Stirlinga dzinējs: kādas ir tā priekšrocības?
Stirlinga dzinējs ir virzuļdzinējs, kas izmanto siltumu no ārēja avota, lai radītu enerģiju darba ciklam. Šo siltumu bieži iegūst ārdedzes ceļā, tāpēc tas ir ārdedzes dzinējs.
Šāda veida dzinēji izmanto ķīmisko enerģiju, kas iegūta, sadedzinot degvielu, lai uzsildītu darba vielu, kas pēc tam veic darbu dzinējā. Degšana vienmēr notiek ārpus dzinēja, un darba viela visbiežāk ir gāze.
Saturs
- Stirlinga dzinēja vēsture īsumā
- Stirlinga dzinēja uzbūve
- Kā darbojas viena cilindra Stirlinga dzinējs?
- Kā darbojas divu vai vairāku cilindru Stirlinga dzinējs?
- Stirlinga dzinēja priekšrocības
- Stirlinga dzinēja trūkumi
- Stirlinga dzinēja izmantošana
- Nākotnes inovācijas
- Interesanti fakti par Stirlinga dzinēju
- Bieži uzdotie jautājumi par Stirlinga dzinēju
- Secinājums
Stirlinga dzinēja vēsture īsumā
Stirlinga dzinēja izstrāde sākās 19. gadsimta sākumā, kad skotu inženieris un garīdznieks Roberts Stērlings mēģināja radīt drošāku alternatīvu tvaika dzinējiem, kas bija bēdīgi slaveni ar sprādzieniem. Stirlinga dzinējs tika patentēts 1816. gadā. Turpmākajos gados tam tika veikti vairāki uzlabojumi, lai palielinātu efektivitāti. Brāļi Stērlingi arī patentēja karstā gaisa dzinēju 1827. gadā.
19. un 20. gadsimtā Stirlinga dzinēji piedzīvoja lielāku interesi un inovācijas, īpaši degvielas trūkuma vai strauja tehnoloģiskā progresa periodos. Mūsdienās Stirlinga dzinēji atkal izvirzās priekšplānā kā ekoloģiska alternatīva tradicionālajiem iekšdedzes dzinējiem.
Stirlinga dzinēja uzbūve
Dizaina ziņā Stirlinga dzinējam ir daudz priekšrocību salīdzinājumā ar citiem iekšdedzes dzinējiem. Motors ir izturīgs un tam ir vienkārša konstrukcija, kas padara to ļoti uzticamu.
Šis motors ir iekapsulēts un blīvs, kas ļauj to izmantot, piemēram, zem ūdens vai vakuumā. Tā kā degviela nedeg dzinēja iekšpusē, nav lieku trokšņu vai vibrāciju.
Tāpēc dzinējs ir klusāks, izsmalcinātāks un ilgāks kalpošanas laiks nekā klasiskajiem iekšdedzes dzinējiem, jo tā daļas ir mazāk noslogotas. Stirlinga dzinēja efektivitāte ir tāda pati, dažreiz pat augstāka nekā labākajiem dīzeļdzinējiem. Tomēr tā lielākā priekšrocība ir tā, ka dzinēja darbināšanai var izmantot dažādu veidu degvielu.
Kā darbojas viena cilindra Stirlinga dzinējs?
Sākotnēji gāze ir zemā temperatūrā, un līdz ar to spiediens atrodas starp apakšējo (noplūdes) un augšējo darba (stingru) virzuļiem, kas ir savstarpēji savienoti. Apakšējais virzulis virzās uz cilindra augšējo daļu un izspiež gāzi, kas ap virzuli ieplūst cilindra apakšējā daļā, ko silda ārējs siltuma avots.
Pateicoties apkurei, balonā esošās gāzes temperatūra paaugstinās. Tādējādi gāze palielina savu tilpumu un spiedienu un izplešas uz augšu, kamēr tā atkal plūst ap noplūdušo virzuli.
Dzinēja virzuļi: kā tie darbojas?
Balona augšpusē gāze tiek atdzesēta, samazinot tās tilpumu un spiedienu, kā rezultātā darba virzulis virzās uz leju, paceļot noplūdušo virzuli uz augšu un ļaujot gāzei atgriezties cilindra apakšā, kas tiek uzkarsēta. Šis cikls nepārtraukti atkārtojas.
Kā darbojas divu vai vairāku cilindru Stirlinga dzinējs?
Ārējais siltuma avots silda sarkano cilindru. Gāze balonā palielina tās tilpumu un spiedienu, nospiežot (sarkano) cilindra virzuli uz augšu. Pēc tam, kad virzulis sasniedz cilindra augšējo robežu, gāze caur cauruli ieplūst otrajā (zilajā) cilindrā.
