بادئ ذي بدء ، فإن لقب ستيرلنغ شائع جدًا في كل من إنجلترا واسكتلندا. أي ، إذا كانت هناك قلعة ستيرلنغ ، فلماذا إذن لا "السيد ستيرلنغ"؟ وفقط مثل هذا الشخص - تلقى القس الاسكتلندي روبرت ستيرلنغ ، في 27 سبتمبر 1816 ، براءة اختراع بريطانية لمحرك لا علاقة له بالمحرك البخاري! علاوة على ذلك ، تبين أن المحرك الذي سمي باسمه فريد من نوعه ، حيث يمكن أن يعمل من أي مصدر حراري!
روبرت ستيرلنغ.
في عام 1843 ، استخدم ابنه جيمس ستيرلنغ محرك والده في مصنع عمل فيه كمهندس. حسنًا ، بالفعل في عام 1938 ، تم إنشاء ستيرلنج بسعة تصل إلى 200 حصان. وكفاءة 30 بالمائة.
مبدأ تشغيل هذا المحرك هو التبديل بين التسخين والتبريد لسائل العمل في أسطوانة مغلقة تمامًا. عادة ما يكون وسط العمل هو الهواء ، ولكن يمكن استخدام الهيدروجين والهيليوم وكذلك الفريونات وثاني أكسيد النيتروجين والبروبان والبيوتان المسال وحتى الماء. علاوة على ذلك ، فإنه يظل سائلاً طوال الدورة الديناميكية الحرارية. وهذا يعني أن تصميم المحرك بسيط للغاية ويستخدم الخاصية المعروفة للغازات: يزداد حجمها بسبب التسخين ، ومن التبريد ينخفض.
واحدة من العديد من الاسترليني محلية الصنع.
يستخدم محرك "ستيرلنغ" … "دورة ستيرلينغ" ، والتي ، من حيث كفاءتها الديناميكية الحرارية ، ليست فقط أسوأ من دورة كارنو ، بل لها بعض المزايا أيضًا. على أية حال ، فإن "دورة ستيرلينغ" هي التي تسمح لك بالحصول على محرك عمل مصنوع من علبة صفيح عادية في غضون ساعتين فقط.
جهاز بيتا ستيرلينغ.
تشتمل "دورة ستيرلنغ" نفسها على أربع مراحل رئيسية ومرحلتين انتقاليتين: التسخين ، والتمدد ، والانتقال إلى مصدر بارد ، والتبريد ، والضغط ، والانتقال إلى مصدر الحرارة. حسنًا ، حصلنا على عمل مفيد في عملية توسيع حجم الغاز المسخن.
المرحلة 1.
المرحلة الثانية.
المرحلة 3.
المرحلة 4.
دورة عمل محرك ستيرلينغ بيتا: مكبس الإزاحة ؛ ب - مكبس العمل. ج - دولاب الموازنة د - النار (منطقة التدفئة) ؛ ه - زعانف التبريد (منطقة التبريد).
إنه يعمل كالتالي: هناك أسطوانتان ومكابسان. مصدر خارجي للحرارة - ويمكن حتى حرق الأخشاب ، حتى موقد الغاز ، وحتى ضوء الشمس - يزيد من درجة حرارة الغاز في الجزء السفلي من أسطوانة التبادل الحراري. ينشأ الضغط ويدفع مكبس العمل لأعلى ، ولا يتناسب مكبس الإزاحة بإحكام مع جدران الأسطوانة. علاوة على ذلك ، فإن دولاب الموازنة ، التمرير ، يدفعها لأسفل.
مخطط ستيرلينغ من علبة من الصفيح.
في هذه الحالة ، يدخل الهواء الساخن من أسفل الأسطوانة إلى غرفة التبريد. ومع ذلك ، في غرفة العمل ، يبرد ويتقلص ، ثم يندفع مكبس العمل إلى أسفل. يتحرك كباس الإزاحة لأعلى ، وبالتالي ينتقل الهواء المبرد إلى الأسفل. وهكذا تتكرر الدورة. في Stirling ، يتم إزاحة حركة مكبس العمل بمقدار 90 درجة بالنسبة لمكبس الإزاحة.
صورة ستيرلينج من علبة من الصفيح.
