Para empezar, el apellido Stirling es bastante común tanto en Inglaterra como en Escocia. Es decir, si hay Stirling Castle, ¿por qué no "Mr. Stirling"? Y tal persona: el sacerdote escocés Robert Stirling, el 27 de septiembre de 1816, recibió una patente británica para una máquina que no tenía nada que ver con una máquina de vapor. Además, el motor que lleva su nombre resultó ser único, ¡ya que podía funcionar con cualquier fuente de calor!
Robert Stirling.
En 1843, su hijo James Stirling usó el motor de su padre en una fábrica donde trabajaba como ingeniero. Bueno, ya en 1938, se crearon stiirlings con una capacidad de hasta 200 hp. y una eficiencia del 30 por ciento.
El principio de funcionamiento de este motor es alternar el calentamiento y enfriamiento del fluido de trabajo en un cilindro completamente cerrado. Por lo general, el medio de trabajo es el aire, pero se pueden utilizar hidrógeno y helio, así como freones, dióxido de nitrógeno, propano-butano licuado e incluso agua. Además, permanece líquido durante todo el ciclo termodinámico. Es decir, el diseño del motor es extremadamente simple y utiliza la conocida propiedad de los gases: su volumen aumenta con el calentamiento y con el enfriamiento, disminuye.
Una de las muchas libras esterlinas caseras.
El motor Stirling utiliza … el "ciclo Stirling", que, en términos de eficiencia termodinámica, no solo no es peor que el ciclo de Carnot, sino que incluso tiene algunas ventajas. En cualquier caso, es el "ciclo Stirling" el que le permite hacer funcionar un motor a partir de una lata ordinaria en solo un par de horas.
Dispositivo Beta Stirling.
El "ciclo de Stirling" en sí mismo incluye cuatro fases principales y dos de transición: calentamiento, expansión, transición a una fuente fría, enfriamiento, compresión y transición a una fuente de calor. Bueno, obtenemos un trabajo útil en el proceso de expandir el volumen de gas calentado.
Fase 1.
Fase 2.
Fase 3.
Fase 4.
El ciclo de trabajo del motor Stirling de tipo beta: a - pistón de desplazamiento; b - pistón de trabajo; c - volante de inercia; d - fuego (área de calentamiento); e - aletas de enfriamiento (área de enfriamiento).
Funciona así: hay dos cilindros y dos pistones. Una fuente externa de calor, y pueden incluso quemar madera, incluso un quemador de gas, incluso la luz del sol, aumenta la temperatura del gas en la parte inferior del cilindro de intercambio de calor. Surge presión y empuja el pistón de trabajo hacia arriba, y el pistón de desplazamiento no encaja firmemente contra las paredes del cilindro. Además, el volante, desplazándose, lo empuja hacia abajo.
Esquema de Stirling de una lata.
En este caso, el aire caliente de la parte inferior del cilindro ingresa a la cámara de enfriamiento. En la cámara de trabajo, sin embargo, se enfría y se contrae, y luego el pistón de trabajo se precipita hacia abajo. El pistón de desplazamiento se mueve hacia arriba y, por lo tanto, el aire enfriado se mueve hacia la parte inferior. El ciclo se repite así. En Stirling, el movimiento del pistón de trabajo se desplaza 90 ° con respecto al pistón de desplazamiento.
Foto de un stirling de una lata.
Con el tiempo, aparecieron muchos diseños diferentes de "estilo", llamados así por las letras del alfabeto griego: alfa, beta, gamma, que tienen diferencias en el ciclo de trabajo. Las diferencias fundamentales entre ellos son pequeñas y se reducen a la disposición de los cilindros y al tamaño de los pistones.
Motor Stirling con alternador lineal.
Alpha Stirling tiene dos pistones de potencia separados en diferentes cilindros: caliente y frío. El cilindro con el pistón caliente se ubica en el intercambiador de calor, que tiene una temperatura más alta, y el cilindro con el pistón frío, respectivamente, en el más frío. El regenerador (es decir, el intercambiador de calor) se encuentra entre la parte caliente y la parte fría.
Beta Stirling tiene un solo cilindro, caliente en un extremo y frío en el otro. El pistón se mueve dentro del cilindro (del cual se quita la energía) y el desplazador, que cambia el volumen de su zona caliente. El gas se bombea al extremo caliente del cilindro desde el extremo frío del cilindro a través de un regenerador.
