Kas ir Stirlinga dzinējs? Kā darbojas Stirlinga dzinējs?

Kas ir Stirlinga dzinējs? Kā darbojas Stirlinga dzinējs? Kā tika atklāts Stirlinga dzinējs? Kādās jomās to izmanto? Kā siltumenerģija tiek pārvērsta kustības enerģijā? Sīkāka informācija par Stirlinga dzinējiem ir atrodama mūsu rakstā.

Kas ir Stirlinga dzinējs?

Stirlinga dzinējs ir iekārta, kas slēgtas kameras ārējās apkures radīto enerģiju pārvērš mehāniskā enerģijā. Zināms arī kā karstā gaisa dzinējs. Kad sakarsētais gaiss izplešas un saspiežas, dzinējs sāk kustēties. To 1816. gadā izgudroja skotu priesteris, godbijīgais Roberts Stērlings. Dzinēju izstrādāja viņa brālis Džeimss Stērlings. Izgudrotāju laikos tika izmantotas ar tvaiku darbināmas mašīnas un tās bija diezgan bīstamas. Viņi nolēma atrast uzticamāku alternatīvu. Viņi vēlējās pārvērst siltumenerģiju tieši kustības enerģijā.

Kas ir Stirlinga dzinējā?

• Strāvas virzulis (pārvietotājs): Tas kalpo gāzes pārvietošanai slēgtajā kamerā. To parasti izmanto beta un alfa tipa dzinējos.
• Virzulis: Tas palīdz pārvērst siltumenerģiju mehāniskajā enerģijā, pārvietojoties dzinēja cilindros.
• Spararats: Tā ir struktūra, pie kuras ir piestiprināti virzuļi. Šīs struktūras uzdevums ir pārnest radīto mehānisko enerģiju uz kustīgajām daļām.
• Dzesētājs: Tas palīdz atdzesēt gāzi slēgtajā kamerā. Tas palīdz dzinējam izmantot ilgāku laiku.
• Sildītājs: Tā ir vissvarīgākā dzinēja daļa. To izmanto, lai sildītu gāzi slēgtā kamerā, lai pārvērstu siltumenerģiju kustības enerģijā.

Turklāt dažos dzinēju tipos to var izmantot citos komponentos, izņemot šos. Tas pilnībā ir izstrādātāju ziņā.

Stirlinga dzinēja darbības princips

Stirlinga dzinējs darbojas, atkārtoti sildot un atdzesējot izolētu darba gāzes daudzumu (parasti gaisu vai gāzes, piemēram, hēliju, ūdeņradi).

Gāzei piemīt uzvedība, ko nosaka gāzes likumi (attiecībā pret spiedienu, temperatūru un tilpumu). Kad gāze tiek uzkarsēta, jo tā atrodas izolētā telpā, tās spiediens paaugstinās un ietekmē jaudas virzuli, radot jaudas gājienu. Kad gāze tiek atdzisusi, spiediens pazeminās, un rezultātā virzulis izmanto daļu darba, kas veikts atpakaļgaitas gājienā, lai atkārtoti saspiestu gāzi. Iegūtais tīkla darbs rada spēku uz vārpstas. Darba gāze periodiski plūst starp karsto un auksto siltummaini. Darba gāze ir noslēgta virzuļa cilindros. Tātad šeit nav izplūdes gāzes. Atšķirībā no citiem virzuļdzinēju veidiem, vārsti nav nepieciešami.

Dažos Stirlinga dzinējos tiek izmantots sadalītāja virzulis, lai pārvietotu darba gāzi uz priekšu un atpakaļ starp aukstu un karstu tvertni. Darba gāze pārvietojas, turot cilindrus dažādās temperatūrās, pateicoties vairāku cilindru spēka virzuļu savienojumam.

Īstos Stirlinga dzinējos starp tvertnēm tiek novietots reģenerators. Šis siltums tiek pārnests no reģeneratora, kad gāzes cikls notiek starp karsto un auksto pusi. Dažos dizainos separatora virzulis ir pats reģenerators. Šis reģenerators veicina Stirlinga cikla efektivitāti. Struktūra, kas šeit apzīmēta kā reģenerators, patiesībā ir cieta struktūra, kas netraucēs tai iziet cauri gaisam. Piemēram, šim darbam var izmantot tērauda lodītes. Kad gaiss pārvietojas starp aukstu telpu un siltu telpu, tas iet caur šo reģeneratoru. Pirms karstais gaiss sasniedz auksto daļu, tas atstāj siltumenerģiju uz šīm bumbiņām. Aukstajam gaisam pārejot uz karsto pusi, tas nedaudz sasilst ar iepriekš izdalīto siltumenerģiju. Citiem vārdiem sakot, tas palielina dzinēja efektivitāti, iepriekš uzsildot gaisu pirms ieiešanas karstajā daļā un iepriekš atdzesējot pirms ieiešanas aukstajā daļā.

