Per començar, el cognom Stirling és força comú tant a Anglaterra com a Escòcia. És a dir, si hi ha el castell de Stirling, per què no "Mr. Stirling"? I una persona així: el sacerdot escocès Robert Stirling, el 27 de setembre de 1816, va rebre una patent britànica per a un motor que no tenia res a veure amb una màquina de vapor. A més, el motor que porta el seu nom va resultar ser únic, ja que podia funcionar a partir de qualsevol font de calor.
Robert Stirling.
El 1843, el seu fill James Stirling va utilitzar el motor del seu pare en una fàbrica on treballava com a enginyer. Doncs bé, ja el 1938, es van crear rodes amb una capacitat de fins a 200 CV. i una eficiència del 30 per cent.
El principi de funcionament d’aquest motor és alternar la calefacció i refrigeració del fluid de treball en un cilindre completament tancat. Normalment el medi de treball és l’aire, però es poden utilitzar hidrogen i heli, així com freons, diòxid de nitrogen, propà-butà liquat i fins i tot aigua. A més, roman líquid durant tot el cicle termodinàmic. És a dir, el disseny del motor és extremadament senzill i utilitza la coneguda propietat dels gasos: el seu volum augmenta a partir de l’escalfament i del refredament, disminueix.
Una de les moltes lliures esterlines casolanes.
El motor Stirling utilitza … el "cicle de Stirling", que, en termes d'eficiència termodinàmica, no només no és pitjor que el cicle de Carnot, sinó que fins i tot presenta alguns avantatges. En qualsevol cas, és el "cicle de Stirling" el que permet obtenir un motor de treball fabricat amb una llauna normal en només un parell d'hores.
Dispositiu beta Stirling.
El "cicle de Stirling" inclou quatre fases principals i dues de transicionals: escalfament, expansió, transició a una font freda, refrigeració, compressió i transició a una font de calor. Bé, obtenim un treball útil en el procés d’ampliar el volum de gas escalfat.
Fase 1.
Fase 2.
Fase 3.
Fase 4.
El cicle de treball del motor Stirling de tipus beta: a - pistó de desplaçament; b - pistó de treball; c - volant; d - foc (zona de calefacció); e - aletes de refrigeració (zona de refrigeració).
Funciona així: hi ha dos cilindres i dos pistons. Una font externa de calor –i fins i tot pot cremar llenya, fins i tot un cremador de gas, fins i tot la llum solar– augmenta la temperatura del gas a la part inferior del cilindre d’intercanvi de calor. Sorgeix pressió que empeny el pistó de treball cap amunt i el pistó de desplaçament no s’adapta bé a les parets del cilindre. A més, el volant, desplaçant-se, l’empeny cap avall.
Esquema de Stirling d’una llauna.
En aquest cas, l’aire calent del fons del cilindre entra a la cambra de refrigeració. A la cambra de treball, però, es refreda i es contrau i, a continuació, el pistó de treball es precipita cap avall. El pistó de desplaçament es mou cap amunt i, per tant, l’aire refredat es mou cap al fons. El cicle es repeteix així. Al Stirling, el moviment del pistó de treball es desplaça de 90 ° respecte al pistó de desplaçament.
Foto d’un gir d’un llauna.
Amb el pas del temps, van aparèixer molts dissenys diferents de "estilisme", que porten el nom de les lletres de l'alfabet grec: alfa, beta, gamma, que tenen diferències en el cicle de treball. Les diferències fonamentals entre elles són petites i es redueixen a la disposició dels cilindres i la mida dels pistons.
Motor Stirling amb alternador lineal.
Alpha Stirling té dos pistons de potència separats en cilindres diferents: calent i fred. El cilindre amb el pistó calent es troba a l'intercanviador de calor, que té una temperatura més alta, i el cilindre amb el pistó fred, respectivament, al de més fred. El regenerador (és a dir, l’intercanviador de calor) es troba entre la part calenta i la part freda.
Beta Stirling només té un cilindre, calent per un extrem i fred per l’altre. El pistó es mou dins del cilindre (del qual s’elimina la potència) i del desplaçador, cosa que canvia el volum de la seva zona calenta. El gas es bomba a l’extrem calent del cilindre des de l’extrem fred del cilindre a través d’un regenerador.
Gamma Stirling també té un pistó i un desplaçador, i dos cilindres: freds (on es mou el pistó de la qual s’elimina la potència) i calents (on es desplaça el desplaçador, respectivament). El regenerador és extern, en aquest cas connecta la part calenta del segon cilindre amb el fred i simultàniament amb el primer cilindre (fred). En aquest cas, el regenerador intern forma part del desplaçador.
Hi ha varietats del motor Stirling que no entren en aquests tres tipus clàssics: per exemple, el motor rotatiu Stirling, en què es resolen els problemes de fuites i no hi ha cap mecanisme de manovella, ja que és rotatiu.
Què té de bo els stirlings i per què són dolents? En primer lloc, són omnívors i poden utilitzar qualsevol diferència de temperatura, inclosa la que hi ha entre les diferents capes d’aigua de l’oceà. La combustió en ells és de naturalesa constant, cosa que garanteix una combustió eficient del combustible, cosa que significa que la seva compatibilitat amb el medi ambient és superior. A més, no té esgotament. Menor nivell de soroll: no hi ha "explosions" als cilindres. Menys vibracions, per exemple, amb un beta stirling. El fluid de treball no es consumeix per estil. El disseny del motor és extremadament senzill, no requereix mecanismes de distribució de gas. No cal un motor d’arrencada, igual que no es necessita una caixa de canvis.
La simplicitat i l'absència d'un nombre de nodes "delicats" proporcionen al "stirling" un rendiment sense precedents per a la resta de motors en desenes i centenars de milers d'hores de funcionament continu.
Submarí suec "Gotland".
Els Stirlings són molt econòmics. Per tant, la conversió de l’energia solar en electricitat per mitjà de stirling proporciona una eficiència superior (fins al 31, 25%) que els motors tèrmics que funcionen amb vapor. Per a això, el "estil" es fixa al focus del mirall parabòlic, que "segueix" el sol de manera que el seu cilindre s'escalfa constantment. Va ser en una instal·lació d’aquest tipus a Califòrnia que el resultat anterior es va obtenir el 2008 i ara hi ha una construcció d’una gran estació solar als voltants. Podeu fixar-les a la closca dels alts forns i després la fosa contínua de ferro colat ens donarà molta … energia barata, perquè ara aquesta calor es malgasta!
En general, només hi ha un inconvenient en l’estilisme. Es pot sobreescalfar i després fallarà immediatament. A més, per aconseguir una alta eficiència, el gas ha d’estar a una pressió molt alta al cilindre. Hidrogen o heli. I es tracta d’una precisió d’ajust excepcional de totes les seves unitats de treball i un greix especial per a alta temperatura. Bé, les dimensions … la cambra de combustió no és necessària. Stirling no pot viure sense ella! I aquest és un volum addicional i un sistema d’aïllament i refrigeració.
Soryu és un submarí japonès propulsat per motors Stirling.
No obstant això, és probable que el canvi de prioritats aplani el camí als motors Stirling. Si posem el respecte al medi ambient al capdavant, serà possible acomiadar-se d’una vegada del motor de combustió interna. A més, hi ha grans esperances per a la creació de prometedores centrals solars. Ja s’utilitzen com a generadors autònoms per a turistes. I algunes empreses han establert la producció de lliures esterlines, que funcionen a partir d’un cremador de forn de gas convencional. La NASA també estudia opcions per a generadors d’energia basats en Stirling alimentats per fonts de calor nuclears i radioisòtops. En particular, està previst utilitzar aquest estil, juntament amb un generador elèctric, en l'expedició espacial a Titan prevista per la NASA.
"Escampo": el disseny.
És interessant que si engegueu el motor Stirling en mode invers, és a dir, gireu el volant d’un altre motor, funcionarà com una màquina de refrigeració (cicle Stirling invers) i són aquestes les que resulten ser molt efectives per produir gasos liquats.
Bé, ara, ja que tenim un lloc militar, observem que Stirlings es va provar en submarins suecs als anys 60 del segle passat. I després, el 1988, els Stirlings es van convertir en el motor principal del submarí de la classe Nakken. Amb ells, va estar navegant sota l'aigua durant més de 10.000 hores. El "Nakken" va ser seguit pels submarins en sèrie del tipus "Gotland", que es van convertir en els primers submarins equipats amb motors Stirling, que els permet romandre sota l'aigua fins a 20 dies. Avui en dia, tots els submarins de la Marina sueca tenen motors giratoris i els constructors navals suecs han elaborat la tecnologia original d’instal·lar aquests motors en submarins convencionals, tallant-hi un compartiment addicional amb un nou sistema de propulsió. Funcionen amb oxigen líquid, que després s’utilitza a la barca per respirar, i s’observa que tenen uns nivells de soroll molt baixos. Doncs bé, les mancances esmentades (problema de mida i refrigeració) en un vaixell de guerra submarí no són significatives. L’exemple dels suecs semblava als japonesos digne d’atenció, i ara els Stirlings també es troben als submarins japonesos de la classe "Soryu". Són aquests motors els que es consideren avui com els motors monomodes més prometedors per a submarins de 5a generació.
I així és com es veu l’estil d’un estudiant de la Universitat Estatal de Penza, Nikolai Shevelev.
Bé, ara bastant de quin tipus de … "mala joventut" tenim. L’1 de setembre, arribo als estudiants: futurs enginyers de motors, els faig preguntes tradicionals, què llegeixen (pràcticament res!), Què els agrada (amb això, la situació no és molt millor, però sobretot les cames estan ocupades, no el cap!), quines revistes tècniques es coneixen: "Jove tècnic", "Dissenyador de models", "Ciència i tecnologia", "Mecànica popular" … (cap!), i llavors un estudiant em diu que és aficionat als motors. Un de cada 20, però això ja és una cosa. I després em diu que va fabricar ell mateix el motor Stirling. Sé fabricar un motor d’aquest tipus d’una llauna normal, però després va resultar que va fer alguna cosa molt més eficaç. Jo dic: "Porta-ho!" - i va portar. "Descriviu com ho heu fet!" - i va descriure, i em va agradar tant el seu "assaig" que el presento aquí sense canvis ni abreviatures.
El començament del treball és el "caos creatiu".
“Sempre m'ha agradat la tecnologia, però sobretot els motors. Em dedico al manteniment, reparació i personalització amb molt d’interès. Havent après sobre el motor Stirling, em va fascinar com cap altre motor. El món de l’estil és tan divers i ampli que és simplement impossible descriure totes les opcions possibles per a la seva execució. Cap altre motor donarà tanta varietat pel que fa al disseny i, sobretot, a la capacitat de fer-ho vosaltres mateixos.
Vaig tenir idees per fer un model de motor a partir d’una llauna de conserva i altres mitjans improvisats, però no estava dins de les meves regles fer-ho “de cap manera i del que va obtenir”. Per tant, vaig decidir prendre’m aquesta tasca seriosament, per començar preparant-me teòricament. Vaig estudiar la literatura a Internet, però la cerca no va aportar el resultat desitjat: revisar articles i vídeos, la manca de dibuixos per als models d’aquest motor. Els models acabats es van vendre a un preu massa alt. A més, un gran desig de fer-ho tot vosaltres mateixos, entendre el principi de funcionament, depurar i dur a terme proves, obtenir un treball útil d’aquest motor i fins i tot intentar trobar el seu ús en l’economia.
"Tornant negoci!" (Un estudiant intel·ligent, va filmar tot el procés de treball com a record. Proves fotogràfiques presents, ciutadanes, documentals … i aquí estan!)
Vaig preguntar als fòrums i em van compartir la literatura. Era el llibre "Stirling Engines" (Autors: G. Ryder i C. Hooper). Va reflectir tota la història d’aquest tipus de construcció de motors, per què es va aturar el ràpid desenvolupament i on encara s’utilitzen aquests motors. Del llibre, vaig aprendre amb més detall tots els processos que es produïen al motor i vaig trobar les respostes a les preguntes d’interès. Va ser interessant de llegir, però volia practicar. Per descomptat, no hi havia dibuixos de models de garatge, ni a Internet, bé, és clar, excepte un model de llauna i goma espuma.
Per a la meva gran felicitat, la persona que va vendre els models d’estilisme va publicar un curs sobre la fabricació d’aquests models, en aquell moment el va pagar per 20 dòlars, li vaig escriure i vaig pagar el curs. Després de veure tots els vídeos, en els quals explicava un determinat tipus d’estil, vaig decidir fer exactament l’estil a alta temperatura del tipus gamma. Des que em va interessar pel seu disseny, característiques i aspecte. A partir del curs de vídeo, vaig aprendre la relació aproximada del diàmetre del cilindre, els diàmetres del pistó, quins jocs, rugositat haurien de ser, quins materials s’haurien d’utilitzar en la fabricació, alguns dels matisos de la construcció. Però enlloc no hi havia disponibles les mides dels motors de l'autor, només aproximadament la proporció de les mides dels nodes.
Jo mateix visc en un poble, es pot dir als barris perifèrics, la meva mare és comptable i el meu pare és fuster, de manera que era d’alguna manera inadequat recórrer a ells per obtenir consells sobre la construcció d’un motor. I em vaig adreçar al meu veí, Gennady Valentinovich, per demanar ajuda, que treballava a la planta KZTM, que ara estava col·lapsada, a Kuznetsk.
En general, l’endemà, Gennady Valentinovich em va portar un blanc d’alumini d’uns 1 m de llarg i uns 50 mm de diàmetre. Vaig estar molt content, vaig tallar els espais en blanc que necessitava i l’endemà vaig anar a l’escola per intentar afinar l’escalfador i la nevera del motor de combustió interna. Vaig afilar un torn d’entrenament (en què treballava l’avi Lenin).
Per descomptat, no hi havia precisió, la part exterior de l’escalfador va resultar ser bastant bona, però la part cilíndrica que hi havia sota el pistó era sobre un con. Trudovik em va explicar que el tallador avorrit es dobla, ja que la màquina per a aquestes coses és bastant petita i feble. Va sorgir la pregunta sobre què fer després … Va ser una sort que la meva mare treballés en aquell moment com a comptable en una empresa privada, que era una antiga planta de reparació de vehicles. Valery Aleksandrovich (el director d'aquesta planta) va resultar ser una persona meravellosa i em va ajudar molt, ja em van proporcionar una màquina soviètica professional i un torner que em va ajudar. Les coses van ser més divertides i, literalment, una setmana després, gairebé tot estava a punt, va començar el muntatge del motor. Hi va haver moments interessants a la construcció, per exemple: l’eix, sobre el qual es premia el volant, es va lliurar al taller de mecànica de precisió d’una altra planta (per tal d’obtenir la precisió necessària per als coixinets); es va afinar la nevera sobre un torn i es van fer els llocs de subjecció amb una fresadora, el molinet es va moldre. Va ser molt interessant i emocionant per a mi. Els treballadors de la fàbrica pensaven que era estudiant i escrivia algun tipus de treball científic. Vaig seure a la fàbrica fins ben entrada la nit i em van portar a casa al cotxe oficial de Valery Alexandrovich. El motor es va engegar en un gran cercle de treballadors de la fàbrica, tothom estava molt interessat. El llançament va tenir èxit, però el motor funcionava malament.
El resultat corona el tracte! La cantonada de l'estand es va cremar durant les proves.
Es van revelar deficiències, es van substituir les frontisses de plàstic per fluoroplàstiques, el volant es va alleugerir i va equilibrar, el pistó va rebre un accessori fluoroplàstic per a una menor transferència de calor i la nevera es va convertir en una zona de refrigeració més gran. Després de posar a punt el motor, el motor ha millorat significativament el seu rendiment tècnic.
Jo mateix estava encantat. Quan vénen amics a casa, el primer que fan és acostar-se a ell i demanar-li que comenci. Gennady Valentinovich va conduir per mostrar l'estil del seu treball, tothom estava molt interessat, ni tan sols necessitaven trucar a algú, tothom es va apropar, va mirar i es va interessar.
El nom del jove és Nikolai Shevelev i és el cap del grup. El vaig portar al degà i vam parlar molt bé entre nosaltres. I després vaig recordar les estadístiques que només el 2% de la població mundial és suficient per fer avançar la humanitat pel camí del progrés científic i tecnològic. Vaig comptar el nombre total d’estudiants i em vaig adonar que … no cal preocupar-se massa. Amb gent com Nikolai, el progrés encara estarà garantit per a nosaltres!
