เทคโนโลยีประหยัดพลังงาน: เครื่องยนต์สันดาปภายนอก เครื่องยนต์สเตอร์ลิงรุ่นใดมีการออกแบบที่ดีที่สุดสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อใช้งาน

การทำให้ปัญหาระดับโลกรุนแรงขึ้นซึ่งต้องการแนวทางแก้ไขอย่างเร่งด่วน (การสูญเสียทรัพยากรธรรมชาติ มลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ฯลฯ) นำไปสู่ความจำเป็นในการดำเนินการทางกฎหมายระดับนานาชาติและรัสเซียในด้านนิเวศวิทยา การจัดการธรรมชาติและ การอนุรักษ์พลังงาน ข้อกำหนดหลักของกฎหมายเหล่านี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดการปล่อย CO2 ประหยัดทรัพยากรและพลังงาน เปลี่ยนยานพาหนะเป็นเชื้อเพลิงยานยนต์ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ฯลฯ

วิธีหนึ่งที่มีแนวโน้มดีในการแก้ปัญหาเหล่านี้คือการพัฒนาและการแนะนำระบบแปลงพลังงานอย่างกว้างขวางโดยใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิง (เครื่องจักร) หลักการทำงานของเครื่องยนต์ดังกล่าวถูกเสนอในปี พ.ศ. 2359 โดยชาวสก็อตโรเบิร์ตสเตอร์ลิง เครื่องจักรเหล่านี้เป็นเครื่องจักรที่ทำงานในวัฏจักรเทอร์โมไดนามิกแบบปิด ซึ่งกระบวนการบีบอัดและขยายแบบวนรอบเกิดขึ้นที่ระดับอุณหภูมิต่างกัน และควบคุมการไหลของของไหลทำงานโดยการเปลี่ยนปริมาตร

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ไม่เหมือนใครเพราะพลังทางทฤษฎีคือ พลังสูงสุดเครื่องยนต์ทำความร้อน (Carnot cycle) เขาทำงานให้กับ การขยายตัวทางความร้อนแก๊สตามด้วยการบีบอัดของแก๊สในขณะที่มันเย็นตัวลง เครื่องยนต์มีปริมาณก๊าซทำงานคงที่ซึ่งเคลื่อนที่ระหว่างส่วนที่ "เย็น" (โดยปกติอยู่ที่อุณหภูมิแวดล้อม) และส่วนที่ "ร้อน" ซึ่งได้รับความร้อนจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงต่างๆ หรือแหล่งความร้อนอื่นๆ เครื่องทำความร้อนผลิตจากภายนอก ดังนั้นเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจึงจัดเป็นเครื่องยนต์ การเผาไหม้ภายนอก(DVPT). เนื่องจากเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน กระบวนการเผาไหม้ในเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะดำเนินการนอกกระบอกสูบที่ทำงานและดำเนินไปในสภาวะสมดุล วงจรการทำงานจึงถูกนำไปใช้ในวงจรภายในแบบปิดที่อัตราการเพิ่มขึ้นของแรงดันในกระบอกสูบเครื่องยนต์ที่ค่อนข้างต่ำ ลักษณะที่ราบรื่นของกระบวนการความร้อน - ไฮดรอลิกของของไหลในการทำงานของวงจรภายในและในกรณีที่ไม่มีวาล์วกลไกการจ่ายก๊าซ

ควรสังเกตว่าการผลิตเครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้เริ่มขึ้นในต่างประเทศแล้ว ข้อมูลจำเพาะซึ่งเหนือกว่า ICE และ โรงงานกังหันก๊าซ(จีทียู). ดังนั้น เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจาก Philips, STM Inc. เดมเลอร์ เบนซ์”, “โซโล”, “ยูไนเต็ด สเตอร์ลิง” ที่มีกำลังตั้งแต่ 5 ถึง 1200 กิโลวัตต์ มีประสิทธิภาพ มากกว่า 42% อายุการใช้งานมากกว่า 40,000 ชั่วโมงและความถ่วงจำเพาะจาก 1.2 ถึง 3.8 กก. / กิโลวัตต์

ในการวิจารณ์โลกเกี่ยวกับเทคโนโลยีการแปลงพลังงาน เครื่องยนต์สเตอร์ลิงถือเป็นเครื่องยนต์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดในศตวรรษที่ 21 ระดับต่ำเสียง, ความเป็นพิษต่ำของก๊าซไอเสีย, ความสามารถในการทำงานกับเชื้อเพลิงต่างๆ, ทรัพยากรที่ดี, ประสิทธิภาพที่ดีแรงบิด - ทั้งหมดนี้ทำให้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีความสามารถในการแข่งขันมากขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน

สามารถใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงได้ที่ไหน?

โรงไฟฟ้าอัตโนมัติพร้อมเครื่องยนต์สเตอร์ลิง (เครื่องกำเนิดสเตอร์ลิง) สามารถใช้ได้ในภูมิภาคของรัสเซียที่ไม่มีแหล่งพลังงานดั้งเดิมสำรอง - น้ำมันและก๊าซ พีท, ไม้, หินน้ำมัน, ก๊าซชีวภาพ, ถ่านหิน, ของเสียจากการเกษตรและไม้แปรรูปสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ ดังนั้น ปัญหาการจ่ายพลังงานของหลายภูมิภาคจึงหมดไป

โรงไฟฟ้าดังกล่าวเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมเนื่องจากมีความเข้มข้น สารอันตรายในผลิตภัณฑ์การเผาไหม้เกือบสองคำสั่งของขนาดที่ต่ำกว่าของ โรงไฟฟ้าดีเซล. ดังนั้นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบสเตอร์ลิงสามารถติดตั้งได้ใกล้กับผู้บริโภคซึ่งจะช่วยขจัดความสูญเสียในการส่งผ่านกระแสไฟฟ้า เครื่องกำเนิดไฟฟ้าขนาด 100 กิโลวัตต์สามารถจ่ายไฟฟ้าและความร้อนให้กับทุก ๆ ตัว ท้องที่มีประชากรมากกว่า 30-40 คน

โรงไฟฟ้าอัตโนมัติพร้อมเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะพบการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซของสหพันธรัฐรัสเซียในระหว่างการพัฒนาแหล่งใหม่ (โดยเฉพาะอย่างยิ่งในฟาร์เหนือและหิ้งของทะเลอาร์กติกซึ่งจำเป็นต้องมีแหล่งจ่ายไฟอย่างจริงจังสำหรับการสำรวจ งานเจาะ งานเชื่อม และงานอื่นๆ) ที่ไม่ผ่านการกลั่นสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ที่นี่ ก๊าซธรรมชาติ, ก๊าซปิโตรเลียมและก๊าซคอนเดนเสทที่เกี่ยวข้อง

ตอนนี้ในสหพันธรัฐรัสเซียสูญเสียมากถึง 10 พันล้านลูกบาศก์เมตรต่อปี เมตรของก๊าซที่เกี่ยวข้อง สะสมยากและมีราคาแพง ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ สันดาปภายในเป็นไปไม่ได้เพราะองค์ประกอบเศษส่วนเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา เพื่อป้องกันไม่ให้ก๊าซสร้างมลพิษในบรรยากาศจึงเผาทิ้ง ในขณะเดียวกัน การใช้เป็นเชื้อเพลิงยานยนต์จะส่งผลทางเศรษฐกิจอย่างมาก

ขอแนะนำให้ใช้โรงไฟฟ้าที่มีความจุ 3-5 กิโลวัตต์ในระบบอัตโนมัติ การสื่อสาร และระบบป้องกันแคโทดิกในท่อส่งก๊าซหลัก และทรงพลังกว่า (ตั้งแต่ 100 ถึง 1,000 กิโลวัตต์) - สำหรับไฟฟ้าและความร้อนไปยังค่ายกะขนาดใหญ่สำหรับคนงานแก๊สและคนงานน้ำมัน การติดตั้งมากกว่า 1,000 กิโลวัตต์สามารถใช้ในการขุดเจาะบนบกและนอกชายฝั่งในอุตสาหกรรมน้ำมันและก๊าซ

