Sådan fungerer motorer

  • Vlad Krasen
  • 0
  • 2262
  • 390
Foto høflighed American Stirling Company Denne motor kan kun køre ved hjælp af varmen fra din hånd. Se billeder af motorer.

Stirling-motoren er en varmemotor, der adskiller sig meget fra forbrændingsmotoren i din bil. Stirling-motoren blev opfundet af Robert Stirling i 1816 og har potentialet til at være meget mere effektiv end en benzin- eller dieselmotor. Men i dag bruges Stirling-motorer kun i nogle meget specialiserede applikationer, som i ubåde eller hjælpekraftgeneratorer til lystbåde, hvor stille drift er vigtig. Selv om der ikke har været en succesrig massemarkedsapplikation for Stirling-motoren, arbejder nogle meget kraftige opfindere med den.

En Stirling-motor bruger Omrørscyklus,- hvilket er i modsætning til de cyklusser, der bruges i forbrændingsmotorer.

  • De gasser, der bruges i en Stirling-motor, forlader aldrig motoren. Der er ingen udstødningsventiler, der lufter højtryksgasser som i en benzin- eller dieselmotor, og der er ingen eksplosioner. På grund af dette er Stirling-motorer meget stille.
  • Stirling-cyklussen bruger en ekstern varmekilde, der kan være alt fra benzin til solenergi til den varme, der produceres af forfaldende planter. Der forekommer ingen forbrænding inde i motorens cylindre.

Der er hundreder af måder at sammensætte en Stirling-motor på. I denne artikel lærer vi om Stirling-cyklus og se, hvordan to forskellige konfigurationer af denne motor fungerer.

Indhold
  1. Stirling-cyklen
  2. Omskifter-type Stirling Engine
  3. To-stempel Stirling Engine
  4. Hvorfor er ikke omrøringsmotorer mere almindelige?

Det vigtigste princip for en Stirling-motor er det en fast mængde gas forsegles inde i motoren. Stirling-cyklussen involverer en række hændelser, der ændrer trykket på gassen inde i motoren og får den til at udføre arbejde.

Der er flere egenskaber ved gasser, der er kritiske for driften af ​​Stirling-motorer:

  • Hvis du har en fast mængde gas i et fast rumvolumen, og du hæver temperaturen på den gas, vil trykket stige.
  • Hvis du har en fast mængde gas, og du komprimerer den (mindsker dens rumvolumen), vil temperaturen på denne gas stige.

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

Lad os gå igennem hver del af Stirling-cyklussen, mens vi ser på en forenklet Stirling-motor. Vores forenklede motor bruger to cylindre. Den ene cylinder opvarmes af en ekstern varmekilde (såsom ild), og den anden afkøles af en ekstern kølekilde (såsom is). Gaskamrene i de to cylindere er forbundet, og stemplerne er mekanisk forbundet til hinanden ved hjælp af en kobling, der bestemmer, hvordan de vil bevæge sig i forhold til hinanden.

Der er fire dele til Stirling-cyklussen. De to stempler i animationen ovenfor udfører alle dele af cyklussen:

  1. Varme tilsættes gassen inde i den opvarmede cylinder (til venstre), hvilket får trykket til at bygge. Dette tvinger stemplet til at bevæge sig ned. Dette er den del af Stirling-cyklussen, der gør arbejdet.
  2. Det venstre stempel bevæger sig op, mens det højre stempel bevæger sig nedad. Dette skubber den varme gas ind i den afkølede cylinder, der hurtigt afkøler gassen til temperaturen på afkølingskilden og sænker dens tryk. Dette gør det lettere at komprimere gassen i den næste del af cyklussen.
  3. Stemplet i den afkølede cylinder (til højre) begynder at komprimere gassen. Varme, der genereres ved denne komprimering, fjernes af kølekilden.
  4. Det højre stempel bevæger sig op, mens det venstre stempel bevæger sig nedad. Dette tvinger gassen ind i den opvarmede cylinder, hvor den hurtigt opvarmes og bygger trykket, hvorefter cyklussen gentages.

Stirling-motoren tager kun strøm i løbet af den første del af cyklussen. Der er to hovedmåder til at øge effekt fra en Stirling-cyklus:

  • Forøg effekt fra trin 1 - I del en af ​​cyklussen udfører trykket af den opvarmede gas, der skubber mod stemplet, arbejde. Forøgelse af trykket i denne del af cyklussen øger motorens effekt. En måde at øge trykket på er ved at øge temperaturen på gassen. Når vi ser på en to-stempel Stirling-motor senere i denne artikel, vil vi se, hvordan en enhed kaldes en regenerator kan forbedre motorens effekt ved midlertidigt at opbevare varme.
  • Reducer strømforbruget i trin tre - I del tre af cyklussen udfører stemplerne arbejde på gassen ved hjælp af noget af den kraft, der er produceret i del 1. Sænkning af trykket under denne del af cyklussen kan reducere den effekt, der bruges i dette trin i cyklus (effektivt øge motorens effekt). En måde at sænke trykket på er at afkøle gassen til en lavere temperatur.

Dette afsnit beskrev den ideelle Stirling-cyklus. Faktiske arbejdsmotorer varierer cyklussen lidt på grund af de fysiske begrænsninger i deres design. I de næste to sektioner kigger vi på et par forskellige slags Stirling-motorer. Fortrængningsmotoren er nok den nemmeste at forstå, så vi starter der.

Specielt tak

Særlig tak til Brent Van Arsdell fra American Stirling Company for hans hjælp med denne artikel.