مع مرور الوقت ، ظهرت العديد من التصاميم المختلفة لـ "التصميم" ، والتي سميت على اسم أحرف الأبجدية اليونانية: alpha ، beta ، gamma ، والتي لها اختلافات في دورة العمل. الاختلافات الأساسية بينهما صغيرة وتتلخص في ترتيب الأسطوانات وحجم المكابس.
محرك ستيرلينغ مع المولد الخطي.
يحتوي Alpha Stirling على مكبسين منفصلين للطاقة في أسطوانات مختلفة: ساخن وبارد.توجد الأسطوانة ذات المكبس الساخن في المبادل الحراري ، الذي يحتوي على درجة حرارة أعلى ، والأسطوانة ذات المكبس البارد ، على التوالي ، في المبرد البارد. يقع المجدد (أي المبادل الحراري) بين الجزء الساخن والجزء البارد.
بيتا ستيرلنغ لديها أسطوانة واحدة فقط ، ساخنة من طرف وبارد من الطرف الآخر. يتحرك المكبس داخل الأسطوانة (التي تُزال منها الطاقة) والمُزيح ، الذي يغير حجم منطقته الساخنة. يُضخ الغاز إلى الطرف الساخن للأسطوانة من الطرف البارد للاسطوانة من خلال مُجدد.
تحتوي Gamma Stirling أيضًا على مكبس ومزاح ، واثنين من الأسطوانات - الباردة (حيث يتحرك المكبس الذي يتم إزالة الطاقة منه) والساخنة (حيث يتحرك المبدل ، على التوالي). المُجدِّد خارجي ، وفي هذه الحالة يربط الجزء الساخن من الأسطوانة الثانية بالجزء البارد وفي نفس الوقت مع الأسطوانة الأولى (الباردة). المُجدِّد الداخلي في هذه الحالة هو جزء من المُزيح.
هناك أنواع مختلفة من محرك "ستيرلنغ" لا تندرج تحت هذه الأنواع الثلاثة الكلاسيكية: على سبيل المثال ، محرك "ستيرلنغ" الدوار ، حيث يتم حل مشاكل التسرب ولا توجد آلية كرنك ، حيث إنه دوار.
ما هو الجيد في ستيرلنغ ولماذا هم سيئون؟ بادئ ذي بدء ، فهي آكلة اللحوم ويمكنها استخدام أي اختلاف في درجة الحرارة ، بما في ذلك الفرق بين طبقات المياه المختلفة في المحيط. الاحتراق فيها ذو طبيعة ثابتة ، مما يضمن الاحتراق الفعال للوقود ، مما يعني أن ملاءمته للبيئة أعلى. علاوة على ذلك ، ليس لديها عادم. مستوى ضوضاء أقل - عدم وجود "انفجارات" في الاسطوانات. اهتزاز أقل ، على سبيل المثال ، مع ستيرلنج بيتا. لا يستهلك التصميم سائل العمل. تصميم المحرك بسيط للغاية ، ولا يتطلب آليات توزيع الغاز. ليست هناك حاجة إلى بداية ، تمامًا مثل علبة التروس غير مطلوبة.
إن البساطة وغياب عدد من العقد "الدقيقة" يوفران لـ "ستيرلينغ" أداءً غير مسبوق لجميع المحركات الأخرى في عشرات ومئات الآلاف من الساعات من التشغيل المتواصل.
الغواصة السويدية "جوتلاند".
Stirlings اقتصادية للغاية. وبالتالي ، فإن تحويل الطاقة الشمسية إلى كهرباء عن طريق التحريك يعطي كفاءة أعلى (تصل إلى 31 ، 25٪) من المحركات الحرارية التي تعمل على البخار. لهذا ، يتم وضع "التصميم" في بؤرة المرآة المكافئة ، التي "تتبع" الشمس بحيث يتم تسخين أسطوانةها باستمرار. تم الحصول على النتيجة المذكورة أعلاه في مثل هذا التثبيت في كاليفورنيا في عام 2008 ، والآن يوجد بناء محطة شمسية كبيرة على ستيرلينج. يمكنك إرفاقها بقشرة أفران الصهر ومن ثم سيمنحنا الصهر المستمر للحديد الخام الكثير … طاقة رخيصة ، لأن هذه الحرارة الآن تضيع!
بشكل عام ، هناك عيب واحد فقط في التصميم. يمكن أن ترتفع درجة حرارتها ثم تفشل على الفور. بالإضافة إلى ذلك ، لتحقيق كفاءة عالية ، يجب أن يكون الغاز تحت ضغط مرتفع جدًا في الأسطوانة. الهيدروجين أو الهيليوم. وهذه دقة استثنائية تناسب جميع وحدات العمل وشحم خاص عالي الحرارة. حسنًا ، الأبعاد … ليست هناك حاجة لغرفة الاحتراق. لا تستطيع "ستيرلنغ" العيش بدونها! وهذا حجم إضافي ونظام عزل وتبريد!
Soryu هي غواصة يابانية تعمل بمحركات Stirling.
ومع ذلك ، من المرجح أن يمهد التغيير في الأولويات الطريق لمحركات "ستيرلنغ". إذا وضعنا الصداقة البيئية في المقدمة ، فسيكون من الممكن أن نقول وداعًا لمحرك الاحتراق الداخلي مرة واحدة وإلى الأبد. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تعليق آمال كبيرة عليهم لإنشاء محطات طاقة شمسية واعدة. يتم استخدامها بالفعل كمولدات مستقلة للسياح. وأنشأت بعض الشركات إنتاج الجنيه الاسترليني ، والذي يعمل من موقد فرن الغاز التقليدي. تدرس ناسا أيضًا خيارات لمولدات الطاقة القائمة على ستيرلنغ التي تعمل بالطاقة النووية ومصادر النظائر المشعة الحرارية. على وجه الخصوص ، من المخطط استخدام مثل هذا التصميم ، إلى جانب مولد كهربائي ، في الرحلة الفضائية إلى تيتان التي خططت لها وكالة ناسا.
"أنا القمامة" - التخطيط.
من المثير للاهتمام أنه إذا قمت بتشغيل محرك ستيرلنغ في الوضع العكسي ، أي قلبت دولاب الموازنة من محرك آخر ، فستعمل كآلة تبريد (دورة ستيرلنغ العكسية) ، وهذه الآلات هي التي اتضح أنها فعالة للغاية لإنتاج الغازات المسالة.
حسنًا ، الآن ، نظرًا لأن لدينا موقعًا عسكريًا ، نلاحظ أنه تم اختبار Stirlings على الغواصات السويدية في الستينيات من القرن الماضي. ثم في عام 1988 أصبحت ستيرلينغز المحرك الرئيسي لغواصة ناكين كلاس. معهم ، كانت تبحر تحت الماء لأكثر من 10000 ساعة. وتلت "ناكين" سلسلة من الغواصات من نوع "جوتلاند" ، والتي أصبحت أول غواصات مجهزة بمحركات ستيرلينغ ، مما يسمح لها بالبقاء تحت الماء لمدة تصل إلى 20 يومًا. اليوم ، تحتوي جميع غواصات البحرية السويدية على محركات ستيرلينغ ، وقد توصل بناة السفن السويديون إلى التكنولوجيا الأصلية لتركيب هذه المحركات على الغواصات التقليدية ، عن طريق قطع مقصورة إضافية بها بنظام دفع جديد. تعمل على الأكسجين السائل ، والذي يستخدم بعد ذلك في القارب للتنفس ، ويلاحظ أن لديهم مستويات ضوضاء منخفضة للغاية. حسنًا ، أوجه القصور المذكورة أعلاه (مشكلة الحجم والتبريد) على سفينة حربية غواصة ليست كبيرة. بدا مثال السويديين لليابانيين جديرًا بالاهتمام ، والآن ستيرلينغز موجودة أيضًا في الغواصات اليابانية من فئة "Soryu". تعتبر هذه المحركات اليوم أكثر المحركات الفردية الواعدة لجميع الغواصات من الجيل الخامس.
وهذه هي الطريقة التي يبدو بها تصميم نيكولاي شيفليف ، طالب في جامعة ولاية بينزا.
حسنًا ، الآن الكثير عن نوع … "الشباب السيئ" لدينا. في 1 سبتمبر ، أتيت إلى الطلاب - مهندسو محركات المستقبل ، أطرح عليهم أسئلة تقليدية ، وماذا يقرؤون (لا شيء عمليًا!) ، ما الذي يعشقونه (مع هذا الوضع ليس أفضل بكثير ، ولكن في الغالب تكون الأرجل مشغولة ، ليس الرئيس!) ، ما المجلات التقنية المعروفة - "فني شاب" ، "مصمم نموذج" ، "علوم وتكنولوجيا" ، "ميكانيكا شعبية" … (لا شيء!) ، ثم أخبرني أحد الطلاب أنه مغرم بالمحركات. واحد من كل 20 ، لكن هذا شيء بالفعل! ثم أخبرني أنه صنع محرك "ستيرلنغ" بنفسه. أعرف كيف أصنع مثل هذا المحرك من علبة صفيح عادية ، ولكن تبين بعد ذلك أنه فعل شيئًا أكثر فاعلية. أقول: "أحضرها!" - وأحضر. "صف كيف فعلت ذلك!" - ووصف ، وأعجبني "مقالته" لدرجة أنني أقدمها هنا دون أي تغييرات أو اختصارات.
