Navigare după înregistrări
Utilizați serviciile noastre
Motorul Stirling și-a început existența de pe un dispozitiv cu mai multe părți în mișcare, cum ar fi pistoanele, tijele de legătură, arborele cotit, rulmenții [2]. În plus, rotorul generatorului a răsturnat și el (Figura 1).
Figura 1 - Motorul Stirling de tip alfa
Uită-te la motorul Stirling de tip Alpha. Atunci când arborele se rotește pistoanele începe să distileze o parte din gazul rece în cilindru fierbinte, dimpotrivă, de la cald la rece. Dar ele nu doar depășesc, ci și stoarce și se extind. Se efectuează un ciclu termodinamic. Este posibil de a vizualiza imaginea pe care, atunci când arborele se va roti, astfel încât axa pe care sunt fixate tijele de legătură, va fi la partea de sus, acesta va fi momentul de compresie maximă a gazului, iar în cazul în care partea de jos a extensiei. Adevărul este că nu este atât din cauza expansiunii și contracției termice a gazelor, dar despre toate greșit.
Inima motorului este așa-numitul miez, care constă din două schimbătoare de căldură - calde și reci, iar între ele este un regenerator. schimbătoare de căldură sunt de obicei realizate placa si regenerator - este stiva de multe ori recrutați din plasă de metal. De ce trebuie schimbate schimbatoarele de căldură - pentru încălzirea și răcirea gazului, dar de ce este necesar un regenerator? Un regenerator este o baterie termică reală. Când gazul fierbinte se deplasează pe partea rece, acesta încălzește regeneratorul, iar regeneratorul stochează energia termică. Atunci când gazul curge de la rece la partea fierbinte, gazul rece este preîncălzit în regenerator și, astfel, această căldură care ar lăsat permanent fără încălzirea mediului înconjurător regeneratorului, este salvat. Deci, regeneratorul este un lucru extrem de necesar. Un bun regenerator mărește eficiența motorului cu aproximativ 3,6 ori.
Fanii care visează să construiască un astfel de motor în sine, vreau să spun mai multe despre schimbătoarele de căldură. Majoritatea motoarelor Stirling, de la cele pe care le-am văzut, nu au deloc schimbatoare de căldură (vorbesc despre motoare de tip alfa). Schimbătoarele de căldură sunt pistoanele și cilindrii înșiși. Un cilindru este încălzit, celălalt este răcit. În același timp, suprafața suprafeței de schimb de căldură care este în contact cu gazul este foarte mică. Deci, este posibil să se mărească semnificativ puterea motorului prin punerea schimbătorilor de căldură la intrarea în cilindri. Și chiar și în figura 1, flacăra este îndreptată direct spre cilindru, ceea ce nu este destul de bun în motoarele din fabrică.
Să ne întoarcem la istoria dezvoltării motoarelor Stirling. Deci, permiteți motorului în multe privințe bune, dar prezența inelelor și rulmenților cu uleiuri a redus durata de viață a motorului, iar inginerii se gândeau greu să-l îmbunătățească și au venit.
În 1969, William Bale a investigat efectele rezonante ale motorului și mai târziu a putut face un motor pentru care nu sunt necesare nici manivele sau arbori cotiți. Sincronizarea pistoanelor se datora efectelor de rezonanță. Acest tip de motor a devenit cunoscut sub numele de motor cu piston liber (Figura 2).
Figura 2 - Motorul Stirling cu propulsie liberă
Figura 2 prezintă un motor cu piston liber de tipul beta. Aici, gazul trece de la zona caldă la cea rece și invers, datorită deplasatorului (care se mișcă liber), iar pistonul de lucru efectuează o muncă utilă. Displacerea și pistonul oscilează pe arcurile coiliale, care se văd în partea dreaptă a figurii. Dificultatea este ca oscilațiile lor să aibă aceeași frecvență și o diferență de fază de 90 de grade, toate datorate efectelor de rezonanță. Este destul de dificil să faceți acest lucru.
Astfel, numărul de piese a fost redus, dar în același timp cerințele privind exactitatea calculelor și a fabricației au devenit mai dure. Dar fiabilitatea motorului a crescut fără îndoială, mai ales în cazul modelelor în care membranele flexibile sunt utilizate ca un dispozitiv de deplasare și un piston. În acest caz, în motor nu există deloc părți de frecare. Electricitatea, dacă se dorește, poate fi scoasă din acest motor folosind un generator liniar.
Dar acest lucru nu era suficient pentru ingineri și au început să caute modalități de a scăpa nu numai de părțile de frecare, ci, în general, din părțile în mișcare. Și au găsit o astfel de cale.
În anii șaptezeci ai secolului 20, Petru Tseperli înțeles că oscilațiile sinusoidale de presiune și viteza gazului în motor Stirling, precum și faptul că aceste vibrații sunt în fază, extrem seamănă foarte mult cu fluctuații de presiune și viteza gazului într-un val de sunet de deplasare (Fig.3 ).
Figura 3 - Graficul presiunii și vitezei unui val acustic de deplasare, în funcție de timp. Se arată că fluctuațiile de presiune și viteză sunt în fază.
Această idee a venit la Zepperli nu întâmplător, deoarece înainte de el au fost multe cercetări în domeniul termoacusticelor, de exemplu, Lordul Rayleigh însuși în 1884 a descris calitativ acest fenomen.
Astfel, el a propus în general să abandoneze pistoanele și dispozitivele de deplasare și să folosească doar o undă acustică pentru a controla presiunea și mișcarea gazului. Acest lucru produce un motor fără părți în mișcare și teoretic capabil să atingă eficiența ciclului Stirling și, prin urmare, Carnot. În realitate, cei mai buni indicatori sunt 40-50% din eficiența ciclului Carnot (Figura 4).
Figura 4 - Schema unui motor termoacustic cu un val de călătorie
Puteți vedea că motorul thermoacoustic cu cursiva - este exact același miez constând din schimbătoare de căldură și regenerator, numai că în loc de pistoane și tije sunt pur și simplu buclate tub, numit un rezonator. Dar cum funcționează acest motor dacă nu are componente în mișcare? Cum este posibil acest lucru?
Mai întâi, să răspundem la întrebare, de unde vine sunetul? Iar răspunsul este că el apare singur atunci când există o diferență de temperatură suficientă între cele două schimbătoare de căldură. Gradientul de temperatură din regenerator face posibilă amplificarea oscilațiilor sonore, dar numai o anumită lungime de undă egală cu lungimea rezonatorului. De la bun început procesul arată astfel: atunci când un schimbător de căldură fierbinte este încălzit, există micro rustle, eventual chiar crackles de la deformări termice, acest lucru este inevitabil. Aceste rujuri sunt zgomot care are o gamă largă de frecvențe. Din toate aceste spectre bogate de frecvențe sonore, motorul începe să amplifice oscilația sonoră a cărei lungime de undă este egală cu lungimea rezonatorului tubular. Și indiferent cât de mică va fi vibrația inițială, va fi întărită la valoarea maximă posibilă. Volumul maxim de sunet din interiorul motorului vine atunci când puterea de amplificare a sunetului cu ajutorul schimbătoarelor de căldură este egală cu puterea pierderilor, adică puterea de amortizare a vibrațiilor sonore. Iar această valoare maximă atinge uneori valori uriașe de 160 dB. Deci, în interiorul unui astfel de motor este foarte tare. Din fericire, sunetul nu poate ieși, deoarece rezonatorul este sigilat și, prin urmare, în picioare lângă motorul care rulează, este abia audibil.
Amplificarea unei anumite frecvențe de sunet se produce datorită aceluiași ciclu termodinamic - ciclul Stirling, care se desfășoară în regenerator.
Figura 5 - Etapele ciclului sunt dure și simpliste.
Așa cum am scris în motorul thermoacoustic nu există părți în mișcare, generează doar o undă acustică interior, dar, din păcate, fără piese în mișcare nu poate fi scos din motorul electric.
În general, energia este extrasă din motoare termo-acustice folosind generatoare liniare. Membrana elastică oscilează sub presiunea unui val de sunet de înaltă intensitate. În interiorul bobinei de cupru cu miez, magneții fixați pe membrană vibrează. Se generează electricitate.
Figura 6 - Diagrama unei turbine cu impulsuri
Turbina de impuls se rotește în aceeași direcție indiferent de direcția de curgere. Figura 6 prezintă schematic paletele statorului pe laturi și lamele rotorului în mijloc. Și turbina arată așa în realitate:
Figura 7 - Aspectul unei turbine cu impulsuri bidirecționale
Este de așteptat ca utilizarea unei turbine în locul unui generator liniar să reducă considerabil costurile de construcție și va crește capacitatea dispozitivului până la puterea unei CHP tipice, ceea ce este imposibil în cazul generatoarelor liniare.
Ei bine, vom continua să monitorizăm îndeaproape dezvoltarea motoarelor termo-acustice.
Lista surselor utilizate
Utilizați serviciile noastre