I stedet for at have to stempler har en motor af fortrængningstypen et stempel og en forskydningsmaskine. Det displacer tjener til at kontrollere, hvornår gaskammeret opvarmes og hvornår det afkøles. Denne type Stirling-motor bruges undertiden i demonstrationer i klasseværelset. Du kan endda købe et sæt til selv at bygge et!

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

For at køre kræver motoren ovenfor a temperaturforskel mellem toppen og bunden af ​​den store cylinder. I dette tilfælde er forskellen mellem temperaturen på din hånd og luften omkring den nok til at køre motoren.

På figuren på denne side kan du se to stempler:

  1. Det magtstempel - Dette er det mindre stempel øverst på motoren. Det er et tæt forseglet stempel, der bevæger sig op, når gassen inde i motoren ekspanderer.
  2. Det displacer - Dette er det store stempel på tegningen. Dette stempel er meget løs i sin cylinder, så luft let kan bevæge sig mellem de opvarmede og afkølede dele af motoren, når stemplet bevæger sig op og ned.

Displaceren bevæger sig op og ned for at kontrollere, om gassen i motoren opvarmes eller afkøles. Der er to positioner:

  • Når forskyderen er nær toppen af ​​den store cylinder, opvarmes det meste af gas inde i motoren af ​​varmekilden, og den udvides. Trykket opbygges inde i motoren, der presser stempelet op.
  • Når forskyderen er tæt på bunden af ​​den store cylinder, køler det meste af gassen inde i motoren sammen. Dette får trykket til at falde, hvilket gør det lettere for kraftstemplet at bevæge sig ned og komprimere gassen.

Motoren opvarmer og afkøler gentagne gange gassen og trækker energi ud af gasens ekspansion og sammentrækning.

Dernæst kigger vi på en Stirling-motor med to stempel.

Dette indhold er ikke kompatibelt på denne enhed.

I denne motor opvarmes den opvarmede cylinder af en udvendig flamme. Den afkølede cylinder er luftkølet og har finner på den for at hjælpe i køleprocessen. En stang, der stammer fra hvert stempel, er forbundet til en lille skive, der igen er forbundet til et større svinghjul. Dette holder stemplerne i bevægelse, når der ikke genereres strøm fra motoren.

Flammen varmer konstant bundcylinderen.

  1. I den første del af cyklussen opbygges trykket, der tvinger stemplet til at bevæge sig til venstre og udføre arbejde. Det afkølede stempel forbliver omtrent stationært, fordi det er på det punkt i sin omdrejning, hvor det skifter retning.
  2. I næste trin bevæger begge stempler sig. Det opvarmede stempel bevæger sig mod højre, og det afkølede stempel bevæger sig op. Dette flytter det meste af gassen gennem regenerator og ind i det afkølede stempel. Regeneratoren er en enhed, der midlertidigt kan lagre varme - det kan være et trådnet, som de opvarmede gasser passerer gennem. Det store overfladeareal på trådnet absorberer hurtigt det meste af varmen. Dette efterlader mindre varme, der fjernes med kølefinnerne.
  3. Derefter begynder stemplet i den afkølede cylinder at komprimere gassen. Varme, der genereres ved denne komprimering, fjernes med kølefinnerne.
  4. I den sidste fase af cyklussen bevæger begge stempler sig - det afkølede stempel bevæger sig ned, mens det opvarmede stempel bevæger sig til venstre. Dette tvinger gassen hen over regeneratoren (hvor den opsamler varmen, der blev opbevaret der under den foregående cyklus) og ind i den opvarmede cylinder. På dette tidspunkt begynder cyklussen igen.

Du spekulerer måske på, hvorfor der endnu ikke er nogen massemarkedsanvendelser af Stirling-motorer. I det næste afsnit kigger vi på nogle af grundene til dette.

Der er et par nøgleegenskaber, der gør Stirling-motorer upraktiske til brug i mange applikationer, herunder i de fleste biler og lastbiler.

Fordi varmekilden er ekstern, det tager lidt tid for motoren at reagere på ændringer i mængden af ​​varme, der påføres cylinderen - det tager tid, før varmen ledes gennem cylindervæggene og ind i gassen inde i motoren. Det betyder at:

  • Motoren kræver noget tid at varme op, før den kan producere nyttig effekt.
  • Motoren kan ikke ændre sin effekt hurtigt.

Disse mangler garanterer kun, at den ikke erstatter forbrændingsmotoren i biler. Imidlertid kan en Stirling-motordrevet hybridbil være mulig.

For mere information om Stirling-motorer og relaterede emner, se linkene på næste side.

Relaterede artikler

  • Sådan fungerer bilmotorer
  • Sådan fungerer hybridbiler
  • Sådan fungerer gasturbinemaskiner
  • Sådan fungerer to-taktsmotorer
  • Sådan fungerer dieselmotorer
  • Sådan fungerer to-taktsmotorer med diesel
  • Sådan fungerer roterende motorer
  • Sådan fungerer gear
  • Sådan fungerer Aptera Hybrid 
  • Hvad er en tankmotor, som i "Thomas tankmotoren"?

Flere gode links

  • American Stirling Company
  • Stirling Engine Society USA
  • Tin kan omrører motorplaner
  • Stirling Engine Startside
  • AirSport: Stirling Engine: Fremtidens flyplantage
  • Idaho Stirling Engine



Endnu ingen kommentarer

De mest interessante artikler om hemmeligheder og opdagelser. Masser af nyttige oplysninger om alt
Artikler om videnskab, rum, teknologi, sundhed, miljø, kultur og historie. Forklare tusinder af emner, så du ved, hvordan alt fungerer