بداية العمل هي "الفوضى الخلاقة".
لطالما أحببت التكنولوجيا ، ولكن على وجه الخصوص المحركات. أنا منخرط في الصيانة والإصلاح والتخصيص باهتمام كبير. بعد أن تعلمت عن محرك ستيرلنغ ، كنت مفتونًا به مثل أي محرك آخر. عالم التصميم متنوع وكبير لدرجة أنه من المستحيل وصف جميع الخيارات الممكنة لتنفيذه. لن يعطي أي محرك آخر مثل هذا التنوع من حيث التصميم ، والأهم من ذلك ، القدرة على صنعه بنفسك.
كانت لدي أفكار لصنع نموذج لمحرك من علبة من الصفيح ووسائل مرتجلة أخرى ، لكن لم يكن من قواعدي أن أفعل "بأي طريقة ومن ما حصل عليه". لذلك قررت أن آخذ هذه المهمة على محمل الجد ، وأبدأ بالإعداد نظريًا. لقد درست الأدب على الإنترنت ، لكن البحث لم يأت بالنتيجة المرجوة: مراجعة المقالات ومقاطع الفيديو ، وعدم وجود رسومات لنماذج هذا المحرك. تم بيع النماذج النهائية بسعر مرتفع للغاية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك رغبة كبيرة في جعل كل شيء بنفسك ، وفهم مبدأ التشغيل ، وتصحيح الأخطاء وإجراء الاختبارات ، والحصول على عمل مفيد من هذا المحرك وحتى محاولة العثور على استخدامه في الاقتصاد.
"تحول الأعمال!" (طالب ذكي ، قام بتصوير عملية العمل برمتها كتذكار. أدلة فوتوغرافية موثقة ، مواطن ، وثائقي … وها هم!)
سألت في المنتديات ، وقاموا بمشاركة الأدبيات معي. كان كتاب "Stirling Engines" (المؤلفان: G. Ryder و C. Hooper).لقد عكس التاريخ الكامل لهذا النوع من بناء المحركات ، ولماذا توقف التطور السريع ، وأين لا تزال هذه المحركات مستخدمة. من الكتاب ، تعلمت بمزيد من التفصيل جميع العمليات التي تحدث في المحرك ، ووجدت إجابات لأسئلة الاهتمام. كانت القراءة ممتعة ، لكنني أردت أن أتدرب. بالطبع ، لم تكن هناك رسومات لنماذج المرآب ، وكذلك على الإنترنت ، بالطبع ، باستثناء نموذج من علبة ومطاط رغوي.
لسعادتي الكبيرة ، قام الشخص الذي باع عارضات الأزياء بنشر دورة تدريبية حول صنع مثل هذه النماذج ، وطرحها في ذلك الوقت مقابل 20 دولارًا ، وكتبت له ودفعت مقابل الدورة. بعد مشاهدة جميع مقاطع الفيديو ، التي شرح فيها كل منها نوعًا معينًا من التصميم ، قررت أن أقوم بالضبط بالتصميم عالي الحرارة لنوع جاما. لأنه اهتم بي بتصميمه وخصائصه ومظهره. من خلال دورة الفيديو ، تعلمت النسبة التقريبية لقطر الأسطوانة ، وأقطار المكبس ، وماهية الخلوص ، والخشونة ، والمواد التي يجب استخدامها في التصنيع ، وبعض الفروق الدقيقة في البناء. ولكن لم تكن أحجام محركات المؤلف متاحة في أي مكان ، فقط نسبة أحجام العقد.
أنا نفسي أعيش في قرية ، قد يقول المرء في الضواحي ، والدتي تعمل كمحاسبة ، وأبي يعمل نجارًا ، لذلك كان من غير المناسب إلى حد ما الرجوع إليهم للحصول على المشورة بشأن بناء محرك. والتفت إلى جاري ، جينادي فالنتينوفيتش ، للمساعدة ، فقد عمل في مصنع KZTM المنهار الآن في كوزنيتسك.
