг се състои от няколко ключови части, които работят заедно, за да изпълнят цикъла на преобразуване на енергия:
- Изместващият цилиндър: Отговаря за движението на газа между горещия и студения фокус.
- Мощност на буталото: Преобразувател на топлинната енергия на газ в механична работа, която може да се използва за задвижване на машина.
- Регенераторът: Топлообменник, който абсорбира топлината от газа, когато е във фаза на охлаждане, и я връща, когато газът се нагрее отново. Това помага за подобряване на ефективността на цикъла.
- Горелката или източникът на топлина: Той осигурява топлинната енергия, необходима за загряване на газа.
- Маховик: Той действа като стабилизатор, който поддържа равномерно въртеливо движение, което е от съществено значение за непрекъснатата работа на двигателя.
- Колянов вал: Преобразувател на линейното движение на буталото във въртеливо движение.
В следващия раздел ще опишем подробно всяка фаза от работния цикъл на двигателя, за да разберем как тези части си сътрудничат, за да генерират механична работа.
Етапи на цикъла на двигателя на Стърлинг
Работният цикъл на двигателя на Стърлинг се състои от следните четири фази:
- Разширяване на горещ газ: Топлина се прилага към част от газа в горещия цилиндър, което води до разширяване. Горещият газ избутва буталото надолу, извършвайки механична работа.
- Прехвърляне в студен цилиндър: Горещият газ се прехвърля в студения цилиндър, където бързо се охлажда.
- Компресия на студен газ: Студеният газ се компресира, когато буталото се издига, премахвайки част от топлината, която е получила по време на фазата на разширение.
- Връщане към горещ цилиндър: Сгъстеният газ се връща в горещия цилиндър, където процесът се повтаря.
Предимства на двигателя на Стърлинг
Двигателят на Стърлинг има много предимства пред двигателите с вътрешно горене:
- Тиха работа: Тъй като няма вътрешно горене, двигателят на Стърлинг работи изключително тихо, което го прави идеален за чувствителни към шум приложения като подводници или електрически генератори в градски райони.
- Висока ефективност: Способността му да се възползва от множество външни източници на топлина и ефективният му дизайн му позволяват да постигне производителност, близка до цикъла на Карно. В приложения като когенерация, тази ефективност е много ценна.
- Гъвкавост в източниците на топлина: Двигателят на Стърлинг може да работи с различни източници на топлина, от изкопаеми горива до напълно чиста енергия като слънчева енергия.
- Ниско въздействие върху околната среда: Фактът, че газът е запечатан означава, че не отделя замърсяващи газове, което го прави много екологичен вариант.
- Намалена поддръжка: Благодарение на простия си дизайн и липсата на вътрешни експлозии, двигателят на Стърлинг изисква относително малко поддръжка в сравнение с традиционните технологии с вътрешно горене.
- Дълъг полезен живот: Здравият дизайн и опростеността на системата позволява на двигателите на Стърлинг да имат по-дълъг живот, което им дава голяма стойност при дългосрочни приложения.
- гъвкавост: От подводници, до слънчеви генератори на енергия, до когенерационни системи, двигателят на Стърлинг има широк спектър от приложения, което го прави полезен инструмент за множество индустрии.
Недостатъци на двигателя на Стърлинг
Въпреки многото си предимства, двигателят на Стърлинг има и някои недостатъци, които забавят масовото му приемане:
- Висока първоначална цена: Конструкцията на двигател на Стърлинг с неговите топлообменници и специфични материали, издържащи на налягане и температура, е скъпа, което ограничава неговата конкурентоспособност по отношение на други технологии.
- Липса на популярност: Въпреки че неговите характеристики са впечатляващи, липсата на общи познания за двигателя на Стърлинг е пречка за неговото широкомащабно приемане.
- Проблеми с уплътнението: Запазването на работния газ може да бъде сложно, особено при двигатели, които работят при високо налягане, което се отразява на тяхната производителност и издръжливост.
- Размер и тегло: Двигателите на Стърлинг обикновено са по-обемисти в сравнение с двигатели с вътрешно горене с подобна мощност поради необходимостта от по-големи топлообменници.
- Ограничено време за отговор: Въпреки че е ефективен за приложения с постоянна мощност, двигателят на Стърлинг не е подходящ за системи, които изискват бързи промени в мощността, като превозни средства.
Приложения на двигателя на Стърлинг
Двигателят на Стърлинг намери приложение в няколко ключови области. Сред най-забележителните са:
- Производство на слънчева енергия: В слънчеви райони двигателят на Стърлинг може да използва концентрирана слънчева енергия за генериране на електричество с високи нива на ефективност. Експерименталните инсталации са показали, че тази технология може да бъде силно конкурентна в сравнение с други възобновяеми енергийни източници.
- Задвижване на подводница: Поради безшумната си работа и липсата на въздух за горене, двигателят на Стърлинг се използва в подводници за дълги подводни мисии.
- Изпомпване на вода: В селските райони, където липсата на електричество може да бъде проблем, двигателят на Стърлинг се използва за изпомпване на вода, благодарение на способността му да работи с биомаса или растителни остатъци като източник на топлина.
- Индустриални приложения: Двигателят на Стърлинг също се експериментира в промишлени приложения като спомагателни генератори на енергия в промишлени предприятия, които могат да се възползват от отпадъчната топлина от промишлени процеси.
- Охлаждане: Чрез обръщане на термодинамичния цикъл двигателите на Стърлинг могат да се използват за криогенно охлаждане, достигайки много ниски температури.
Двигателят на Стърлинг се отличава със своята гъвкавост и висока ефективност в специализирани приложения, които изискват постоянна работа и ниски емисии. Въпреки своите ограничения, това е технология с голям потенциал за бъдещето, особено по отношение на намаляването на въглеродния отпечатък и интегрирането с възобновяеми енергийни източници.