Per cominciare, il cognome Stirling è abbastanza comune sia in Inghilterra che in Scozia. Cioè, se c'è Stirling Castle, allora perché non "Mr. Stirling"? E proprio una persona del genere - il sacerdote scozzese Robert Stirling, il 27 settembre 1816, ricevette un brevetto britannico per un motore che non aveva nulla a che fare con un motore a vapore! Inoltre, il motore che porta il suo nome si è rivelato unico, in quanto poteva funzionare da qualsiasi fonte di calore!
Robert Stirling.
Nel 1843, suo figlio James Stirling utilizzò il motore del padre in una fabbrica dove lavorava come ingegnere. Bene, già nel 1938 furono creati gli stiirling con una capacità fino a 200 CV. e un'efficienza del 30 per cento.
Il principio di funzionamento di questo motore è quello di alternare riscaldamento e raffreddamento del fluido di lavoro in un cilindro completamente chiuso. Di solito il mezzo di lavoro è l'aria, ma possono essere utilizzati idrogeno ed elio, nonché freon, biossido di azoto, propano-butano liquefatto e persino acqua. Inoltre, rimane liquido per tutto il ciclo termodinamico. Cioè, il design del motore è estremamente semplice e utilizza la ben nota proprietà dei gas: il loro volume aumenta dal riscaldamento e dal raffreddamento diminuisce.
Una delle tante sterline fatte in casa.
Il motore Stirling utilizza … il "ciclo Stirling", che, in termini di efficienza termodinamica, non solo non è peggiore del ciclo di Carnot, ma presenta anche alcuni vantaggi. In ogni caso, è il "ciclo Stirling" che permette di ottenere un motore funzionante ricavato da un normale barattolo di latta in appena un paio d'ore.
Dispositivo Stirling beta.
Il "ciclo Stirling" stesso comprende quattro fasi principali e due di transizione: riscaldamento, espansione, passaggio a una fonte fredda, raffreddamento, compressione e passaggio a una fonte di calore. Bene, otteniamo un lavoro utile nel processo di espansione del volume del gas riscaldato.
Fase 1.
Fase 2.
Fase 3.
Fase 4.
Il ciclo di lavoro del motore Stirling di tipo beta: a - pistone dislocante; b - pistone funzionante; c - volano; d - fuoco (zona di riscaldamento); e - alette di raffreddamento (zona di raffreddamento).
Funziona così: ci sono due cilindri e due pistoni. Una fonte esterna di calore - e possono essere anche legna da ardere, anche un bruciatore a gas, anche luce solare - aumenta la temperatura del gas nella parte inferiore del cilindro di scambio termico. La pressione si alza e spinge il pistone di lavoro verso l'alto e il pistone del dislocatore non si adatta perfettamente alle pareti del cilindro. Inoltre, il volano, scorrendo, lo spinge verso il basso.
Schema Stirling da un barattolo di latta.
In questo caso, l'aria calda dal fondo del cilindro entra nella camera di raffreddamento. Nella camera di lavoro, tuttavia, si raffredda e si contrae, quindi il pistone di lavoro si precipita verso il basso. Il pistone del dislocatore si sposta verso l'alto e quindi l'aria raffreddata si sposta verso il basso. Il ciclo si ripete così. Nello Stirling, il movimento del pistone di lavoro è spostato di 90 ° rispetto al pistone di spostamento.
Foto di uno stirling da un barattolo di latta.
Nel tempo, sono comparsi molti diversi design di "styling", che prendono il nome dalle lettere dell'alfabeto greco: alfa, beta, gamma, che hanno differenze nel ciclo di lavoro. Le differenze fondamentali tra loro sono piccole e si riducono alla disposizione dei cilindri e alle dimensioni dei pistoni.
Motore Stirling con alternatore lineare.
Alpha Stirling ha due pistoni di potenza separati in diversi cilindri: caldo e freddo. Il cilindro con il pistone caldo si trova nello scambiatore di calore, che ha una temperatura maggiore, e il cilindro con il pistone freddo, rispettivamente, in quello più freddo. Il rigeneratore (ovvero lo scambiatore di calore) si trova tra la parte calda e la parte fredda.
Beta Stirling ha un solo cilindro, caldo da un lato e freddo dall'altro. Il pistone si muove all'interno del cilindro (dal quale viene tolta la potenza) e del dislocatore, che modifica il volume della sua zona calda. Il gas viene pompato all'estremità calda del cilindro dall'estremità fredda del cilindro attraverso un rigeneratore.