بشكل عام ، في اليوم التالي ، أحضر لي جينادي فالنتينوفيتش فراغًا من الألومنيوم يبلغ طوله حوالي متر واحد وقطره حوالي 50 ملم. كنت سعيدًا جدًا ، وقمت بقطع الفراغات التي أحتاجها ، وفي اليوم التالي ذهبت إلى المدرسة لمحاولة شحذ السخان والثلاجة لمحرك الاحتراق الداخلي. لقد شحذت مخرطة تدريب (عمل عليها الجد لينين).
بالطبع ، لم تكن هناك دقة ، اتضح أن الجزء الخارجي من المدفأة كان جيدًا جدًا ، لكن الجزء الأسطواني نفسه تحت المكبس كان على مخروط. أوضح لي ترودوفيك أن القاطع الممل ينحني ، لأن الآلة لمثل هذه الأشياء صغيرة وضعيفة إلى حد ما. نشأ السؤال ، ماذا أفعل بعد ذلك … لقد كان من حسن حظ والدتي في ذلك الوقت أن تعمل محاسباً في مؤسسة خاصة ، كانت عبارة عن مصنع سابق لإصلاح السيارات. تبين أن فاليري ألكساندروفيتش (مدير هذا المصنع) شخص رائع وساعدني كثيرًا ، لقد تم تزويدي بالفعل بآلة سوفيتية محترفة ومقبض ساعدني. سارت الأمور أكثر متعة ، وبعد أسبوع حرفيًا ، كان كل شيء جاهزًا تقريبًا ، وبدأ تجميع المحرك. كانت هناك لحظات مثيرة للاهتمام في البناء ، على سبيل المثال: تم إعطاء العمود ، الذي تم ضغط دولاب الموازنة عليه ، لورشة الميكانيكا الدقيقة في مصنع آخر (من أجل الحصول على الدقة اللازمة للمحامل) ؛ تم شحذ الثلاجة على مخرطة ، وصُنعت أماكن السحابات بآلة طحن ، وكانت دولاب الموازنة مطحونة على مطحنة. كانت ممتعة ومثيرة للغاية بالنسبة لي. اعتقد العمال في المصنع أنني طالب وأكتب نوعًا من العمل العلمي. جلست في المصنع حتى وقت متأخر من المساء ، وأعادوني إلى المنزل في السيارة الرسمية لفاليري ألكساندروفيتش. بدأ تشغيل المحرك في دائرة كبيرة من عمال المصانع ، وكان الجميع مهتمًا جدًا. كان الإطلاق ناجحًا ، لكن المحرك كان يعمل بشكل سيء.
النتيجة تتوج الصفقة! احترقت زاوية الحامل أثناء الاختبار.
تم الكشف عن أوجه القصور ، واستبدلت المفصلات البلاستيكية بأخرى من البلاستيك الفلوري ، وتم تفتيح وتوازن دولاب الموازنة ، وتلقى المكبس ملحقًا من البلاستيك الفلوري لنقل الحرارة أقل ، وأصبحت الثلاجة بمساحة تبريد أكبر. بعد الضبط الدقيق ، قام المحرك بتحسين أدائه الفني بشكل كبير.
أنا نفسي كنت سعيدا. عندما يأتي الأصدقاء إلى منزلي ، فإن أول شيء يفعلونه هو أن يأتوا إليه ويطلبوا منه أن يبدأ.قاد جينادي فالنتينوفيتش السيارة لإظهار التصميم لأعماله ، وكان الجميع مهتمًا جدًا ، ولم يحتاجوا حتى إلى الاتصال بشخص ما ، فقد اقترب الجميع ، وبحثوا ، وأبدوا اهتمامًا.
اسم الشاب نيكولاي شفيليف ، وهو رئيس المجموعة. أخذته إلى العميد ، وتحدثنا نحن الثلاثة جيدًا. ثم تذكرت الإحصائيات التي تفيد بأن 2٪ فقط من سكان العالم كافية لدفع البشرية على طريق التقدم العلمي والتكنولوجي. أحصيت العدد الإجمالي للطلاب وأدركت أنه … لا داعي للقلق كثيرًا. مع أشخاص مثل نيكولاي ، سيظل التقدم مضمونًا بالنسبة لنا!
