Stirlingo variklis yra stūmoklinis šilumos variklis, kuris naudoja šilumą iš išorinio šaltinio, kad sukurtų energiją darbo ciklui. Ši šiluma dažniausiai gaunama išorinio degimo būdu, todėl tai yra išorinio degimo variklis.

Šio tipo varikliai naudoja cheminę energiją, gautą deginant degalus, kad pašildytų darbinę medžiagą, kuri vėliau atlieka darbą variklyje. Degimas visada vyksta už variklio ribų, o darbinė medžiaga dažniausiai yra dujos.

Turinys

• Trumpai apie Stirlingo variklio istoriją
• Stirlingo variklio konstrukcija
• Kaip veikia vieno cilindro Stirlingo variklis?
• Kaip veikia dviejų ar daugiau cilindrų Stirlingo variklis?
• Stirlingo variklio privalumai
• Stirlingo variklio trūkumai
• Stirlingo variklio naudojimas
• Ateities naujovės
• Įdomūs faktai apie Stirlingo variklį
• Dažnai užduodami klausimai apie Stirlingo variklį
• Išvada

Trumpai apie Stirlingo variklio istoriją

Stirlingo variklis pradėtas kurti XIX amžiaus pradžioje, kai škotų inžinierius ir kunigas Robertas Stirlingas siekė sukurti saugesnę alternatyvą garo varikliams, kurie buvo pagarsėję sprogimu. Stirlingo variklis buvo patentuotas 1816 m. Vėlesniais metais jis buvo keletą kartų patobulintas, siekiant padidinti efektyvumą. Broliai Stirlingai taip pat užpatentavo karšto oro variklį 1827 m.

19 ir 20 amžiais Stirlingo varikliai patyrė didesnio susidomėjimo ir naujovių laikotarpiais, ypač kai trūko degalų arba buvo sparčios technologinės pažangos. Šiais laikais Stirlingo varikliai vėl išryškėja kaip ekologiška alternatyva tradiciniams vidaus degimo varikliams.

Stirlingo variklio konstrukcija

Kalbant apie konstrukciją, Stirlingo variklis turi daug pranašumų prieš kitus vidaus degimo variklius. Variklis yra tvirtas ir labai paprastos konstrukcijos, todėl labai patikimas.

Šis variklis yra įdėtas ir sandarus, todėl jį galima naudoti, pavyzdžiui, po vandeniu arba vakuume. Kadangi degalai variklio viduje nedega, nėra nereikalingo triukšmo ar vibracijos.

Todėl variklis yra tylesnis, rafinuotesnis ir ilgiau tarnauja nei klasikiniai vidaus degimo varikliai, nes jo komponentai yra mažiau apkraunami. Stirlingo variklio efektyvumas toks pat, kartais net didesnis, nei geriausių dyzelinių variklių. Tačiau didžiausias jo privalumas yra tas, kad varikliui valdyti galima naudoti įvairių rūšių degalus.

Kaip veikia vieno cilindro Stirlingo variklis?

Iš pradžių žemos temperatūros dujos, taigi ir slėgis, yra tarp apatinio (nesandarumo) ir viršutinio darbinio (sandarumo) stūmoklių, kurie yra sujungti. Apatinis stūmoklis juda į viršutinę cilindro dalį ir išstumia aplink stūmoklį tekančias dujas į apatinę cilindro dalį, kuri šildoma išoriniu šilumos šaltiniu.

Dėl šildymo baliono viduje pakyla dujų temperatūra, todėl dujos padidina savo tūrį ir slėgį, o vėliau plečiasi aukštyn, o vėl teka aplink nesandarią stūmoklį.

Susijęs įrašas - 

Variklio stūmokliai: ką jie turi atlaikyti ir kokia jų funkcija?

Baliono viršuje dujos atšaldomos, sumažinant jų tūrį ir slėgį, todėl darbinis stūmoklis juda žemyn, pakeldamas nesandarią stūmoklį į viršų, todėl dujos grįžta į cilindro apačią, kuri yra įkaista. Šis ciklas nuolat kartojasi.

Kaip veikia dviejų ar daugiau cilindrų Stirlingo variklis?

Raudonasis cilindras šildomas išoriniu šilumos šaltiniu. Balione esančios dujos padidina jų tūrį ir slėgį, stumdamos (raudoną) cilindro stūmoklį į viršų. Stūmokliui pasiekus viršutinę cilindro ribą, dujos teka per vamzdelį į antrąjį (mėlyną) cilindrą.

Ten jis atšaldomas, dėl ko sumažėja jo tūris ir slėgis, dėl ko krenta stūmoklis, kuris atšalusias dujas stumia atgal į įkaitintą cilindrą.