Tur tas tiek atdzesēts, kā rezultātā samazinās tā tilpums un spiediens, kā rezultātā virzulis nokrīt, kas atdzesēto gāzi iespiež atpakaļ uzkarsētajā cilindrā.
Stirlinga dzinēja priekšrocības
Stirlinga dzinējam ir daudzpusīgs pielietojums, un tā efektivitāte ir salīdzināma ar dzirksteļdzinējiem vai dīzeļdzinējiem. Kā jau minēts, tas ir dzinējs ar ārējo degšanu, kas rada mazāk kaitīgo vielu.
Benzīna un dīzeļdzinējs: kā tie atšķiras?
Tā kā dzinējā neietilpst vai neizplūst viela, ir iespējams izmantot vispiemērotāko cilindru pildījumu. Stirlinga dzinēja galvenās priekšrocības ir šādas:
- Degvielas daudzpusība: Stirling dzinēji var darboties ar praktiski jebkuru siltuma avotu, padarot tos pielāgojamus plašam degvielas klāstam, tostarp atjaunojamiem enerģijas avotiem, piemēram, saules enerģijai.
- Augsta efektivitāte: pateicoties reģeneratoram un izotermiskajiem procesiem, Stērlinga dzinēji var sasniegt augstāku termisko efektivitāti salīdzinājumā ar iekšdedzes dzinējiem.
- Zems izmešu daudzums: ārējā sadegšanas procesa rezultātā tiek samazinātas emisijas un mazāk piesārņojuma, tādējādi Stirlinga dzinēji ir videi draudzīgs risinājums. Mazāk kaitīgo vielu nonāk gaisā, jo degvielā nav eļļas.
- Klusa darbība: Stirlinga dzinēji darbojas ar minimālu troksni un vibrāciju, jo nav iekšdedzes un ātras izplūdes gāzu noņemšanas.
Degvielas Stirlinga dzinējam
Kā jau minēts, Stirlinga dzinēja milzīga priekšrocība salīdzinājumā ar citiem iekšdedzes dzinējiem ir tā, ka dzinēja darbināšanai var izmantot plašu dažādu degvielu klāstu, piemēram:
- Dabasgāze (ar to tiek sasniegti vislabākie rezultāti no ekonomiskā, bet arī no ekoloģiskā viedokļa)
- Šķidrais un gāzveida kurināmais
- Cietais kurināmais
- Biomasa (šķelda, augu atliekas un citi...) Biogāze (gāze no poligoniem, notekūdeņu attīrīšanas iekārtām, koksa gāze)
- Saules enerģija
- Daudz kas cits...
Izņemot Stirlinga dzinēju, neviena cita dzinēja piedziņai nevar izmantot tik plašu dažādu avotu grupu.
Stirlinga dzinēja trūkumi
Tāpat kā jebkurai citai ierīcei, Stirlinga dzinējam ir plusi un mīnusi. Starp šī dzinēja trūkumiem mēs varam iekļaut šādus:
- Mazāka jaudas un svara attiecība: salīdzinot ar iekšdedzes dzinējiem, Stirlinga dzinējiem ir zemāka jaudas un svara attiecība.
- Sarežģīts dizains: Stirlinga dzinējiem ir sarežģītāka konstrukcija, kas rada augstākas ražošanas izmaksas un apgrūtinošāku apkopi.
- Materiālu sarežģītība: efektīva siltuma pārnese starp karsto un auksto kameru ir būtiska optimālai veiktspējai. Tāpēc prasības blīvējuma materiāliem ir augstas un līdz ar to arī ražošanas izmaksas.
Stirlinga dzinēja izmantošana
Stirlinga dzinējs tiek izmantots plašā lietojumu klāstā, pateicoties tā daudzpusībai un unikālajām īpašībām:
- Enerģijas ražošana: Stirlinga dzinējs var ražot elektroenerģiju attālos apgabalos, izmantojot siltumenerģiju vai atjaunojamos enerģijas avotus, piemēram, saules enerģiju.
- Koģenerācija: koģenerācijas sistēmās Stirlinga dzinējs var atgūt siltumenerģiju no rūpnieciskiem procesiem vai ēkām, palielinot energoefektivitāti.
- Jūras dzinējspēks: Stirlinga dzinējs tiek izmantots zemūdenēs un citos jūras spēku kuģos, lai nodrošinātu klusu darbību un degvielas ekonomiju.
- Kosmosa kuģa jauda: radioizotopu Stirlinga ģeneratori tiek izmantoti kā enerģijas avots misijām kosmosā, piemēram, NASA uzlabotais radioizotopu Stirlinga ģenerators (ASRG).