Gamma Stirling también tiene un pistón y un desplazador, y dos cilindros: frío (donde se mueve el pistón del que se quita la energía) y caliente (donde se mueve el desplazador, respectivamente). El regenerador es externo, en este caso conecta la parte caliente del segundo cilindro con la fría y simultáneamente con el primer cilindro (frío). El regenerador interno en este caso es parte del desplazador.
Hay variedades del motor Stirling que no entran dentro de estos tres tipos clásicos: por ejemplo, el motor Stirling rotativo, en el que se solucionan los problemas de fugas y no hay mecanismo de manivela, ya que es rotativo.
¿Qué tienen de bueno los Stirlings y por qué son malos? En primer lugar, son omnívoros y pueden utilizar cualquier diferencia de temperatura, incluida la que existe entre las diferentes capas de agua del océano. La combustión en ellos es de naturaleza constante, lo que asegura una combustión eficiente del combustible, lo que significa que su respeto al medio ambiente es mayor. Además, no tiene escape. Menor nivel de ruido, sin "explosiones" en los cilindros. Menos vibraciones, por ejemplo, con un beta stirling. El fluido de trabajo no se consume con el peinado. El diseño del motor es extremadamente simple, no requiere mecanismos de distribución de gas. No se necesita un motor de arranque, al igual que no se necesita una caja de cambios.
La simplicidad y la ausencia de una serie de nodos "delicados" proporcionan al "stirling" un rendimiento sin precedentes para todos los demás motores en decenas y cientos de miles de horas de funcionamiento continuo.
Submarino sueco "Gotland".
Los Stirlings son muy económicos. Así, la conversión de energía solar en electricidad mediante stirling proporciona una eficiencia superior (hasta 31, 25%) que las máquinas térmicas que funcionan con vapor. Para ello, el "estilismo" se sitúa en el foco del espejo parabólico, que "sigue" al sol de modo que su cilindro se calienta constantemente. Fue en una instalación de este tipo en California donde se obtuvo el resultado anterior en 2008, y ahora se está construyendo una gran estación solar en Stirlings. Puedes fijarlos a la carcasa de altos hornos y luego la continua fundición de arrabio nos dará mucha … energía barata, ¡porque ahora este calor se desperdicia!
En general, solo hay un inconveniente en el estilo. Puede sobrecalentarse y luego fallará inmediatamente. Además, para lograr una alta eficiencia, el gas debe estar a una presión muy alta en el cilindro. Hidrógeno o helio. Y esta es una excepcional precisión de ajuste de todas sus unidades de trabajo y una grasa especial para altas temperaturas. Bueno, las dimensiones … la cámara de combustión no es necesaria. ¡Stirling no puede vivir sin ella! ¡Y este es un volumen extra y un sistema de aislamiento y refrigeración!
Soryu es un submarino japonés propulsado por motores Stirling.
Sin embargo, es probable que el cambio de prioridades allane el camino para los motores Stirling. Si ponemos el respeto al medio ambiente a la vanguardia, entonces será posible despedirnos del motor de combustión interna de una vez por todas. Además, tienen puestas grandes esperanzas en la creación de prometedoras plantas de energía solar. Ya se están utilizando como generadores autónomos para turistas. Y algunas empresas han establecido la producción de libras esterlinas, que funcionan con un quemador de horno de gas convencional. La NASA también está considerando opciones para los generadores de energía basados en Stirling que funcionan con fuentes de calor nucleares y radioisotópicas. En particular, está previsto utilizar dicho estilo, junto con un generador eléctrico, en la expedición espacial a Titán planificada por la NASA.
"Tirar basura" - el diseño.
Es interesante que si arranca el motor Stirling en modo inverso, es decir, gira el volante de otro motor, entonces funcionará como máquina de refrigeración (ciclo Stirling inverso), y son estas máquinas las que resultaron ser muy efectivas para producir gases licuados.
Bueno, ahora, dado que tenemos un sitio militar, notamos que los Stirlings se probaron en submarinos suecos en los años 60 del siglo pasado. Y luego, en 1988, los Stirlings se convirtieron en el motor principal del submarino clase Nakken. Con ellos, navegó bajo el agua durante más de 10.000 horas. Al "Nakken" le siguieron los submarinos en serie del tipo "Gotland", que se convirtieron en los primeros submarinos equipados con motores Stirling, lo que les permite permanecer bajo el agua hasta 20 días. Hoy en día, todos los submarinos de la Armada sueca tienen motores Stirling, y los constructores navales suecos han desarrollado la tecnología original de instalar dichos motores en submarinos convencionales, cortando en ellos un compartimento adicional con un nuevo sistema de propulsión. Funcionan con oxígeno líquido, que luego se usa en el bote para respirar, y se observa que tienen niveles de ruido muy bajos. Bueno, las deficiencias mencionadas anteriormente (tamaño y problema de enfriamiento) en un buque de guerra submarino no son significativas. El ejemplo de los suecos pareció a los japoneses digno de atención, y ahora los Stirling también están en los submarinos japoneses de la clase "Soryu". Son estos motores los que se consideran hoy en día como los motores individuales todo modo más prometedores para los submarinos de quinta generación.
Y así es como se ve el estilo de un estudiante de la Universidad Estatal de Penza Nikolai Shevelev.
Bueno, ahora un poco sobre qué tipo de … "mala juventud" tenemos. El 1 de septiembre, vengo a los estudiantes: futuros ingenieros de motores, les hago preguntas tradicionales, lo que leen (¡prácticamente nada!), Lo que les gusta (con esto la situación no es mucho mejor, pero sobre todo las piernas están ocupadas, ¡no la cabeza!), ¿Qué revistas técnicas se conocen? "Joven técnico", "Diseñador de modelos", "Ciencia y tecnología", "Mecánica popular" … (¡ninguna!), y luego un estudiante me dice que es aficionado a los motores. Uno de cada 20, ¡pero eso ya es algo! Y luego me dice que él mismo hizo el motor Stirling. Sé cómo hacer un motor así con una lata ordinaria, pero luego resultó que hizo algo mucho más efectivo. Yo digo: "¡Tráelo!" - y trajo. "¡Describe cómo lo hiciste!" - y describió, y me gustó tanto su "ensayo" que lo presento aquí sin cambios ni abreviaturas.
El comienzo del trabajo es el “caos creativo”.
“Siempre me ha gustado la tecnología, pero especialmente los motores. Me dedico al mantenimiento, reparación y personalización con gran interés. Habiendo aprendido sobre el motor Stirling, me fascinó como ningún otro motor. El mundo del estilismo es tan diverso y amplio que es simplemente imposible describir todas las opciones posibles para su ejecución. Ningún otro motor ofrecerá tanta variedad en términos de diseño y, lo que es más importante, la capacidad de hacerlo usted mismo.
Tenía ideas para hacer un modelo de un motor a partir de una lata y otros medios improvisados, pero no estaba en mis reglas hacer "de todos modos y de lo que obtuve". Por eso, decidí tomarme esta tarea en serio, para comenzar con la preparación teórica. Estudié la literatura en Internet, pero la búsqueda no dio el resultado deseado: artículos de revisión y videos, la falta de dibujos para los modelos de este motor. Los modelos terminados se vendieron a un precio demasiado alto. Además, un gran deseo de hacer todo usted mismo, comprender el principio de funcionamiento, depurar y realizar pruebas, obtener un trabajo útil de este motor e incluso intentar encontrar su uso en la economía.
"¡Cambiando el negocio!" (Un alumno inteligente, filmó todo el proceso de trabajo como recuerdo. Presente, ciudadano, evidencia fotográfica documental … ¡y aquí están!)
Pregunté en los foros y compartieron la literatura conmigo. Era el libro "Stirling Engines" (Autores: G. Ryder y C. Hooper). Reflejaba toda la historia de este tipo de construcción de motores, por qué se detuvo el rápido desarrollo y dónde todavía se utilizan estos motores. Del libro, aprendí con más detalle todos los procesos que ocurren en el motor, encontré las respuestas a las preguntas de interés. Fue interesante leer, pero quería practicar. Por supuesto, no había dibujos de modelos de garaje, así como en Internet, bueno, por supuesto, a excepción de un modelo de una lata y goma espuma.
Para mi gran felicidad, la persona que vendió los modelos de estilismo publicó un curso sobre cómo hacer tales modelos, lo puso en ese momento por $ 20, le escribí y pagué el curso. Después de ver todos los videos, en cada uno de los cuales explicaba un cierto tipo de estilo, decidí hacer exactamente el estilo de alta temperatura del tipo gamma. Ya que me interesó por su diseño, características y apariencia. Del curso de video, aprendí la relación aproximada del diámetro del cilindro, los diámetros del pistón, qué holguras, rugosidad deben ser, qué materiales usar en la fabricación, algunos de los matices de la construcción. Pero en ninguna parte estaban disponibles los tamaños de los motores del autor, solo aproximadamente la proporción de los tamaños de los nodos.
Yo mismo vivo en un pueblo, se podría decir en los suburbios, mi madre es contadora y mi padre es carpintero, por lo que de alguna manera fue inapropiado acudir a ellos en busca de consejos sobre cómo construir un motor. Y me dirigí a mi vecino, Gennady Valentinovich, en busca de ayuda, él trabajaba en la planta KZTM ahora colapsada en Kuznetsk.
En general, al día siguiente Gennady Valentinovich me trajo una pieza de aluminio de aproximadamente 1 m de largo y unos 50 mm de diámetro. Estaba muy feliz, corté los espacios en blanco que necesitaba y al día siguiente fui a la escuela para tratar de afilar el calentador y el refrigerador de mi motor de combustión interna. Afilé en un torno de entrenamiento (en el que trabajaba el abuelo Lenin).
Por supuesto, no había precisión allí, la parte exterior del calentador resultó ser bastante buena, pero la parte cilíndrica debajo del pistón estaba en un cono. Trudovik me explicó que el cortador aburrido se dobla, ya que la máquina para tales cosas es bastante pequeña y débil. Surgió la pregunta de qué hacer a continuación … Fue una suerte que mi madre en ese momento trabajara como contadora en una empresa privada, que era una antigua planta de reparación de automóviles. Valery Aleksandrovich (el director de esta planta) resultó ser una persona maravillosa y me ayudó mucho, ya contaba con una máquina soviética profesional y un tornero que me ayudó. Las cosas fueron más divertidas, y literalmente una semana después, casi todo estaba listo, comenzó el montaje del motor. Hubo momentos interesantes en la construcción, por ejemplo: el eje, sobre el que se presionó el volante, se entregó al taller de mecánica de precisión en otra planta (para obtener la precisión necesaria para los cojinetes); el refrigerador se afiló en un torno, y los lugares para los sujetadores se hicieron con una fresadora, el volante se molió en una amoladora. Fue muy interesante y emocionante para mí. Los trabajadores de la fábrica pensaron que era un estudiante y estoy escribiendo algún tipo de trabajo científico. Me senté en la fábrica hasta altas horas de la noche y me llevaron a casa en el coche oficial de Valery Alexandrovich. El motor se puso en marcha en un gran círculo de trabajadores de la fábrica, todos estaban muy interesados. El lanzamiento fue exitoso, pero el motor funcionaba mal.
¡El resultado corona el trato! La esquina del stand se quemó durante la prueba.
Se revelaron deficiencias, las bisagras de plástico se reemplazaron por fluoroplásticas, el volante se aligeró y equilibró, el pistón recibió un accesorio de fluoroplástico para una menor transferencia de calor y el refrigerador se convirtió en un área de enfriamiento más grande. Después de un ajuste fino, el motor ha mejorado significativamente su rendimiento técnico.
Yo mismo estaba encantado. Cuando los amigos vienen a mi casa, lo primero que hacen es acercarse a él y pedirle que empiece. Gennady Valentinovich condujo para mostrar el estilo de su trabajo, todos estaban muy interesados, ni siquiera necesitaban llamar a alguien, todos se acercaron, miraron y se interesaron.
El nombre del joven es Nikolai Shevelev, y es el jefe del grupo. Lo llevé al decano y los tres tuvimos una muy buena charla. Y luego recordé las estadísticas de que solo el 2% de la población mundial es suficiente para hacer avanzar a la humanidad por el camino del progreso científico y tecnológico. Conté el número total de estudiantes y me di cuenta de que … no hay necesidad de preocuparse demasiado. ¡Con personas como Nikolai, el progreso aún estará garantizado para nosotros!