Stirlingo variklio privalumai

Stirlingo variklis yra universalus, o efektyvumas panašus į benzininių ar dyzelinių variklių. Kaip jau minėta, tai variklis su išoriniu degimu, kuris yra tobulesnis ir sukuria mažesnį kenksmingų medžiagų kiekį.

Susijęs įrašas - 

Benzininis ir dyzelinis variklis: kuo jie skiriasi, kokie privalumai ir trūkumai?

Kadangi jokios medžiagos nepatenka ir iš jo neišeina, galima naudoti tinkamiausią darbinį cilindrų užpildą. Pagrindiniai Stirlingo variklio pranašumai yra šie:

1. Degalų universalumas: Stirlingo varikliai gali veikti naudojant praktiškai bet kokį šilumos šaltinį, todėl juos galima pritaikyti įvairiems degalams, įskaitant atsinaujinančius energijos šaltinius, pvz., saulės energiją.
2. Didelis efektyvumas: regeneratoriaus ir izoterminių procesų dėka Stirlingo varikliai gali pasiekti didesnį šiluminį efektyvumą, palyginti su vidaus degimo varikliais.
3. Mažai emisijų: išorinis degimo procesas sumažina išmetamųjų teršalų kiekį ir mažiau taršos, todėl Stirlingo varikliai yra ekologiškas sprendimas. Stirlingo varikliui nereikia alyvos, kuri maišoma į degalus, pavyzdžiui, dvitakčiuose degimo varikliuose. Dėl to, kad degaluose nėra alyvos, į orą patenka mažiau kenksmingų medžiagų.
4. Tylus veikimas: Stirlingo varikliai veikia su minimaliu triukšmu ir vibracija, nes nėra vidaus degimo, todėl greitas išmetamųjų dujų pašalinimas.

Degalai Stirlingo varikliui

Kaip jau minėta, didžiulis Stirlingo variklio pranašumas, palyginti su kitais vidaus degimo varikliais, yra tas, kad varikliui valdyti galima naudoti daugybę skirtingų degalų, tokių kaip:

• Gamtinės dujos (pasiekia geriausius rezultatus ekonominiu, bet ir ekologiniu požiūriu)
• Skystas ir dujinis kuras
• Kietasis kuras
• Biomasė (medžio drožlės, augalų liekanos, šiaudai ir kt...)
• Biodujos (dujos iš sąvartynų, nuotekų valymo įrenginių, kokso dujos)
• Saulės energija
• daug daugiau...

Be Stirlingo variklio, nėra kito variklio, kuris savo varymui galėtų panaudoti tokią plačią skirtingų šaltinių grupę.

Stirlingo variklio trūkumai

Stirlingo variklis, kaip ir bet kuris kitas įrenginys, turi savo privalumų ir trūkumų. Prie šio variklio neigiamų dalykų galime įtraukti šiuos dalykus:

• Mažesnis galios ir svorio santykis: palyginti su vidaus degimo varikliais, Stirlingo variklių galios ir svorio santykis yra mažesnis.
• Sudėtinga konstrukcija: Stirlingo variklių konstrukcija yra sudėtingesnė, todėl didėja gamybos sąnaudos ir sudėtingesnė priežiūra.
• Medžiagų sudėtingumas: norint užtikrinti optimalų veikimą, būtinas efektyvus šilumos perdavimas tarp karštos ir šaltos kameros. Todėl sandarinimo medžiagoms keliami dideli reikalavimai, taigi ir gamybos sąnaudos.

Stirlingo variklio naudojimas

Stirlingo variklis dėl savo universalumo ir unikalių savybių yra naudojamas įvairiose srityse:

• Energijos gamyba: Stirlingo variklis gali būti naudojamas elektros energijai gaminti atokiose vietovėse, naudojant atliekinę šilumą arba atsinaujinančius energijos šaltinius, pvz., saulės energiją.
• Kogeneracija: kombinuotose šilumos ir elektros energijos (CHP) sistemose Stirlingo variklis gali atgauti panaudotą šilumą iš pramoninių procesų ar pastatų ir taip padidinti bendrą energijos vartojimo efektyvumą.
• Jūrų variklis: Stirlingo variklis naudojamas povandeniniuose laivuose ir kituose karinių jūrų pajėgų laivuose, kad jie veiktų tyliai ir taupytų kurą.
• Erdvėlaivio galia: radioizotopų Stirlingo generatoriai naudojami kaip energijos šaltinis vykdant misijas kosmose, pvz., NASA pažangus radioizotopų Stirlingo generatorius (ASRG).

