Para começar, o sobrenome Stirling é bastante comum na Inglaterra e na Escócia. Isto é, se existe o Castelo de Stirling, por que não "Sr. Stirling"? E essa pessoa - o padre escocês Robert Stirling, em 27 de setembro de 1816, recebeu uma patente britânica para um motor que não tinha nada a ver com um motor a vapor! Além disso, o motor que leva o seu nome revelou-se único, pois funcionava a partir de qualquer fonte de calor!
Robert Stirling.
Em 1843, seu filho James Stirling usou o motor de seu pai em uma fábrica onde trabalhava como engenheiro. Pois bem, já em 1938, foram criadas rodas com capacidade de até 200 cv. e uma eficiência de 30 por cento.
O princípio de funcionamento deste motor é alternar o aquecimento e o resfriamento do fluido de trabalho em um cilindro completamente fechado. Normalmente, o meio de trabalho é o ar, mas o hidrogênio e o hélio, bem como os freons, o dióxido de nitrogênio, o propano-butano liquefeito e até a água podem ser usados. Além disso, permanece líquido durante todo o ciclo termodinâmico. Ou seja, o projeto do motor é extremamente simples e utiliza a conhecida propriedade dos gases: seu volume aumenta com o aquecimento e, com o resfriamento, diminui.
Uma das muitas esterlinas caseiras.
O motor Stirling usa … o "ciclo Stirling", que, em termos de sua eficiência termodinâmica, não só não é pior que o ciclo de Carnot, mas também tem algumas vantagens. Em qualquer caso, é o "ciclo de Stirling" que permite obter um motor de trabalho feito de uma lata comum em apenas algumas horas.
Dispositivo Beta Stirling.
O próprio "ciclo de Stirling" inclui quatro fases principais e duas de transição: aquecimento, expansão, transição para uma fonte fria, resfriamento, compressão e transição para uma fonte de calor. Bem, conseguimos um trabalho útil no processo de expansão do volume de gás aquecido.
Fase 1.
Fase 2.
Fase 3.
Fase 4.
O ciclo de trabalho do motor Stirling do tipo beta: a - pistão de deslocamento; b - pistão de trabalho; c - volante; d - incêndio (área de aquecimento); e - aletas de resfriamento (área de resfriamento).
Funciona assim: são dois cilindros e dois pistões. Uma fonte externa de calor - e podem ser até lenha, até mesmo um queimador de gás, até mesmo a luz do sol - aumenta a temperatura do gás na parte inferior do cilindro de troca de calor. A pressão aumenta e empurra o pistão de trabalho para cima, e o pistão de deslocamento não se encaixa firmemente nas paredes do cilindro. Além disso, o volante, rolando, empurra-o para baixo.
Esquema de Stirling de uma lata.
Nesse caso, o ar quente da parte inferior do cilindro entra na câmara de resfriamento. Na câmara de trabalho, entretanto, ele esfria e se contrai, e então o pistão de trabalho desce rapidamente. O pistão de deslocamento se move para cima e, assim, o ar resfriado se move para o fundo. O ciclo é assim repetido. No Stirling, o movimento do pistão de trabalho é deslocado 90 ° em relação ao pistão de deslocamento.
Foto de um stirling de uma lata.
Com o tempo, muitos designs diferentes de "estilo" apareceram, nomeados com base nas letras do alfabeto grego: alfa, beta, gama, que têm diferenças no ciclo de trabalho. As diferenças fundamentais entre eles são pequenas e se resumem à disposição dos cilindros e ao tamanho dos pistões.
Motor Stirling com alternador linear.
Alpha Stirling tem dois pistões de potência separados em cilindros diferentes: quente e frio. O cilindro com o pistão quente está localizado no trocador de calor, que possui uma temperatura mais elevada, e o cilindro com o pistão frio, respectivamente, no mais frio. O regenerador (ou seja, o trocador de calor) está localizado entre a parte quente e a parte fria.