ปัญหาในการสร้างเอ็นจิ้นใหม่

เครื่องยนต์ซึ่งเสนอโดย Robert Stirling เองนั้นมีลักษณะน้ำหนักและขนาดที่สำคัญและประสิทธิภาพต่ำ เนื่องจากความซับซ้อนของกระบวนการในเครื่องยนต์ดังกล่าว ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องของลูกสูบ เครื่องมือทางคณิตศาสตร์แบบง่ายเครื่องแรกได้รับการพัฒนาโดยศาสตราจารย์ G. Schmidt แห่งปรากในปี 1871 เท่านั้น วิธีการคำนวณที่เขาเสนอขึ้นอยู่กับ โมเดลในอุดมคติวงจรสเตอร์ลิงและทำให้สามารถสร้างเครื่องยนต์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ มากถึง 15% จนกระทั่งปี 1953 บริษัทสัญชาติดัตช์ที่ชื่อ Philips ได้สร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นเป็นครั้งแรก ซึ่งเหนือกว่าในด้านสมรรถนะของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

ในรัสเซียพยายามที่จะสร้าง เครื่องยนต์ในประเทศสเตอร์ลิงถูกดำเนินการซ้ำแล้วซ้ำเล่า แต่ไม่ประสบความสำเร็จ มีปัญหาสำคัญหลายประการที่ขัดขวางการพัฒนาและการใช้อย่างแพร่หลาย

ประการแรก นี่คือการสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่เพียงพอของเครื่องสเตอร์ลิงที่ออกแบบไว้ และวิธีการคำนวณที่สอดคล้องกัน ความซับซ้อนของการคำนวณถูกกำหนดโดยความซับซ้อนของการดำเนินการตามวัฏจักรสเตอร์ลิงทางอุณหพลศาสตร์ใน เครื่องจริงเนื่องจากความไม่คงที่ของความร้อนและการแลกเปลี่ยนมวลในวงจรภายใน - เนื่องจากการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องของลูกสูบ

ขาดแบบจำลองทางคณิตศาสตร์และวิธีการคำนวณที่เพียงพอ - เหตุผลหลักความล้มเหลวของวิสาหกิจต่างประเทศและในประเทศจำนวนมากในการพัฒนาทั้งเครื่องยนต์และเครื่องทำความเย็นสเตอร์ลิง หากไม่มีแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่แม่นยำ การปรับแต่งเครื่องจักรที่ออกแบบมาอย่างละเอียดจะกลายเป็นการวิจัยเชิงทดลองที่ต้องใช้ความพยายามในระยะยาว

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการสร้างการออกแบบของแต่ละยูนิต ปัญหากับซีล การควบคุมกำลัง ฯลฯ ความยากลำบากในการออกแบบเกิดจากสารทำงานที่ใช้ ได้แก่ ฮีเลียม ไนโตรเจน ไฮโดรเจน และอากาศ ตัวอย่างเช่น ฮีเลียมมีความลื่นไหลมากเกิน ซึ่งกำหนดความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับองค์ประกอบการซีลของลูกสูบทำงาน ฯลฯ

ปัญหาที่สามคือเทคโนโลยีการผลิตระดับสูง ความจำเป็นในการใช้โลหะผสมและโลหะที่ทนความร้อน วิธีการใหม่ในการเชื่อมและการบัดกรี

อีกประเด็นหนึ่งคือการผลิตเครื่องปฏิกรณ์ใหม่และหัวฉีดเพื่อให้ความจุความร้อนสูงและในทางกลับกันมีความต้านทานไฮดรอลิกต่ำ

การพัฒนาในประเทศของเครื่องจักรสเตอร์ลิง

ในปัจจุบัน รัสเซียได้สะสมศักยภาพทางวิทยาศาสตร์อย่างเพียงพอเพื่อสร้างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่มีประสิทธิภาพสูง บรรลุผลลัพธ์ที่มีนัยสำคัญที่ Stirling Technologies Innovation and Research Center LLC ผู้เชี่ยวชาญได้ทำการศึกษาเชิงทฤษฎีและทดลองเพื่อพัฒนาวิธีการใหม่ในการคำนวณเครื่องยนต์สเตอร์ลิงประสิทธิภาพสูง งานหลักเกี่ยวข้องกับการใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงในโรงงานพลังงานความร้อนร่วม และระบบสำหรับการใช้ความร้อนจากก๊าซไอเสีย เช่น ใน mini-CHPs เป็นผลให้มีการสร้างวิธีการพัฒนาและต้นแบบของมอเตอร์ขนาด 3 กิโลวัตต์

ความสนใจเป็นพิเศษในหลักสูตรการวิจัยได้จ่ายให้กับการศึกษาส่วนประกอบแต่ละชิ้นของเครื่องจักรสเตอร์ลิงและการออกแบบตลอดจนการสร้างแผนผังไดอะแกรมใหม่ของการติดตั้งเพื่อการใช้งานที่หลากหลาย โซลูชันทางเทคนิคที่เสนอโดยคำนึงถึงความจริงที่ว่าเครื่องจักรสเตอร์ลิงมีราคาไม่แพงในการใช้งานทำให้สามารถเพิ่มได้ ประสิทธิภาพทางเศรษฐกิจการใช้มอเตอร์ใหม่เมื่อเปรียบเทียบกับตัวแปลงพลังงานแบบเดิม

การผลิตเครื่องยนต์สเตอร์ลิงนั้นเป็นไปได้ในเชิงเศรษฐกิจ เนื่องจากความต้องการอุปกรณ์ไฟฟ้าที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพสูงในรัสเซียและต่างประเทศมีความต้องการไม่จำกัด อย่างไรก็ตาม หากปราศจากการมีส่วนร่วมและการสนับสนุนจากรัฐและธุรกิจขนาดใหญ่ ปัญหาของพวกเขา การผลิตซีรีส์ไม่สามารถแก้ไขได้อย่างเต็มที่

จะช่วยในการผลิตเครื่องยนต์สเตอร์ลิงในรัสเซียได้อย่างไร?

เห็นได้ชัดว่ากิจกรรมที่เป็นนวัตกรรม (โดยเฉพาะการพัฒนานวัตกรรมพื้นฐาน) เป็นกิจกรรมทางเศรษฐกิจที่ซับซ้อนและมีความเสี่ยง ดังนั้นจึงควรยึดตามกลไกการสนับสนุนของรัฐ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง "ในตอนเริ่มต้น" โดยมีการเปลี่ยนผ่านไปสู่สภาวะตลาดปกติในภายหลัง

กลไกในการสร้างเครื่องจักรสเตอร์ลิงขนาดใหญ่และระบบแปลงพลังงานในรัสเซียโดยอิงจากเครื่องจักรเหล่านี้อาจรวมถึง:
- การจัดหาเงินทุนโดยตรงโดยใช้งบประมาณร่วมกันของโครงการนวัตกรรมบนเครื่องสเตอร์ลิง
- มาตรการสนับสนุนทางอ้อมเนื่องจากการยกเว้นผลิตภัณฑ์ที่ผลิตภายใต้โครงการสเตอร์ลิงจากภาษีมูลค่าเพิ่มและภาษีอื่น ๆ ของระดับรัฐบาลกลางและระดับภูมิภาคในช่วงสองปีแรกรวมถึงการให้เครดิตภาษีสำหรับผลิตภัณฑ์ดังกล่าวในอีก 2-3 ปีข้างหน้า (โดยคำนึงถึงต้นทุนการพัฒนาที่ไม่แนะนำให้รวมผลิตภัณฑ์ใหม่ที่เป็นพื้นฐานในราคาของมัน นั่นคือ ในต้นทุนของผู้ผลิตหรือผู้บริโภค)
- การยกเว้นจากฐานภาษีเงินได้ของการมีส่วนร่วมขององค์กรในการจัดหาเงินทุนของโครงการสเตอร์ลิง

ในอนาคต ในขั้นตอนการส่งเสริมอย่างยั่งยืนของอุปกรณ์ไฟฟ้าตามเครื่องสเตอร์ลิงในตลาดภายในประเทศ และต่างประเทศ การเติมทุนเพื่อขยายการผลิต อุปกรณ์ทางเทคนิคใหม่และการสนับสนุนสำหรับโครงการต่อไปสำหรับการผลิตอุปกรณ์ประเภทใหม่สามารถทำได้โดยมีค่าใช้จ่ายของผลกำไรและการขายหุ้นของการผลิตที่ประสบความสำเร็จทรัพยากรสินเชื่อของธนาคารพาณิชย์ตลอดจนการดึงดูดการลงทุนจากต่างประเทศ

สันนิษฐานได้ว่าเนื่องจากความพร้อมของฐานเทคโนโลยีและศักยภาพทางวิทยาศาสตร์ที่สะสมไว้ในการออกแบบเครื่องจักรสเตอร์ลิงด้วยนโยบายทางการเงินและทางเทคนิคที่สมเหตุสมผล รัสเซียสามารถเป็นผู้นำระดับโลกในการผลิตเครื่องยนต์ใหม่ที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีประสิทธิภาพสูง ในอนาคตอันใกล้.