Ateities naujovės

Stirlingo varikliai yra pasirengę vaidinti svarbų vaidmenį pereinant prie švaresnių ir efektyvesnių energijos sprendimų. Galimos ateities naujovių sritys:

• Saulės energija: koncentruotos saulės energijos sistemos gali naudoti Stirlingo variklius, kad saulės šviesą paverstų elektra, o tai yra atsinaujinantis šaltinis.
• Atliekos šilumos atgavimas: pažangių medžiagų ir konstrukcijų kūrimas gali dar labiau pagerinti Stirlingo variklių efektyvumą, todėl jie yra patraukli šilumos atgavimo ir energijos taupymo galimybė.
• Naudojimas automobiliuose: nors dar nėra plačiai paplitęs, Stirlingo variklių integravimas į hibridinių transporto priemonių sistemas galėtų padėti sumažinti degalų sąnaudas ir išmetamųjų teršalų kiekį.

Įdomūs faktai apie Stirlingo variklį

• Pirmasis patentuotas variklis: Stirlingo variklis buvo pirmasis patentuotas variklis, kuris gavo patentą 1816 m., dar prieš vidaus degimo variklį.
• Saugos naujovės: Stirlingo variklis iš pradžių buvo sukurtas kaip saugesnė alternatyva garo varikliams, kurie buvo linkę sprogti dėl aukšto slėgio garų.
• Švedijos povandeniniai laivai: Švedijos karinis jūrų laivynas savo Gotlando klasės povandeniniuose laivuose naudojo Stirlingo variklius nuo 1996 m., naudodamasis tylaus variklio veikimo ir efektyvumo pranašumais.
• Philips Electronics: šeštajame dešimtmetyje „Philips Electronics“ sukūrė įvairius Stirlingo variklius, skirtus naudoti radijo imtuvuose ir kituose mažuose prietaisuose, padėdami populiarinti šią technologiją.
• Ilgiausiai veikiantis Stirlingo variklis: ilgiausiai nepertraukiamai veikiantis Stirlingo variklis yra Kenterberio universitete Naujojoje Zelandijoje. Šis variklis, žinomas kaip Canterbury Ringbom, naudojamas nuo 1986 m.

Dažnai užduodami klausimai apie Stirlingo variklį

Kl.: Ar Stirlingo variklį galima naudoti automobilyje?

Atsakymas: Stirlingo variklis dar nėra plačiai paplitęs automobiliuose dėl mažesnio galios ir svorio santykio bei sudėtingumo. Tačiau jis gali būti integruotas į hibridinių transporto priemonių sistemas, siekiant pagerinti degalų efektyvumą ir sumažinti išmetamųjų teršalų kiekį.

Klausimas: kuo Stirlingo variklio efektyvumas lyginamas su vidaus degimo variklio efektyvumu?

Atsakymas: Stirlingo variklis gali pasiekti didesnį šiluminį efektyvumą, palyginti su vidaus degimo varikliais, dažnai pasiekiant 30–40 % ar didesnį efektyvumą, o vidaus degimo variklių efektyvumas paprastai yra apie 20–25 %.

Klausimas: Kokie pagrindiniai veiksniai turi įtakos Stirlingo variklio efektyvumui?

Atsakymas: Stirlingo variklio efektyvumas priklauso nuo kelių veiksnių, įskaitant temperatūros skirtumą tarp karštos ir šaltos kamerų, regeneratoriaus konstrukcijos, darbinių dujų ir mechaninių nuostolių variklyje.

K: Kaip paleidžiamas Stirlingo variklis?

Atsakymas: norint pradėti veikti Stirlingo varikliui, reikalingas išorinis šilumos šaltinis. Kai darbinės dujos įkaista ir pradeda plėstis, variklis užsives ir veiks tol, kol bus palaikomas šilumos šaltinis.

K: Kokios darbinės dujos naudojamos Stirlingo variklyje?

Atsakymas: Stirlingo variklio darbinės dujos gali skirtis atsižvelgiant į konkretų dizainą ir pritaikymą. Dažniausiai naudojamos dujos yra oras, vandenilis, helis ir azotas.

Išvada

Stirlingo variklis siūlo unikalų degalų universalumo, didelio efektyvumo ir mažo išmetamųjų teršalų kiekio derinį, todėl jį galima pritaikyti įvairiems tikslams. Tobulėjant technologijoms, Stirlingo variklio potencialas didės, kaip ir jo panaudojimas įvairiose srityse.

Peržiūrėkite veikiantį Stirlingo variklį sumažintoje versijoje: