Stirlinga dzinējs — definīcija, darbības princips un pielietojums

Uzzini Stirlinga dzinēja definīciju, darbības principu un praktisko pielietojumu — klusais, efektīvais siltuma dzinējs no atjaunojamiem avotiem un rūpniecības risinājumiem.

Stirlinga dzinējs ir siltuma dzinējs, kas pārvērš siltumu lietderīgā mehāniskā enerģijā, kustoties virzulim cilindrā dzinēja iekšpusē. Atšķirībā no citiem plaši izplatītiem siltuma dzinējiem, piemēram, iekšdedzes dzinēja, ko izmanto automašīnās, un tvaika dzinēja, ko izmanto dzelzceļos, šis dzinējs katrā virzuļa gājienā atkārtoti izmanto vienu un to pašu gāzi, tāpēc nav trokšņainu izplūdes gāzu. Viena un tā pati gāze dzinēja cilindrā tiek atkārtoti uzsildīta un atdzesēta.

Lai tas darbotos, tam ir nepieciešams siltuma avots, lai uzsildītu karstās daļas. To var iegūt no uguns, kā arī no saules stariem, no karstiem iežiem vulkāna tuvumā vai no kodolenerģijas. Tam ir arī aukstās daļas, kas dzesē gāzi tā iekšienē, un tās tiek uzturētas aukstas ar gaisa vai ūdens plūsmas palīdzību, kas plūst pāri tām.

To 1816. gadā izgudroja skotu mācītājs, priesteris Dr. Roberts Stirlings.

Darbības princips

Stirlinga dzinēja darbības pamatā ir slēgta darba gāzes cilindra cikla maiņa starp karstu un aukstu zonu. Cikls sastāv no gāzes uzsildīšanas (izplešanās) karstajā daļā un atdzesēšanas (saspiešanas) aukstajā daļā, kā arī siltuma īslaicīgas uzglabāšanas un atdošanas, ja ir reģenerators. Parasti aprakstītais ideālais cikls ietver divas izotermas (izplešanās un saspiešana pie nemainīga siltuma apmaiņas) un divas izhohoriskas / izohoriskas fāzes, kurās notiek siltuma pārvietošanās starp gāzi un reģeneratoru.

Galvenās sastāvdaļas

• Karstā siltummainis — sadaļa, kur gāze uzsilst.
• Aukstā siltummainis — vieta, kur gāze tiek atdzesēta.
• Virzulis / darba pistone — pārveido gāzes spiediena maiņu mehāniskā darbu.
• Displacieris (pārvietotājs) — pārvieto gāzi starp karsto un auksto zonu, neizspiežot to no cilindra.
• Reģenerators — siltuma krātuve, kas uz laiku saglabā gaisā iegūto siltumu no karstās fāzes un atdod to atpakaļ aukstajā fāzē; tas būtiski paaugstina efektivitāti.
• Dzesēšanas sistēma — nodrošina aukstā reģiona temperatūras uzturēšanu (gaiss vai ūdens).

Termodinamikas pamats un efektivitāte

Ideālā Stirlinga cikla efektivitāte var tuvināties Karno cikla efektivitātei, ja siltuma apmaiņa pie izotermām un reģenera darbība ir tuva ideālai. Praktiski panākt šādu efektivitāti grūtāk, jo liela nozīme ir siltuma vadībai, gāzes izvēlei un mehānisko zudumu samazināšanai. Parasti kā darba gāze izmanto hēliju vai ūdeņradi, jo tām ir laba termiskā vadītspēja un zems viskozitātes koeficients; vēsturiskajos modeļos lietoja arī gaisu.

Stirlinga dzinēja veidi

• Alpha — divi atsevišķi cilindri (viens karsts, otrs auksts), katrā ir virzulis; augsts jaudas blīvums, bet sarežģītāks mehānisms.
• Beta — vienā cilindrā ir gan displacieris, gan darba virzulis; kompakts risinājums ar labu reģeneratora izvietojumu.
• Gamma — displacieris vienā cilindrā, darba virzulis atsevišķā cilindrā, vieglāk izgatavojams, bet nedaudz mazāk efektīvs nekā beta tips.
• Brīvpistones (free-piston) versijas — bez mehāniskā kloķvārpstas savienojuma, elektriskā ģeneratora saskaņota kustība; piemērotas automātiskai darbībai un kosmosa lietojumiem.