Gamma Stirling ha anche un pistone e un dislocatore e due cilindri: freddo (dove si muove il pistone da cui viene rimossa l'alimentazione) e caldo (dove si muove il dislocatore, rispettivamente). Il rigeneratore è esterno, in questo caso collega la parte calda del secondo cilindro con quella fredda e contemporaneamente con il primo cilindro (freddo). Il rigeneratore interno in questo caso fa parte del dislocatore.
Esistono varietà del motore Stirling che non rientrano in queste tre tipologie classiche: ad esempio, il motore Stirling rotativo, in cui si risolvono i problemi di perdite e non è presente il manovellismo, in quanto rotativo.
Cosa c'è di buono negli stirling e perché sono cattivi? Innanzitutto sono onnivori e possono sfruttare qualsiasi differenza di temperatura, compresa quella tra diversi strati d'acqua nell'oceano. La combustione in essi è di natura costante, il che garantisce una combustione efficiente del carburante, il che significa che la sua compatibilità ambientale è maggiore. Inoltre, non ha scarico. Meno livello di rumore - nessuna "esplosione" nei cilindri. Meno vibrazioni, ad esempio, con un beta stirling. Il fluido di lavoro non viene consumato dallo styling. Il design del motore è estremamente semplice, non richiede meccanismi di distribuzione del gas. Non è necessario un motorino di avviamento, così come non è necessario un cambio.
La semplicità e l'assenza di una serie di nodi "delicati" forniscono allo "stirling" prestazioni senza precedenti per tutti gli altri motori in decine e centinaia di migliaia di ore di funzionamento continuo.
Sottomarino svedese "Gotland".
Gli Stirling sono molto economici. Pertanto, la conversione dell'energia solare in elettricità mediante stirling offre un'efficienza maggiore (fino al 31, 25%) rispetto ai motori termici funzionanti a vapore. Per questo, lo "styling" è posto al centro dello specchio parabolico, che "segue" il sole in modo che il suo cilindro sia costantemente riscaldato. È stato su una tale installazione in California che il risultato di cui sopra è stato ottenuto nel 2008 e ora c'è una costruzione di una grande stazione solare sugli Stirling. Puoi attaccarli al guscio degli altiforni e poi la continua fusione della ghisa ci darà molta… energia a buon mercato, perché ora questo calore è sprecato!
C'è, in generale, un solo inconveniente nello stile. Può essere surriscaldato e quindi si guasterà immediatamente. Inoltre, per ottenere un'elevata efficienza, il gas deve essere ad altissima pressione nel cilindro. Idrogeno o elio. E questa è un'eccezionale precisione di adattamento di tutte le sue unità di lavoro e uno speciale grasso per alte temperature. Bene, le dimensioni … la camera di combustione non è necessaria. Stirling non può vivere senza di lei! E questo è un volume in più e un sistema di isolamento e raffreddamento!
Soryu è un sottomarino giapponese alimentato da motori Stirling.
Tuttavia, è probabile che il cambiamento di priorità apra la strada ai motori Stirling. Se mettiamo in primo piano il rispetto dell'ambiente, allora sarà possibile dire addio al motore a combustione interna una volta per tutte. Inoltre, su di loro sono riposte grandi speranze per la creazione di promettenti centrali solari. Sono già utilizzati come generatori autonomi per i turisti. E alcune imprese hanno stabilito la produzione di sterline, che funzionano da un bruciatore a gas convenzionale. La NASA sta anche valutando opzioni per generatori di energia basati su Stirling alimentati da fonti di calore nucleari e radioisotopi. In particolare, si prevede di utilizzare tale stile, abbinato a un generatore elettrico, nella spedizione spaziale su Titano pianificata dalla NASA.
"Io cucciolata" - il layout.
È interessante notare che se avvii il motore Stirling in modalità inversa, ovvero gira il volano da un altro motore, funzionerà come una macchina di refrigerazione (ciclo Stirling inverso), e sono queste macchine che si sono rivelate molto efficaci per la produzione di gas liquefatti.