Ideālam Stirlinga dzinēja ciklam ir tāda pati teorētiskā efektivitāte kā Carnot siltuma dzinējam ar tādu pašu ieplūdes un izplūdes temperatūru. Tā termodinamiskā efektivitāte ir augstāka nekā tvaika dzinējiem. (vai daži vienkārši iekšdedzes un dīzeļdzinēji)

Stirlinga dzinēju var darbināt jebkurš siltuma avots. Ārdedzes dzinējs, degšana izteicienā bieži tiek pārprasta. Siltuma avotu var radīt sadedzināšana, bet tā var būt arī saules enerģija, ģeotermālā enerģija vai kodolenerģija. Tāpat aukstuma avots, ko izmanto temperatūras starpības radīšanai, var būt dažādi materiāli, kas ir zemāki par apkārtējās vides temperatūru. Dzesēšanu var panākt, izmantojot aukstu ūdeni vai aukstumaģentu. Taču, tā kā no aukstuma avota iegūstamā temperatūras starpība būs maza, būs jāstrādā ar lielākām masām, un jaudas zudumi, kas radīsies sūknēšanas procesā, samazinās cikla efektivitāti.Sadegšanas produkti nesaskaras ar dzinēja iekšējām daļām. Smēreļļas kalpošanas laiks Stirlinga dzinējā ir ilgāks nekā iekšdedzes dzinējos.

Stirlinga dzinēju veidi

Ir 3 galvenie Stīlinga dzinēju veidi. Citi dzinēju veidi ir uzlabotas 3 dzinēju versijas.

• Alfa tipa Stīlinga dzinējs:

Tas sastāv no diviem virzuļiem, spararata, slēgtas gāzes kameras ar virzuļiem, siltummaiņiem, siltuma ģeneratora un spararata. Tā mērķis ir aktivizēt tajā esošo gāzi, sildot ar siltuma avotu augšpusē novietotā virzuļa laukumu. Uzkarsētā gāze sāk stumt virzuli uz priekšu un atpakaļ, otrs savienotais virzulis sāk kustēties, tā ka karstā un aukstā gāze tiek izspiesta kamerā. Radītā enerģija tiek pārnesta ar spararata palīdzību, kuram ir pievienoti šie divi virzuļi.

• Beta tipa Stīlinga dzinējs:

Uz vienas vārpstas ir 2 virzuļi. Šie divi virzuļi ir savienoti viens ar otru. Sildot kameru ar virzuli apakšā, gāze slēgtajā kamerā tiek uzkarsēta un aktivizēta. Tādā veidā virzulis sāk kustību uz augšu. Otrs savienotais virzulis arī palīdz aukstajai gāzei pārvietoties kamerā. Spararats, kuram ir piestiprināti virzuļi, nodod ģenerēto enerģiju.

• Gamma tipa Stīlinga dzinējs:

Ir divi atsevišķi virzuļi. Kamera ar lielāko virzuli tiek uzkarsēta un tajā esošā gāze tiek aktivizēta. Tādā veidā virzuļi, kas savienoti viens ar otru ar spararatu, sāk kustēties.

Stirlinga dzinēju priekšrocības

• Tā kā siltums tiek pielietots ārēji, mēs varam precīzi kontrolēt degvielas un gaisa maisījumu.
• Tā kā siltuma nodrošināšanai tiek izmantots nepārtraukts siltuma avots, nesadegušās degvielas daudzums ir ļoti mazs.
• Šāda veida dzinējiem nepieciešama mazāka apkope un eļļošana nekā dzinēju tipiem to jaudas līmenī.
• Salīdzinot ar iekšdedzes dzinējiem, tiem ir diezgan vienkārša uzbūve.
• Tie var darboties pat zemā spiedienā, tie ir drošāki nekā tvaika avota iekārtas.
• Zems spiediens ļauj izmantot vieglākus un izturīgākus cilindrus.

Stirlinga dzinēju trūkumi

• Izmaksas ir augstas degvielas ekonomijas ziņā, jo nepieciešamais siltums ir nepieciešams pirmajā dzinēja iedarbināšanas reizē.
• Ir diezgan grūti pacelt viņa spēku citā līmenī.
• Daži Stīlinga dzinēji nevar ātri iedarbināties. Viņiem ir nepieciešams pietiekami daudz siltuma.
• Parasti ūdeņraža gāzi izmanto slēgtā kamerā. Tomēr, ja šīs gāzes molekulas ir diezgan mazas, to ir grūti noturēt kamerā. Tāpēc mēs saskaramies ar papildu izmaksām.
• Vēsākai daļai ir jāuzņem pietiekami daudz siltuma. Ja siltuma zudumi ir pārāk lieli, dzinēja efektivitāte samazināsies.

Stirlinga dzinēju pielietojuma jomas

Stirlinga dzinējus izmanto mazjaudas aviācijas dzinējos, kuģu dzinējos, siltumsūkņos, koģenerācijas sistēmās. Mūsdienās to galvenokārt izmanto elektroenerģijas ražošanai saules paneļu laukos.