Priekšrocības un trūkumi

• Priekšrocības:
  • Ļoti kluss darbībā un bez atklātām izplūdes gāzēm (ja izmanto slēgtu ciklu).
  • Var darboties no dažādiem siltuma avotiem — uguns, saules kolektoriem, kodolavots vai rūpnieciska atlikušo siltuma atgūšana.
  • Augsta efektivitāte pie laba reģeneratora un liela karsta/auksta temperatūras starpības.
  • Ilgs darba mūžs un zema vibrācija, ja konstrukcija ir kvalitatīva.
• Trūkumi:
  • Salīdzinoši zems jaudas un svara attiecības rāmjos tehnoloģijām, kur nepieciešama liela jauda nelielā tilpumā.
  • Sarežģītāks un dārgs ražošanas process (precīzas tolerances, labas siltumpārvades konstrukcijas).
  • Lielas temperatūras atšķirības un materiālu ierobežojumi nosaka maksimālo darba temperatūru.
  • Ja izmanto viegli uzliesmojošas darba gāzes (piem., ūdeņradis), nepieciešami drošības pasākumi.

Pielietojums

Stirlinga dzinējiem ir gan vēsturisks, gan mūsdienīgs pielietojums:

• Demonstrācijas modeļi un izglītības ierīces — populāri kā paraugi tehniskajai izglītībai.
• Saules termiskie spēkstaciju eksperimenti — Stirlinga motori var darboties ar koncentrētās saules enerģijas siltumu.
• Mikro-CHP (lietderīgā kopējā siltuma un elektroenerģijas ražošana) mājsaimniecībās vai mazākās rūpniecības iekārtās.
• Atkritumu siltuma atgūšana rūpniecībā, kur pieejams zemas vai vidējas temperatūras siltums.
• Stirlinga cikla reversā izmantošana kā dzesētāji un kriogēni (Stirlinga dzesētājs) — izmanto aukstumā, piemēram, infrasarkanajiem detektoriem un supervadītāju dzesēšanai.
• Pētījumu līmenī — brīvpistones Stirlinga dzinēji kosmosa radioizotopu Stirlinga generatoros un kā klusā jaudas avota risinājumi īpašos lietojumos.

Uzturēšana un drošība

Uzmanība jāpievērš blīvējumiem, virzuļu tolerancēm un reģeneratora stāvoklim. Slēgtā cikla priekšrocība ir tā, ka nerodas tiešas izplūdes; tomēr jāuzrauga darba gāzes spiediens un hermētiskums. Ja tiek izmantotas vieglās un ātri difūzijas gāzes (piem., ūdeņradis), nepieciešama īpaša drošība pret noplūdēm.

Vēsture un attīstība

Roberts Stirlings 19. gadsimtā radītā ideja attīstījās tālāk ar reģeneratora ieviešanu, kas ievērojami uzlaboja cikla efektivitāti. Mūsdienās pētniecība koncentrējas uz materiāliem, uzlabotiem reģeneratoriem, brīvpistones dizainiem un masveidā ražojamiem risinājumiem, lai padarītu Stirlinga tehnoloģiju konkurētspējīgāku pret citām jaudas ģenerēšanas tehnoloģijām.

Kopumā Stirlinga dzinējs ir elastīgs sarežģīts mehānisks risinājums ar īpašām priekšrocībām klusai un tīrai enerģijas ražošanai, taču tā plašāka izmantošana joprojām ierobežota ar izmaksu, materiālu un jaudas blīvuma faktoriem.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir Stirlinga dzinējs?

Q: Ar ko Stirlinga dzinējs atšķiras no citiem siltuma dzinējiem?

J: Kas nepieciešams Stirlinga dzinēja darbināšanai?

J: Kādas ir Stirlinga dzinēja aukstās daļas un kā tās tiek uzturētas aukstas?

J: Kas izgudroja Stirlinga dzinēju?

J: Kāds ir Stirlinga dzinēja mērķis?

J: Kādas ir Stirlinga dzinēja izmantošanas priekšrocības?

Meklēt pēc burta