Bene, ora, poiché abbiamo un sito militare, notiamo che gli Stirling sono stati testati sui sottomarini svedesi negli anni '60 del secolo scorso. E poi nel 1988 gli Stirling sono diventati il motore principale del sottomarino di classe Nakken. Con loro, ha navigato sott'acqua per più di 10.000 ore. Il "Nakken" è stato seguito dai sottomarini seriali del tipo "Gotland", che sono diventati i primi sottomarini dotati di motori Stirling, che consentono loro di rimanere sott'acqua fino a 20 giorni. Oggi, tutti i sottomarini della Marina svedese hanno motori Stirling e i costruttori navali svedesi hanno elaborato la tecnologia originale per installare tali motori sui sottomarini convenzionali, tagliando loro un compartimento aggiuntivo con un nuovo sistema di propulsione. Funzionano con ossigeno liquido, che viene poi utilizzato nella barca per respirare, e si nota che hanno livelli di rumore molto bassi. Ebbene, le carenze sopra menzionate (dimensioni e problema di raffreddamento) su una nave da guerra sottomarina non sono significative. L'esempio degli svedesi è sembrato ai giapponesi degno di attenzione, e ora gli Stirling sono anche sui sottomarini giapponesi della classe "Soryu". Sono questi motori che sono considerati oggi i più promettenti motori singoli all-mode per sottomarini di quinta generazione.
Ed è così che appare lo stile di uno studente dell'Università statale di Penza Nikolai Shevelev.
Bene, ora un po' di che tipo di… "cattiva giovinezza" abbiamo. Il 1 settembre vengo dagli studenti - futuri ingegneri del motore, faccio loro le domande tradizionali, cosa leggono (praticamente niente!), A cosa sono affezionati (con questo la situazione non è molto migliore, ma soprattutto le gambe sono occupate, non la testa!), Quali riviste tecniche sono conosciute - "Young Technician", "Model Designer", "Science and Technology", "Popular Mechanics" … (nessuno!), E poi uno studente mi dice che è appassionato di motori. Uno su 20, ma è già qualcosa! E poi mi dice che ha costruito lui stesso il motore Stirling. So come realizzare un motore del genere con un normale barattolo di latta, ma poi si è scoperto che ha fatto qualcosa di molto più efficace. Dico: "Portalo!" - e ha portato. "Descrivi come hai fatto!" - e ha descritto, e mi è piaciuto così tanto il suo "saggio" che lo presento qui senza modifiche o abbreviazioni.
L'inizio del lavoro è "caos creativo".
“Mi è sempre piaciuta la tecnologia, ma soprattutto i motori. Mi occupo di manutenzione, riparazione e personalizzazione con grande interesse. Avendo appreso del motore Stirling, ne sono rimasto affascinato come nessun altro motore. Il mondo dello styling è così vario e vasto che è semplicemente impossibile descrivere tutte le possibili opzioni per la sua esecuzione. Nessun altro motore offrirà una tale varietà in termini di design e, soprattutto, la capacità di realizzarlo da soli.
Avevo l'idea di realizzare un modello di un motore da un barattolo di latta e altri mezzi improvvisati, ma non era nelle mie regole fare "comunque e da ciò che si ricavava". Pertanto, ho deciso di prendere sul serio questo compito, per iniziare con la preparazione teorica. Ho studiato la letteratura su Internet, ma la ricerca non ha portato al risultato desiderato: rivedere articoli e video, la mancanza di disegni per i modelli di questo motore. I modelli finiti sono stati venduti a un prezzo troppo alto. Inoltre, un grande desiderio di realizzare tutto da soli, comprendere il principio di funzionamento, eseguire il debug e condurre test, ottenere un lavoro utile da questo motore e persino provare a trovare il suo utilizzo nell'economia.
"Girando affari!" (Studente intelligente, ha filmato l'intero processo di lavoro come un ricordo. Presenti, cittadini, prove fotografiche documentarie … ed eccoli!)
Ho chiesto in giro sui forum e hanno condiviso la letteratura con me. Era il libro "Stirling Engines" (Autori: G. Ryder e C. Hooper). Rifletteva l'intera storia di questo tipo di costruzione di motori, perché il rapido sviluppo si fermò e dove questi motori sono ancora utilizzati. Dal libro, ho appreso in modo più dettagliato tutti i processi che si verificano nel motore, ho trovato le risposte alle domande di interesse. È stato interessante da leggere, ma volevo esercitarmi. Certo, non c'erano disegni di modelli di garage, così come su Internet, beh, ovviamente, ad eccezione di un modello da una lattina e gommapiuma.
Con mia grande felicità, la persona che ha venduto i modelli di styling ha pubblicato un corso sulla realizzazione di tali modelli, l'ha messo in quel momento per $ 20, gli ho scritto e ho pagato il corso. Dopo aver visto tutti i video, in ognuno dei quali ha spiegato un certo tipo di styling, ho deciso di fare esattamente lo styling ad alta temperatura del tipo gamma. Dal momento che mi ha interessato con il suo design, le caratteristiche e l'aspetto. Dal corso video, ho appreso il rapporto approssimativo tra il diametro del cilindro, i diametri del pistone, quali giochi, rugosità dovrebbero essere, quali materiali utilizzare nella fabbricazione, alcune delle sfumature di costruzione. Ma da nessuna parte erano disponibili le dimensioni dei motori dell'autore, solo approssimativamente il rapporto tra le dimensioni dei nodi.
Io stesso vivo in un villaggio, si potrebbe dire in periferia, mia madre è una ragioniera e mio padre è un falegname, quindi era in qualche modo inopportuno rivolgersi a loro per un consiglio sulla costruzione di un motore. E mi sono rivolto al mio vicino, Gennady Valentinovich, per chiedere aiuto, lavorava nello stabilimento KZTM ora crollato a Kuznetsk.
In generale, il giorno dopo Gennady Valentinovich mi ha portato un pezzo di alluminio lungo circa 1 m e con un diametro di circa 50 mm. Ero molto felice, ho segato gli spazi vuoti di cui avevo bisogno e il giorno dopo sono andato a scuola per provare ad affilare il riscaldatore e il frigorifero per il mio motore a combustione interna. Ho affilato su un tornio da allenamento (su cui lavorava nonno Lenin).
Certo, non c'era precisione lì, la parte esterna del riscaldatore si è rivelata abbastanza buona, ma la parte cilindrica stessa sotto il pistone era su un cono. Trudovik mi ha spiegato che la fresa noiosa si piega, poiché la macchina per queste cose è piuttosto piccola e debole. Sorgeva la domanda su cosa fare dopo … È stato fortunato che mia madre a quel tempo lavorasse come contabile in un'impresa privata, che era un ex stabilimento di riparazione di automobili. Valery Aleksandrovich (il direttore di questo stabilimento) si è rivelato una persona meravigliosa e mi ha aiutato molto, mi era già stata fornita una macchina sovietica professionale e un tornitore che mi ha aiutato. Le cose sono andate più divertenti e letteralmente una settimana dopo, quasi tutto era pronto, è iniziato l'assemblaggio del motore. Ci sono stati momenti interessanti nella costruzione, ad esempio: l'albero, su cui è stato pressato il volano, è stato affidato all'officina meccanica di precisione di un altro stabilimento (per ottenere la necessaria precisione per i cuscinetti); il frigorifero è stato affilato su un tornio e i posti per gli elementi di fissaggio sono stati realizzati con una fresatrice, il volano è stato rettificato su una smerigliatrice. È stato molto interessante ed emozionante per me. Gli operai della fabbrica pensavano che fossi uno studente e sto scrivendo una specie di lavoro scientifico. Sono rimasto seduto in fabbrica fino a tarda sera e mi hanno portato a casa con l'auto ufficiale di Valery Alexandrovich. Il motore è stato avviato in una vasta cerchia di operai, tutti erano molto interessati. Il lancio è andato a buon fine, ma il motore funzionava male.
Il risultato corona l'affare! L'angolo del supporto è stato bruciato durante i test.
Sono state rilevate carenze, le cerniere in plastica sono state sostituite con quelle fluoroplastiche, il volano è stato alleggerito ed equilibrato, il pistone ha ricevuto un attacco fluoroplastico per un minore trasferimento di calore e il frigorifero è diventato con un'area di raffreddamento più ampia. Dopo la messa a punto, il motore ha notevolmente migliorato le sue prestazioni tecniche.
Io stesso sono stato felicissimo. Quando gli amici vengono a casa mia, la prima cosa che fanno è avvicinarsi a lui, chiedergli di iniziare. Gennady Valentinovich ha guidato per mostrare lo styling al suo lavoro, tutti erano molto interessati, non avevano nemmeno bisogno di chiamare qualcuno, tutti si avvicinavano, guardavano e si interessavano.
Il nome del giovane è Nikolai Shevelev, ed è il capo del gruppo. L'ho portato dal preside e noi tre abbiamo parlato molto bene. E poi mi sono ricordato delle statistiche secondo cui solo il 2% della popolazione mondiale è sufficiente per far avanzare l'umanità lungo il percorso del progresso scientifico e tecnologico. Ho contato il numero totale di studenti e ho capito che… non c'è bisogno di preoccuparsi troppo. Con persone come Nikolai, i progressi saranno comunque garantiti per noi!