- เครื่องยนต์ความร้อนซึ่งของเหลวทำงานหรือของเหลวทำงานที่เป็นก๊าซเคลื่อนที่ในปริมาตรปิด ซึ่งเป็นเครื่องยนต์สันดาปภายนอกชนิดหนึ่ง มันขึ้นอยู่กับการให้ความร้อนและความเย็นเป็นระยะของของไหลทำงานด้วยการดึงพลังงานจากการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในปริมาตรของของไหลทำงาน สามารถทำงานได้ไม่เพียงแค่จากการเผาไหม้เชื้อเพลิงเท่านั้น แต่ยังทำงานได้จากแหล่งความร้อนอีกด้วย

คุณสามารถสังเกตเหตุการณ์ที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนาเครื่องยนต์ของศตวรรษที่ 18 ได้ในบทความที่น่าสนใจ - "ประวัติความเป็นมาของการประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำ" และบทความนี้อุทิศให้กับนักประดิษฐ์ผู้ยิ่งใหญ่ Robert Stirling และผลิตผลงานของเขา

สิทธิบัตรการประดิษฐ์เครื่องยนต์สเตอร์ลิง เป็นของนักบวชชาวสก็อตโรเบิร์ต สเตอร์ลิง เขาได้รับมันเมื่อวันที่ 27 กันยายน พ.ศ. 2359 "เครื่องยนต์ลมร้อน" เครื่องแรกกลายเป็นที่รู้จักไปทั่วโลกเมื่อปลายศตวรรษที่ 17 นานก่อนสเตอร์ลิง ความสำเร็จที่สำคัญอย่างหนึ่งของสเตอร์ลิงคือการเพิ่มเครื่องกรองที่มีชื่อเล่นว่า "แม่บ้าน"

ในวรรณคดีทางวิทยาศาสตร์สมัยใหม่ ตัวทำความสะอาดนี้มีชื่อแตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง - "recuperator" ต้องขอบคุณเขาที่ทำให้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นเนื่องจากตัวทำความสะอาดจะเก็บความร้อนไว้ในส่วนที่อบอุ่นของเครื่องยนต์และในขณะเดียวกันน้ำยาทำงานก็ถูกทำให้เย็นลง กระบวนการนี้ทำให้ประสิทธิภาพของระบบเพิ่มขึ้นอย่างมาก เครื่องคืนสภาพเป็นห้องที่เต็มไปด้วยลวด, แกรนูล, ฟอยล์ลูกฟูก (ลอนไปตามทิศทางของการไหลของก๊าซ) ก๊าซจะไหลผ่านฟิลเลอร์ของ recuperator ไปในทิศทางเดียว ให้ความร้อน (หรือได้รับ) และเมื่อเคลื่อนที่ไปอีกทางหนึ่ง จะนำ (ให้) ไป ตัวพักสามารถอยู่ภายนอกโดยสัมพันธ์กับกระบอกสูบและสามารถวางบนลูกสูบดิสเพลสเซอร์ในรูปแบบเบต้าและแกมมา ขนาดและน้ำหนักของเครื่องในกรณีนี้น้อยกว่า ในระดับหนึ่งบทบาทของ recuperator นั้นเล่นโดยช่องว่างระหว่าง displacer และผนังกระบอกสูบ (หากกระบอกสูบยาวก็ไม่จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ดังกล่าวเลย แต่ความสูญเสียที่สำคัญปรากฏขึ้นเนื่องจากความหนืดของ แก๊ส). ในอัลฟาสเตอร์ลิง เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนต้องเป็นภายนอกเท่านั้น มันถูกติดตั้งแบบอนุกรมพร้อมตัวแลกเปลี่ยนความร้อนซึ่งของเหลวทำงานจะถูกทำให้ร้อนจากด้านข้างของลูกสูบเย็น

ในปี ค.ศ. 1843 เจมส์ สเตอร์ลิงใช้เครื่องยนต์นี้ในโรงงานที่เขาทำงานเป็นวิศวกรในขณะนั้น ในปี 1938 ฟิลิปส์ลงทุนในเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่มีความจุมากกว่าสองร้อยแรงม้าและให้ผลตอบแทนมากกว่า 30% เพราะว่า เครื่องยนต์ของสเตอร์ลิงมีข้อดีหลายประการ เป็นที่แพร่หลายในยุคของเครื่องจักรไอน้ำ

ข้อบกพร่อง.

การใช้วัสดุเป็นข้อเสียเปรียบหลักของเครื่องยนต์ สำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกโดยทั่วไปและโดยเฉพาะเครื่องยนต์สเตอร์ลิง สารทำงานต้องถูกทำให้เย็นลง ซึ่งจะทำให้น้ำหนักและขนาดเพิ่มขึ้นอย่างมาก โรงไฟฟ้าเนื่องจากหม้อน้ำเพิ่มขึ้น

เพื่อประสิทธิภาพเทียบเท่า ลักษณะของน้ำแข็งจำเป็นต้องใช้แรงดันสูง (มากกว่า 100 atm) และของเหลวทำงานชนิดพิเศษ - ไฮโดรเจน, ฮีเลียม

ความร้อนไม่ได้จ่ายให้กับของเหลวทำงานโดยตรง แต่ผ่านผนังของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเท่านั้น ผนังมีการนำความร้อนที่จำกัด เนื่องจากประสิทธิภาพต่ำกว่าที่คาดไว้ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทำงานภายใต้สภาวะการถ่ายเทความร้อนที่ตึงเครียดและแรงดันที่สูงมาก ซึ่งต้องใช้วัสดุคุณภาพสูงและมีราคาแพง การสร้างเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนที่ตอบสนองความต้องการที่ขัดแย้งกันนั้นเป็นเรื่องยากมาก ยิ่งพื้นที่แลกเปลี่ยนความร้อนสูง การสูญเสียความร้อนก็จะยิ่งลดลง ในเวลาเดียวกันขนาดของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนและปริมาตรของของไหลทำงานที่ไม่เกี่ยวข้องกับงานก็เพิ่มขึ้น เนื่องจากแหล่งความร้อนอยู่ภายนอก เครื่องยนต์ตอบสนองช้าต่อการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ความร้อนที่จ่ายให้กับกระบอกสูบ และอาจไม่ผลิตกำลังที่ต้องการในทันทีเมื่อสตาร์ทเครื่อง

ในการเปลี่ยนกำลังเครื่องยนต์อย่างรวดเร็ว มีการใช้วิธีการที่แตกต่างจากที่ใช้ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน: ถังบัฟเฟอร์ปริมาตรผันแปร, การเปลี่ยนแปลงความดันเฉลี่ยของของไหลในห้องเพาะเลี้ยง, การเปลี่ยนแปลงมุมเฟสระหว่างการทำงาน ลูกสูบและ displacer ในกรณีหลังนี้ ปฏิกิริยาของเครื่องยนต์ต่อการควบคุมของผู้ขับขี่เกือบจะในทันที

ข้อดี.

อย่างไรก็ตาม เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีข้อดีที่บังคับให้ต้องพัฒนา

"ความกินไม่เลือก" ของเครื่องยนต์ - เช่นเดียวกับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกทั้งหมด (หรือมากกว่าการจ่ายความร้อนจากภายนอก) เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถทำงานได้จากความแตกต่างของอุณหภูมิแทบทุกระดับ: ตัวอย่างเช่น ระหว่างชั้นต่างๆ ในมหาสมุทร จากดวงอาทิตย์ จากนิวเคลียร์ หรือเครื่องทำความร้อนไอโซโทป เตาถ่านหินหรือไม้ เป็นต้น

ความเรียบง่ายของการออกแบบ - การออกแบบของเครื่องยนต์นั้นง่ายมาก ไม่ต้องการระบบเพิ่มเติม เช่น กลไกการจ่ายแก๊ส มันเริ่มต้นได้เองและไม่ต้องการสตาร์ทเตอร์ ลักษณะของมันช่วยให้คุณกำจัดกระปุกเกียร์ได้ อย่างไรก็ตาม ตามที่ระบุไว้ข้างต้น มีปริมาณการใช้วัสดุมากขึ้น

ทรัพยากรที่เพิ่มขึ้น - การออกแบบที่เรียบง่าย การไม่มีหน่วย "ละเอียดอ่อน" จำนวนมากทำให้สเตอร์ลิงสามารถจัดหาทรัพยากรที่ไม่เคยมีมาก่อนสำหรับเครื่องยนต์อื่น ๆ ที่ใช้งานได้ต่อเนื่องหลายหมื่นชั่วโมง

ความสามารถในการทำกำไร - ในกรณีของการแปลงพลังงานแสงอาทิตย์เป็นไฟฟ้า บางครั้งสเตอร์ลิงก็ให้ประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ความร้อนด้วยไอน้ำ (มากถึง 31.25%) (มากถึง 31.25%)

ความเงียบของเครื่องยนต์ - สเตอร์ลิงไม่มีไอเสีย ซึ่งหมายความว่าไม่มีเสียงรบกวน เบต้าสเตอร์ลิงกับกลไกขนมเปียกปูนเป็นอุปกรณ์ที่สมดุลอย่างสมบูรณ์และเพียงพอ คุณภาพสูงการผลิตไม่มีการสั่นสะเทือน (แอมพลิจูดการสั่นสะเทือนน้อยกว่า 0.0038 มม.)

เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม - สเตอร์ลิงเองไม่มีชิ้นส่วนหรือกระบวนการใด ๆ ที่อาจก่อให้เกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ไม่ใช้ของเหลวทำงาน ความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของเครื่องยนต์มีสาเหตุหลักมาจากความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมของแหล่งความร้อน นอกจากนี้ ควรสังเกตด้วยว่าการตรวจสอบความสมบูรณ์ของการเผาไหม้เชื้อเพลิงในเครื่องยนต์สันดาปภายนอกทำได้ง่ายกว่าในเครื่องยนต์สันดาปภายใน

ทางเลือกแทนเครื่องยนต์ไอน้ำ

ในศตวรรษที่ 19 วิศวกรพยายามสร้างทางเลือกที่ปลอดภัยให้กับเครื่องยนต์ไอน้ำในสมัยนั้น เนื่องจากการที่หม้อไอน้ำของเครื่องยนต์ที่ประดิษฐ์ขึ้นแล้วมักจะเกิดระเบิดขึ้น ไม่สามารถทนต่อแรงดันไอน้ำสูงและวัสดุที่ไม่เหมาะสมได้เลย สำหรับการผลิตและการก่อสร้าง เครื่องยนต์ของสเตอร์ลิงกลายเป็นทางเลือกที่ดีเพราะสามารถแปลงความแตกต่างของอุณหภูมิให้กลายเป็นงานได้ นี่คือหลักการพื้นฐานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง การสลับความร้อนและความเย็นของของไหลทำงานอย่างต่อเนื่องในกระบอกสูบแบบปิดจะทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ โดยปกติอากาศจะทำหน้าที่เป็นของเหลวทำงาน แต่ไฮโดรเจนและฮีเลียมก็ถูกใช้เช่นกัน แต่ยังทำการทดลองด้วยน้ำ คุณสมบัติหลักเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่มีของเหลวทำงานเป็นของเหลวมีขนาดเล็ก แรงดันใช้งานสูงและความหนาแน่นพลังงานสูง นอกจากนี้ยังมีสเตอร์ลิงที่มีสารทำงานสองเฟส พลังงานจำเพาะและ แรงดันใช้งานมันยังค่อนข้างสูง

บางทีคุณอาจจำได้จากวิชาฟิสิกส์ว่าเมื่อก๊าซถูกทำให้ร้อน ปริมาตรของก๊าซจะเพิ่มขึ้น และเมื่อเย็นลง ก๊าซจะลดลง เป็นคุณสมบัติของก๊าซที่สนับสนุนการทำงานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิง เครื่องยนต์ของสเตอร์ลิงใช้วัฏจักรสเตอร์ลิงซึ่งไม่ด้อยกว่าวัฏจักรคาร์โนต์ในแง่ของประสิทธิภาพทางอุณหพลศาสตร์ และในทางใดทางหนึ่งก็มีข้อได้เปรียบ วัฏจักรการ์โนต์ประกอบด้วยไอโซเทอร์มและอะเดียบัตที่แตกต่างกันเล็กน้อย การนำวงจรดังกล่าวไปปฏิบัติจริงนั้นซับซ้อนและไม่มีท่าที วัฏจักรสเตอร์ลิงทำให้ได้เครื่องยนต์ที่ใช้งานได้จริงในขนาดที่ยอมรับได้

โดยรวมแล้ว มีสี่ขั้นตอนในวัฏจักรสเตอร์ลิง โดยแยกจากกันโดยสองช่วงเปลี่ยนผ่าน: การให้ความร้อน การขยายตัว การเปลี่ยนไปใช้แหล่งความเย็น การทำความเย็น การบีบอัด และการเปลี่ยนเป็นแหล่งความร้อน เมื่อย้ายจากแหล่งอุ่นไปยังแหล่งเย็น ก๊าซในกระบอกสูบจะขยายตัวและหดตัว ในระหว่างกระบวนการนี้ ความดันจะเปลี่ยนแปลงและได้งานที่เป็นประโยชน์ งานที่มีประโยชน์ผลิตโดยกระบวนการที่เกิดขึ้นกับ .เท่านั้น อุณหภูมิคงที่นั่นคือ ขึ้นอยู่กับความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างฮีตเตอร์กับตัวทำความเย็น เช่นเดียวกับในวงจรการ์โนต์

การกำหนดค่า

วิศวกรแบ่งเครื่องยนต์สเตอร์ลิงออกเป็นสาม หลากหลายชนิด:

ประกอบด้วยลูกสูบกำลังสองอันแยกกันในกระบอกสูบที่แยกจากกัน ลูกสูบหนึ่งร้อน อีกลูกสูบหนึ่งเย็น กระบอกสูบที่มีลูกสูบร้อนอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่า และกระบอกสูบที่มีลูกสูบเย็นอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนที่เย็นกว่า อย่างไรก็ตามอัตราส่วนของกำลังต่อปริมาตรค่อนข้างใหญ่ ความร้อนลูกสูบ "ร้อน" สร้างปัญหาทางเทคนิคบางอย่าง

เบต้า สเตอร์ลิง- กระบอกหนึ่งร้อนด้านหนึ่งและเย็นอีกด้านหนึ่ง ลูกสูบ (ซึ่งกำลังถูกถอดออก) และ "ดิสเพลสเซอร์" เคลื่อนที่ภายในกระบอกสูบทำให้ปริมาตรของช่องร้อนเปลี่ยนไป ก๊าซถูกสูบจากส่วนที่เย็นของกระบอกสูบไปยังส่วนที่ร้อนผ่านเครื่องกำเนิดใหม่ ตัวสร้างใหม่อาจเป็นภายนอก โดยเป็นส่วนหนึ่งของตัวแลกเปลี่ยนความร้อน หรืออาจถูกรวมเข้ากับลูกสูบแบบแทนที่

มีลูกสูบและ "ดิสเพลสเซอร์" แต่ในขณะเดียวกันก็มีกระบอกสูบสองกระบอก - อันหนึ่งเย็น (ลูกสูบเคลื่อนที่ไปที่นั่นซึ่งกำลังถูกถอดออก) และอันที่สองร้อนจากปลายด้านหนึ่งและเย็นจากอีกด้านหนึ่ง ( “ displacer” ย้ายไปที่นั่น) ตัวสร้างใหม่สามารถอยู่ภายนอกได้ ซึ่งในกรณีนี้จะเชื่อมต่อส่วนที่ร้อนของกระบอกสูบที่สองกับส่วนที่เย็นและพร้อมกันกับกระบอกสูบแรก (เย็น) ตัวสร้างใหม่ภายในเป็นส่วนหนึ่งของ displacer

วิทยาศาสตรดุษฎีบัณฑิต V. NISKOVSKIKH (เยคาเตรินเบิร์ก).

เชื้อเพลิงไฮโดรคาร์บอนสำรองที่จำกัดและราคาที่สูงทำให้วิศวกรต้องมองหาการเปลี่ยนเครื่องยนต์สันดาปภายใน นักประดิษฐ์ชาวรัสเซียเสนอการออกแบบเครื่องยนต์ที่เรียบง่ายพร้อมระบบจ่ายความร้อนภายนอก ซึ่งออกแบบมาสำหรับเชื้อเพลิงทุกประเภท แม้กระทั่งการให้ความร้อนจากแสงแดด ผู้สร้างโครงการเครื่องยนต์ Vitaly Maksimovich Niskovskikh เป็นนักออกแบบที่รู้จักกันอย่างแพร่หลายในหมู่นักโลหะวิทยาไม่เพียง แต่ในประเทศของเรา แต่ยังรวมถึงต่างประเทศด้วย เขาเป็นผู้เขียนสิ่งประดิษฐ์มากกว่า 200 รายการในด้านอุปกรณ์การหล่อเหล็ก ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งโรงเรียนแห่งชาติด้านการออกแบบเครื่องหล่อแบบต่อเนื่องสำหรับเหล็กแท่งโค้ง (CCM) ทุกวันนี้ มีเครื่องจักร 36 เครื่องที่ผลิตภายใต้การดูแลของ V. M. Niskovsky ที่ Uralmash ทำงานที่โรงงานโลหะวิทยาในรัสเซีย เช่นเดียวกับในบัลแกเรีย มาซิโดเนีย ปากีสถาน สโลวาเกีย ฟินแลนด์ และญี่ปุ่น

ในปี ค.ศ. 1816 Robert Stirling ชาวสกอตได้คิดค้นเครื่องยนต์ความร้อนภายนอก สิ่งประดิษฐ์ไม่ได้รับการกระจายอย่างกว้างขวางในขณะนั้น - การออกแบบซับซ้อนเกินไปเมื่อเทียบกับ รถจักรไอน้ำและเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ในภายหลัง

อย่างไรก็ตาม วันนี้มีความสนใจในเครื่องยนต์สเตอร์ลิงขึ้นใหม่ มีข้อมูลเกี่ยวกับการพัฒนาใหม่และความพยายามที่จะสร้างมันอย่างต่อเนื่อง การผลิตจำนวนมาก. ตัวอย่างเช่น บริษัทดัตช์ฟิลิปส์ได้สร้างการดัดแปลงเครื่องยนต์สเตอร์ลิงหลายแบบสำหรับ ยานพาหนะหนัก. เครื่องยนต์สันดาปภายนอกถูกติดตั้งบนเรือ ที่โรงไฟฟ้าขนาดเล็กและโรงไฟฟ้าพลังความร้อน และในอนาคตพวกเขาจะติดตั้งสถานีอวกาศด้วย (ควรจะใช้ที่นั่นเพื่อขับเคลื่อนเครื่องกำเนิดไฟฟ้า เนื่องจากเครื่องยนต์สามารถทำงานได้ แม้แต่ในวงโคจรของดาวพลูโต)

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีประสิทธิภาพสูง สามารถทำงานโดยใช้แหล่งความร้อนใดๆ ก็ตาม เงียบ ไม่กินของเหลวทำงาน ซึ่งมักจะเป็นไฮโดรเจนหรือฮีเลียม เครื่องยนต์สเตอร์ลิงสามารถใช้ในเรือดำน้ำนิวเคลียร์ได้สำเร็จ

อนุภาคฝุ่นจะต้องถูกนำเข้าไปในกระบอกสูบของเครื่องยนต์สันดาปภายในที่ใช้งานได้พร้อมกับอากาศ ทำให้เกิดการสึกหรอบนพื้นผิวที่ถู ในเครื่องยนต์ที่มีระบบจ่ายความร้อนภายนอก เป็นไปไม่ได้ เพราะมันแน่นมาก นอกจากนี้ น้ำมันหล่อลื่นไม่ได้ออกซิไดซ์และจำเป็นต้องเปลี่ยนใหม่น้อยกว่าในเครื่องยนต์สันดาปภายในมาก

ถ้าใช้เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นกลไกขับเคลื่อนภายนอก จะกลายเป็นหน่วยทำความเย็น ในปี ค.ศ. 1944 ที่ฮอลแลนด์ ตัวอย่างเครื่องยนต์ดังกล่าวถูกหมุนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้า และในไม่ช้าอุณหภูมิของฝาสูบก็ลดลงเหลือ -190 ° C อุปกรณ์ดังกล่าวใช้สำหรับทำให้เป็นของเหลวได้สำเร็จ

และความซับซ้อนของระบบข้อเหวี่ยงและคันโยกใน เครื่องยนต์ลูกสูบสเตอร์ลิงจำกัดการใช้งาน

ปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยการเปลี่ยนลูกสูบเป็นโรเตอร์ แนวคิดหลักของการประดิษฐ์คือ เพลาทั่วไปติดตั้งกระบอกสูบทำงานสองกระบอกที่มีความยาวต่างกันพร้อมโรเตอร์นอกรีตและแผ่นแบ่งสปริงโหลด ช่องระบาย (ตามเงื่อนไข - การบีบอัด) ของกระบอกสูบขนาดเล็กเชื่อมต่อกับช่องขยายของกระบอกสูบขนาดใหญ่ผ่านร่องในแผ่นแบ่ง, ท่อ, เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน - เครื่องกำเนิดใหม่และฮีตเตอร์และช่องขยายตัวของกระบอกสูบขนาดเล็กเชื่อมต่อกับ ช่องระบายของกระบอกสูบขนาดใหญ่ผ่านเครื่องกำเนิดใหม่และตู้เย็น

เครื่องยนต์ทำงานดังนี้ ในแต่ละช่วงเวลา ก๊าซปริมาณหนึ่งจะเข้าสู่สาขาแรงดันสูงจากกระบอกสูบขนาดเล็ก เพื่อเติมช่องแรงดันของกระบอกสูบขนาดใหญ่และยังคงรักษาแรงดัน ก๊าซจะถูกทำให้ร้อนในเครื่องกำเนิดใหม่และฮีตเตอร์ ปริมาตรเพิ่มขึ้นและความดันคงที่ เหมือนกัน แต่ "มีเครื่องหมายตรงกันข้าม" เกิดขึ้นที่สาขาแรงดันต่ำ

เนื่องจากความแตกต่างในพื้นที่ผิวของโรเตอร์ แรงลัพท์จึงเกิดขึ้น F=∆พี(เอส บี-S m) โดยที่ ∆ พี- ความแตกต่างของแรงดันในสาขาที่มีความกดดันสูงและต่ำ เอส บี- พื้นที่ทำงานของโรเตอร์ขนาดใหญ่ S m- พื้นที่ทำงานของโรเตอร์ขนาดเล็ก แรงนี้หมุนเพลาด้วยโรเตอร์ และของไหลทำงานจะหมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง ไหลผ่านทั้งระบบตามลำดับ ปริมาณการทำงานที่มีประโยชน์ของเครื่องยนต์เท่ากับความแตกต่างระหว่างปริมาตรของกระบอกสูบทั้งสอง

ดูในห้องหัวข้อเดียวกัน

หนึ่งในแหล่งพลังงานกลสำหรับรถยนต์ที่มีแนวโน้มดีคือเครื่องยนต์สันดาปภายนอก ซึ่งพัฒนาโดย Robert Stirling ที่เกิดในสกอตแลนด์เมื่อสองสามศตวรรษก่อน เครื่องยนต์สันดาปภายนอกของสเตอร์ลิงตามหลักการทำงานนั้นแตกต่างจากเครื่องยนต์สันดาปภายในทั้งหมดมากจากปกติ แต่หลังจากการพัฒนาไประยะหนึ่ง พวกเขาก็ลืมมันไปอย่างปลอดภัย

ประวัติความเป็นมาของการสร้าง

ในปี ค.ศ. 1816 Robert Stirling ที่เกิดในสกอตแลนด์ได้จดสิทธิบัตร เครื่องยนต์ความร้อนซึ่งปัจจุบันตั้งชื่อตามผู้สร้าง อย่างไรก็ตาม เขาไม่ได้เป็นผู้คิดค้นแนวคิดเรื่องเครื่องยนต์ลมร้อนเลย แต่โครงการแรกที่มีสติสัมปชัญญะในการสร้างหน่วยดังกล่าวดำเนินการโดยสเตอร์ลิง

เขาปรับปรุงระบบโดยเพิ่มเครื่องกรองเข้าไป ในเอกสารทางเทคนิคที่เรียกว่าเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ด้วยเหตุนี้ ประสิทธิภาพของมอเตอร์จึงเพิ่มขึ้นอย่างมากจากการทำให้เครื่องยนต์อุ่น รุ่นนี้ในเวลานั้นได้รับการยอมรับว่ามีความทนทานที่สุดเนื่องจากไม่เคยระเบิด

แม้จะมีความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วของแบบจำลองดังกล่าว แต่เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 การพัฒนาเพิ่มเติมของเครื่องยนต์สันดาปภายนอกก็ถูกยกเลิกไปเนื่องจากต้นทุนของเครื่องยนต์สันดาปภายใน

เครื่องยนต์สเตอร์ลิง: หลักการทำงานและการดัดแปลง

หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนใดๆ คือ เพื่อให้ได้ก๊าซในสถานะขยาย จำเป็นต้องใช้ความพยายามทางกลอย่างมาก เนื่องจาก ตัวอย่างที่ดีการทดลองสามารถอ้างถึงสองกระทะตามที่พวกเขาเต็มไปด้วยน้ำเย็นและน้ำร้อน แช่ขวดที่มีฝาเกลียวในน้ำเย็น หลังจากนั้นขวดจะถูกโอนไปยังน้ำร้อน

ด้วยการเคลื่อนไหวนี้ ก๊าซในขวดทำให้ งานเครื่องกลและดันจุกออกจากคอ เครื่องยนต์สันดาปภายนอกรุ่นแรกทำงานบนหลักการเดียวกันทุกประการ อย่างไรก็ตาม ภายหลังผู้สร้างตระหนักว่าส่วนหนึ่งของความร้อนที่สร้างขึ้นนั้นสามารถนำมาใช้เพื่อให้ความร้อนได้ ผลผลิตของหน่วยจากนี้เพิ่มขึ้นเท่านั้น

ไม่นานนักวิศวกรจากสวีเดน Erickson ได้ปรับปรุงการออกแบบโดยเสนอแนวคิดในการทำความเย็นและความร้อนของแก๊สที่ความดันคงที่แทนที่จะเป็นปริมาตร สิ่งนี้ทำให้เครื่องยนต์สามารถ "ก้าวขึ้นบันไดอาชีพ" และเริ่มใช้ในเหมืองและโรงพิมพ์ สำหรับลูกเรือและ ยานพาหนะตัวเครื่องหนักเกินไป

รูปแสดงรอบการทำงานของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงอย่างชัดเจน

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงทำงานอย่างไร โดยจะแปลงพลังงานความร้อนที่จ่ายจากภายนอกเป็นงานกลไกที่มีประโยชน์ กระบวนการนี้เกิดขึ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของก๊าซหรือของเหลวที่หมุนเวียนอยู่ในปริมาตรที่ปิด ในส่วนล่างของตัวเครื่อง สารทำงานจะร้อนขึ้น เพิ่มปริมาตร และดันลูกสูบขึ้น

อากาศร้อนเข้าสู่ด้านบนของมอเตอร์และระบายความร้อนด้วยหม้อน้ำ แรงดันของของไหลทำงานลดลง และลูกสูบถูกลดระดับลงเพื่อทำซ้ำตลอดทั้งรอบ ระบบถูกปิดผนึกอย่างสมบูรณ์เพื่อไม่ให้ใช้สารทำงาน แต่จะเคลื่อนที่ภายในวัฏจักรเท่านั้น

นอกจากนี้ยังมีมอเตอร์แบบเปิดซึ่งใช้การควบคุมการไหลโดยใช้วาล์ว โมเดลเหล่านี้เรียกว่าเครื่องยนต์ Erickson โดยทั่วไป หลักการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายนอกนั้นคล้ายคลึงกับเครื่องยนต์สันดาปภายใน ที่ อุณหภูมิต่ำมันถูกบีบอัดและในทางกลับกัน การทำความร้อนจะดำเนินการในรูปแบบต่างๆ

ความร้อนในเครื่องยนต์สันดาปภายนอกถูกจ่ายผ่านผนังกระบอกสูบจากด้านนอก สเตอร์ลิงเดาว่าจะใช้การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเป็นระยะด้วยลูกสูบดิสเพลสเมนต์ ลูกสูบนี้เคลื่อนที่ก๊าซจากช่องหนึ่งของกระบอกสูบไปยังอีกช่องหนึ่ง ในเวลาเดียวกัน อุณหภูมิต่ำจะยังคงอยู่ในมือข้างหนึ่ง และอุณหภูมิสูงในอีกด้านหนึ่ง เมื่อลูกสูบเคลื่อนขึ้นด้านบน ก๊าซจะเคลื่อนจากช่องร้อนไปยังช่องเย็น

ระบบขับเคลื่อนในเครื่องยนต์เชื่อมต่อกับลูกสูบที่ใช้งานได้ ซึ่งบีบอัดแก๊สในที่เย็นและปล่อยให้ขยายตัวด้วยความร้อน งานที่มีประโยชน์เกิดขึ้นเนื่องจากการบีบอัดที่อุณหภูมิต่ำกว่า รับประกันความต่อเนื่อง กลไกข้อเหวี่ยง. ไม่มีขอบเขตพิเศษระหว่างขั้นตอนของวัฏจักร ด้วยเหตุนี้ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงจึงไม่ลดลง

รายละเอียดเครื่องยนต์บางส่วน

ตามทฤษฎีแล้ว แหล่งความร้อนใดๆ (แสงอาทิตย์ ไฟฟ้า เชื้อเพลิง) สามารถจ่ายพลังงานให้กับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกได้ หลักการทำงานของเครื่องยนต์คือการใช้ฮีเลียม ไฮโดรเจน หรืออากาศ วัฏจักรในอุดมคติมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนสูงสุดเท่าที่เป็นไปได้ ประสิทธิภาพในกรณีนี้คือ 30 ถึง 40% ตัวสร้างใหม่ที่มีประสิทธิภาพสามารถให้ได้มากกว่า ประสิทธิภาพสูง. ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนในตัวช่วยฟื้นฟู แลกเปลี่ยน และระบายความร้อนใน เครื่องยนต์ที่ทันสมัย. ข้อดีของมันคือการทำงานแบบไร้น้ำมัน โดยทั่วไปแล้ว เครื่องยนต์ต้องการการหล่อลื่นเพียงเล็กน้อย แรงดันเฉลี่ยในกระบอกสูบแตกต่างกันไปตั้งแต่ 10 ถึง 20 MPa ระบบการปิดผนึกที่ดีและความเป็นไปได้ที่น้ำมันจะเข้าสู่โพรงทำงานเป็นสิ่งสำคัญ

ตามการคำนวณทางทฤษฎี ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สเตอร์ลิงนั้นขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมากและสามารถเข้าถึงได้ถึง 70% ตัวอย่างเครื่องยนต์รุ่นแรกๆ ที่ใช้กับโลหะนั้นมีประสิทธิภาพต่ำ เนื่องจากตัวเลือกน้ำหล่อเย็นไม่มีประสิทธิภาพและจำกัดอุณหภูมิความร้อนสูงสุด จึงไม่มีวัสดุโครงสร้างที่ทนทานต่อ ความดันสูง. ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 20 เครื่องยนต์ที่มีไดรฟ์ขนมเปียกปูนในระหว่างการทดสอบมีประสิทธิภาพเกิน 35% ในน้ำหล่อเย็นและที่อุณหภูมิ 55 องศาเซลเซียส การปรับปรุงการออกแบบในตัวอย่างทดลองบางรายการทำให้สามารถบรรลุประสิทธิภาพเกือบ 39% ทันสมัยเกือบทั้งหมด เครื่องยนต์เบนซินมีกำลังใกล้เคียงกันมีประสิทธิภาพ 28 - 30% ดีเซลเทอร์โบถึงประมาณ 35% ตัวอย่างเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่ทันสมัยที่สุดที่พัฒนาโดยบริษัท Mechanical Technology Inc ในสหรัฐอเมริกา มีประสิทธิภาพสูงสุดถึง 43%

หลังจากการพัฒนาเซรามิกทนความร้อนและวัสดุที่เป็นนวัตกรรมอื่นๆ จะสามารถเพิ่มอุณหภูมิของตัวกลางได้อีก ประสิทธิภาพสามารถเข้าถึงได้ถึง 60% ภายใต้เงื่อนไขดังกล่าว

มีการดัดแปลงเครื่องยนต์สันดาปภายนอกของสเตอร์ลิงหลายอย่าง

การปรับเปลี่ยน "อัลฟ่า"

เครื่องยนต์ดังกล่าวประกอบด้วยลูกสูบกำลังแยกแบบร้อนและเย็นซึ่งอยู่ในกระบอกสูบของตัวเอง ความร้อนถูกส่งไปยังกระบอกสูบด้วยลูกสูบร้อน และลูกสูบเย็นจะอยู่ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนทำความเย็น

การปรับเปลี่ยน "เบต้า"

ในเครื่องยนต์รุ่นนี้ กระบอกสูบที่ลูกสูบตั้งอยู่ด้านหนึ่งและอีกด้านหนึ่งจะระบายความร้อน ดิสเพลสเซอร์และลูกสูบกำลังเคลื่อนที่ภายในกระบอกสูบ displacer ถูกออกแบบมาเพื่อเปลี่ยนปริมาตรของแก๊สทำงาน รีเจนเนอเรเตอร์จะส่งสารทำงานที่เย็นลงไปยังช่องเครื่องยนต์ที่ร้อน

การดัดแปลง "แกมมา"

การออกแบบที่เรียบง่ายทั้งหมดของการดัดแปลงแกมมานั้นทำมาจากกระบอกสูบสองกระบอก อันแรกเย็นสนิท มันเคลื่อนลูกสูบกำลัง และอันที่สองเย็นเพียงด้านเดียวเท่านั้นและอีกด้านหนึ่ง - อุ่น มันทำหน้าที่ในการเคลื่อนย้ายกลไกการกระจัด เครื่องกำเนิดหมุนเวียนก๊าซเย็นในการปรับเปลี่ยนนี้สามารถใช้ได้กับกระบอกสูบทั้งสองและรวมอยู่ในการออกแบบ displacer

ข้อดีของเครื่องยนต์สันดาปภายนอก

เครื่องยนต์ประเภทนี้ไม่โอ้อวดในแง่ของเชื้อเพลิงเนื่องจากพื้นฐานของการทำงานคือความแตกต่างของอุณหภูมิ อะไรทำให้เกิดความแตกต่างนี้ - มันไม่สำคัญจริงๆ เครื่องยนต์สเตอร์ลิงมีการออกแบบที่เรียบง่ายและไม่จำเป็น ระบบเพิ่มเติมและสิ่งที่แนบมา (สตาร์ท, กระปุกเกียร์) คุณลักษณะบางอย่างของการออกแบบเครื่องยนต์รับประกันอายุการใช้งานที่ยาวนาน: เครื่องยนต์สามารถทำงานได้อย่างต่อเนื่องประมาณหนึ่งแสนชั่วโมง ข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของเครื่องยนต์สันดาปภายนอกคือความเงียบ เป็นเพราะไม่มีการระเบิดในกระบอกสูบและไม่จำเป็นต้องกำจัดก๊าซไอเสีย ความแตกต่างโดยเฉพาะอย่างยิ่งโดยพารามิเตอร์นี้คือการปรับเปลี่ยนเบต้า การออกแบบมาพร้อมกับกลไกข้อเหวี่ยงรูปเพชร ซึ่งทำให้ไม่มีการสั่นสะเทือนระหว่างการทำงาน และสุดท้ายคือความเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม ไม่มีกระบวนการในกระบอกสูบเครื่องยนต์ที่อาจส่งผลเสียต่อสิ่งแวดล้อม

เมื่อเลือกแหล่งความร้อนทางเลือก (พลังงานแสงอาทิตย์) เครื่องยนต์สเตอร์ลิงจะกลายเป็นหน่วยพลังงานที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

ข้อเสียของเครื่องยนต์สันดาปภายนอก

การผลิตจำนวนมากของเครื่องยนต์ดังกล่าวเป็นไปไม่ได้ในขณะนี้ ปัญหาหลักคือการใช้วัสดุของโครงสร้าง การหล่อเย็นของเหลวในการทำงานของเครื่องยนต์จำเป็นต้องติดตั้งหม้อน้ำที่มีปริมาณมาก ส่งผลให้มิติเพิ่มขึ้น การใช้งาน ประเภทที่ซับซ้อนสารทำงานเช่นไฮโดรเจนหรือฮีเลียมทำให้เกิดคำถามเกี่ยวกับความปลอดภัยของเครื่องยนต์ ค่าการนำความร้อนและทนต่ออุณหภูมิต้องอยู่ที่ ระดับสูง. ความร้อนถูกส่งไปยังปริมาตรการทำงานผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อน ดังนั้นความร้อนบางส่วนจึงหายไประหว่างทาง ในการผลิตเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนจำเป็นต้องใช้โลหะทนความร้อน ในกรณีนี้ โลหะต้องทนต่อแรงดันสูง วัสดุทั้งหมดเหล่านี้มีราคาแพงและใช้เวลานานในการประมวลผล หลักการของการเปลี่ยนโหมดของเครื่องยนต์สันดาปภายนอกนั้นแตกต่างจากแบบเดิมมาก จำเป็นต้องมีการพัฒนาอุปกรณ์ควบคุมพิเศษ การเปลี่ยนแปลงกำลังเกิดจากการเปลี่ยนแปลงความดันในกระบอกสูบและมุมเฟสระหว่าง displacer และลูกสูบกำลัง คุณยังสามารถเปลี่ยนความจุของช่องด้วยสารทำงาน

ตัวอย่างการใช้งานเครื่องยนต์สันดาปภายนอกในรถยนต์

รุ่นที่ใช้งานได้ของเครื่องยนต์ดังกล่าวได้รับการปล่อยตัวออกมา แม้จะมีปัญหาในการผลิตทั้งหมดก็ตาม ในยุค 50 ของศตวรรษที่ 20 บริษัทยานยนต์เริ่มให้ความสนใจในหน่วยพลังงานประเภทนี้ โดยพื้นฐานแล้วฟอร์ดมีส่วนร่วมในการใช้งานเครื่องยนต์สเตอร์ลิงในรถยนต์ บริษัทยานยนต์และ Volkswagen Group. UNITED STIRLING บริษัท สัญชาติสวีเดนได้พัฒนาเอ็นจิ้นดังกล่าวซึ่งนักพัฒนาพยายามใช้หน่วยอนุกรมและส่วนประกอบ (เพลาข้อเหวี่ยง, ก้านสูบ) บ่อยขึ้น สี่สูบได้รับการพัฒนา เครื่องยนต์วีซึ่งมีความถ่วงจำเพาะ 2.4 กก. / กิโลวัตต์ ดีเซลขนาดกะทัดรัดมีน้ำหนักใกล้เคียงกัน พวกเขาพยายามติดตั้งเครื่องยนต์บนรถตู้บรรทุกสินค้าขนาดเจ็ดตัน