Nākotnes inovācijas
Stirlinga dzinējiem ir iespēja spēlēt nozīmīgu lomu pārejā uz tīrākiem un efektīvākiem enerģijas risinājumiem. Potenciālās jomas nākotnes inovācijām ir:
- Saules enerģija: koncentrētas saules enerģijas sistēmas var izmantot Stirlinga dzinējus, lai pārvērstu saules gaismu elektrībā, piedāvājot atjaunojamo resursu.
- Atkritumu siltuma rekuperācija: progresīvu materiālu un konstrukciju izstrāde var vēl vairāk uzlabot Stirlinga dzinēju efektivitāti, padarot tos par pievilcīgu iespēju siltuma pārpalikuma reģenerācijai un enerģijas ietaupīšanai.
- Izmantošana automašīnās: lai gan Stirlinga dzinēju integrēšana hibrīdautomobiļu sistēmās vēl nav plaši izplatīta, varētu palīdzēt samazināt degvielas patēriņu un emisijas.
Interesanti fakti par Stirlinga dzinēju
- Pirmais patentētais dzinējs: Stirlinga dzinējs bija pirmais patentētais dzinējs, kas saņēma patentu 1816. gadā, pat pirms iekšdedzes dzinēja.
- Drošības jauninājumi: Stirlinga dzinējs sākotnēji tika izstrādāts kā drošāka alternatīva tvaika dzinējiem, kas ir pakļauti sprādzieniem augsta spiediena tvaika dēļ.
- Zviedrijas zemūdenes: Zviedrijas flote savās Gotlandes klases zemūdenēs Stirlinga dzinējus izmanto kopš 1996. gada, izmantojot dzinēju kluso darbību un efektivitāti.
- Philips Electronics: 1950. gados Philips Electronics izstrādāja virkni Stirling dzinēju izmantošanai radioaparātos un citās mazās ierīcēs, palīdzot popularizēt šo tehnoloģiju.
- Ilgāk strādājošais Stirlinga dzinējs: visilgāk strādājošais Stirlinga dzinējs atrodas Kenterberijas Universitātē Jaunzēlandē. Šis dzinējs, kas pazīstams kā Canterbury Ringbom, tiek izmantots kopš 1986. gada.
Bieži uzdotie jautājumi par Stirlinga dzinēju
J: Vai Stirlinga dzinēju var izmantot automašīnā?
Atbilde: Stirlinga dzinējs vēl nav plaši izplatīts lietošanai automobiļos, jo tam ir zemāka jaudas un svara attiecība un sarežģītība. Tomēr to var integrēt hibrīdautomobiļu sistēmās, lai uzlabotu degvielas efektivitāti un samazinātu emisijas.
Jautājums: kāda ir Stirlinga dzinēja efektivitāte salīdzinājumā ar iekšdedzes dzinēju?
Atbilde: Stirlinga dzinējs var sasniegt augstāku siltuma efektivitāti salīdzinājumā ar iekšdedzes dzinējiem, bieži sasniedzot 30–40% vai lielāku efektivitāti, savukārt iekšdedzes dzinēji parasti ir aptuveni 20–25%.
Jautājums: Kādi ir galvenie faktori, kas ietekmē Stirlinga dzinēja efektivitāti?
Atbilde: Stirlinga dzinēja efektivitāte ir atkarīga no vairākiem faktoriem, tostarp temperatūras starpības starp karsto un auksto kameru, reģeneratora konstrukcijas, darba gāzes un mehāniskiem zudumiem dzinējā.
J: Kā ieslēdzas Stirlinga dzinējs?
Atbilde: Stirlinga dzinējam ir nepieciešams ārējs siltuma avots, lai sāktu darbību. Kad darba gāze uzsilst un sāk izplesties, dzinējs iedarbināsies un turpinās darboties tik ilgi, kamēr tiek uzturēts siltuma avots.
J: Kāda darba gāze tiek izmantota Stirlinga dzinējā?
Atbilde: Stirlinga dzinēja darba gāze var atšķirties atkarībā no konkrētā dizaina un pielietojuma. Parasti izmantotās gāzes ir gaiss, ūdeņradis, hēlijs un slāpeklis.
Secinājums
Stirlinga dzinējs piedāvā unikālu degvielas daudzveidības, augstas efektivitātes un zemu emisiju kombināciju, padarot to iespējamu plašu pielietojumu klāstu. Tehnoloģijām attīstoties, pieaugs Stirlinga dzinēja potenciāls, kā arī tā izmantošana dažādās jomās.