โดดเด่นที่สุด โมเดลที่ประสบความสำเร็จกลายเป็น Philips 4-125DA พร้อมสำหรับการติดตั้งบน รถยนต์. กำลังทำงานเครื่องยนต์ 173 แรงม้า. ขนาดไม่แตกต่างจาก ICE น้ำมันเบนซินทั่วไปมากนัก

บริษัท เจนเนอรัล มอเตอร์สพัฒนาเครื่องยนต์สันดาปภายนอกรูปตัววีแปดสูบพร้อมกลไกข้อเหวี่ยงแบบอนุกรม ในปี 1972 รถยนต์รุ่นจำนวนจำกัด ฟอร์ด โตริโน่พร้อมกับเครื่องยนต์ดังกล่าว นอกจากนี้ ปริมาณการใช้เชื้อเพลิงลดลงมากถึง 25% เมื่อเทียบกับ รุ่นก่อนหน้า. วันนี้ไม่กี่ บริษัทต่างชาติพวกเขากำลังพยายามปรับปรุงการออกแบบของเครื่องยนต์นี้เพื่อปรับให้เข้ากับการผลิตจำนวนมากและติดตั้งในรถยนต์นั่งส่วนบุคคล

เครื่องยนต์สันดาปภายนอก

องค์ประกอบที่สำคัญการดำเนินการตามโปรแกรมประหยัดพลังงานคือการจัดหาแหล่งไฟฟ้าและความร้อนที่เป็นอิสระให้กับที่อยู่อาศัยขนาดเล็กและผู้บริโภคที่อยู่ห่างไกลจากเครือข่ายแบบรวมศูนย์ เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ การติดตั้งที่เป็นนวัตกรรมใหม่สำหรับการผลิตไฟฟ้าและความร้อนจากเครื่องยนต์สันดาปภายนอกจึงเหมาะสมที่สุด ใช้เป็นเชื้อเพลิงได้ มุมมองแบบดั้งเดิมเชื้อเพลิง ตลอดจนก๊าซปิโตรเลียมที่เกี่ยวข้อง ก๊าซชีวภาพที่ได้จากเศษไม้ เป็นต้น

ในช่วง 10 ปีที่ผ่านมา ราคาเชื้อเพลิงฟอสซิลสูงขึ้น การให้ความสำคัญกับการปล่อย CO 2 เพิ่มขึ้น และความต้องการที่เพิ่มขึ้นในการเลิกพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลและกลายเป็นพลังงานแบบพอเพียงอย่างเต็มที่ นี่เป็นผลมาจากการพัฒนาตลาดขนาดใหญ่สำหรับเทคโนโลยีที่สามารถผลิตพลังงานจากชีวมวล

เครื่องยนต์สันดาปภายนอกถูกประดิษฐ์ขึ้นเมื่อเกือบ 200 ปีที่แล้วในปี พ.ศ. 2359 ร่วมกับเครื่องจักรไอน้ำสองและ เครื่องยนต์สี่จังหวะเครื่องยนต์สันดาปภายใน, เครื่องยนต์สันดาปภายนอกถือเป็นหนึ่งในเครื่องยนต์ประเภทหลัก พวกเขาได้รับการออกแบบโดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างเครื่องยนต์ที่ปลอดภัยและมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ไอน้ำ ในตอนต้นของศตวรรษที่ 18 การขาดวัสดุที่เหมาะสมทำให้มีผู้เสียชีวิตจำนวนมากเนื่องจากการระเบิด เครื่องยนต์ไอน้ำภายใต้ความกดดัน.

ตลาดที่สำคัญสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกที่พัฒนาขึ้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 18 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานขนาดเล็ก ซึ่งสามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยโดยไม่จำเป็นต้องใช้ผู้ควบคุมที่มีทักษะ

หลังจากการประดิษฐ์เครื่องยนต์สันดาปภายในในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 ตลาดสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกได้หายไป ต้นทุนการผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายในต่ำกว่าเมื่อเทียบกับต้นทุนในการผลิตเครื่องยนต์สันดาปภายนอก ข้อเสียเปรียบหลักของเครื่องยนต์สันดาปภายในคือพวกเขาต้องการเชื้อเพลิงฟอสซิลที่สะอาดและปล่อย CO2 เพิ่มขึ้นในการทำงาน อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งเมื่อเร็วๆ นี้ เชื้อเพลิงฟอสซิลมีต้นทุนต่ำและปล่อย CO2 ทิ้งไป

หลักการทำงานของเครื่องยนต์สันดาปภายนอก

ต่างจากกระบวนการเผาไหม้ภายในที่รู้จักกันดีซึ่งเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ เครื่องยนต์สันดาปภายนอกนั้นขับเคลื่อนด้วยแหล่งความร้อนภายนอก หรือที่แม่นยำกว่านั้น มันถูกขับเคลื่อนโดยความแตกต่างของอุณหภูมิที่เกิดจากแหล่งความร้อนและความเย็นภายนอก

แหล่งความร้อนและความเย็นภายนอกเหล่านี้อาจเป็นก๊าซเสียจากชีวมวลและน้ำหล่อเย็นตามลำดับ กระบวนการนี้ส่งผลให้เกิดการหมุนของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ติดตั้งบนเครื่องยนต์โดยผลิตพลังงาน

เครื่องยนต์สันดาปภายในทั้งหมดขับเคลื่อนด้วยความแตกต่างของอุณหภูมิ น้ำมันเบนซิน, เครื่องยนต์ดีเซลและเครื่องยนต์สันดาปภายนอกนั้นใช้แรงอัดอากาศเย็นน้อยกว่าการอัดลมร้อน

เครื่องยนต์เบนซินและดีเซลห่วย อากาศเย็นและอัดอากาศนี้ก่อนที่จะถูกทำให้ร้อนโดยกระบวนการเผาไหม้ภายในที่เกิดขึ้นภายในกระบอกสูบ หลังจากให้ความร้อนกับอากาศเหนือลูกสูบแล้ว ลูกสูบจะเคลื่อนลง โดยที่อากาศจะขยายตัว เนื่องจากอากาศร้อน แรงที่กระทำต่อแกนลูกสูบจึงมีมาก เมื่อลูกสูบไปถึงด้านล่าง วาล์วจะเปิดออกและไอเสียที่ร้อนจะถูกแทนที่ด้วยอากาศที่สดชื่นและเย็นสดชื่น เมื่อลูกสูบเคลื่อนที่ขึ้น อากาศเย็นจะถูกบีบอัด และแรงที่กระทำต่อแกนลูกสูบจะน้อยกว่าเมื่อเคลื่อนลง

เครื่องยนต์สันดาปภายนอกทำงานตามหลักการที่แตกต่างกันเล็กน้อย ไม่มีวาล์วอยู่ในนั้นมันถูกปิดผนึกอย่างผนึกแน่นและอากาศถูกทำให้ร้อนและเย็นโดยใช้ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบวงจรร้อนและเย็น ปั๊มในตัวซึ่งขับเคลื่อนด้วยการเคลื่อนที่ของลูกสูบ จะเคลื่อนอากาศไปมาระหว่างตัวแลกเปลี่ยนความร้อนสองตัว ในระหว่างการระบายความร้อนของอากาศในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนวงจรเย็น ลูกสูบจะบีบอัดอากาศ

หลังจากบีบอัดแล้ว อากาศจะถูกทำให้ร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบวงจรร้อนก่อนที่ลูกสูบจะเริ่มเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามและใช้การขยายตัวของลมร้อนเพื่อให้กำลังเครื่องยนต์

บ้าน » เบรค » เทคโนโลยีประหยัดพลังงาน: เครื่องยนต์สันดาปภายนอก เครื่องยนต์สเตอร์ลิงรุ่นใดมีการออกแบบที่ดีที่สุดสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายนอกที่มีประสิทธิภาพสูงสุดเมื่อใช้งาน