Beta Stirling tem apenas um cilindro, quente em uma extremidade e frio na outra. O pistão se move dentro do cilindro (do qual a força é removida) e o deslocador, que muda o volume de sua zona quente. O gás é bombeado para a extremidade quente do cilindro a partir da extremidade fria do cilindro por meio de um regenerador.
Gamma Stirling também tem um pistão e um deslocador, e dois cilindros - frio (onde o pistão se move do qual a energia é removida) e quente (onde o deslocador se move, respectivamente). O regenerador é externo, neste caso conecta a parte quente do segundo cilindro com a fria e simultaneamente com o primeiro cilindro (frio). O regenerador interno, neste caso, faz parte do deslocador.
Existem variedades de motor Stirling que não se enquadram nesses três tipos clássicos: por exemplo, o motor Stirling rotativo, em que os problemas de vazamento são resolvidos e não há mecanismo de manivela, pois é rotativo.
O que há de bom em stirlings e por que eles são ruins? Em primeiro lugar, eles são onívoros e podem usar qualquer diferença de temperatura, inclusive entre as diferentes camadas de água do oceano. A combustão neles é de natureza constante, o que garante uma combustão eficiente do combustível, o que significa que o seu respeito pelo ambiente é superior. Além disso, não tem exaustão. Menor nível de ruído - sem "explosões" nos cilindros. Menos vibração, por exemplo, com um stirling beta. O fluido de trabalho não é consumido pelo estilo. O projeto do motor é extremamente simples, não requer mecanismos de distribuição de gás. Um starter não é necessário, assim como uma caixa de câmbio não é necessária.
A simplicidade e a ausência de um número de nós "delicados" fornecem ao "stirling" um desempenho sem precedentes para todos os outros motores em dezenas e centenas de milhares de horas de operação contínua.
Submarino sueco "Gotland".
Stirlings são muito econômicos. Assim, a conversão de energia solar em eletricidade por meio de stirling dá uma eficiência maior (até 31, 25%) do que motores térmicos operando a vapor. Para isso, o "styling" é colocado no foco do espelho parabólico, que "segue" o sol de forma que seu cilindro seja constantemente aquecido. Foi em tal instalação na Califórnia que o resultado acima foi obtido em 2008, e agora há a construção de uma grande estação solar nas colunas. Você pode prendê-los na carcaça dos altos-fornos e então a fundição contínua do ferro-gusa vai nos dar muito … energia barata, porque agora esse calor é desperdiçado!
Em geral, há apenas uma desvantagem no estilo. Ele pode estar superaquecido e, em seguida, falhará imediatamente. Além disso, para alcançar alta eficiência, o gás deve estar sob pressão muito alta no cilindro. Hidrogênio ou hélio. E esta é uma precisão de encaixe excepcional de todas as suas unidades de trabalho e uma graxa especial para altas temperaturas. Bem, as dimensões … a câmara de combustão não é necessária. Stirling não pode viver sem ela! E este é um volume extra e um sistema de isolamento e refrigeração!
Soryu é um submarino japonês equipado com motores Stirling.
No entanto, a mudança nas prioridades provavelmente abrirá o caminho para os motores Stirling. Se colocarmos o respeito pelo meio ambiente em primeiro plano, será possível dizer adeus ao motor de combustão interna de uma vez por todas. Além disso, grandes esperanças estão depositadas sobre eles para a criação de usinas de energia solar promissoras. Eles já estão sendo usados como geradores autônomos para turistas. E algumas empresas estabeleceram a produção de libras esterlinas, que funcionam a partir de um queimador de forno a gás convencional. A NASA também está considerando opções para geradores de energia baseados em Stirling alimentados por fontes de calor nuclear e radioisótopo. Em particular, está planejado o uso desse estilo, juntamente com um gerador elétrico, na expedição espacial a Titã planejada pela NASA.
"Eu lixo" - o layout.
É interessante que se você ligar o motor Stirling em modo reverso, ou seja, girar o volante de outro motor, ele funcionará como uma máquina de refrigeração (ciclo de Stirling reverso), e são essas máquinas que se mostraram muito eficazes para a produção de gases liquefeitos.
Bem, agora, como temos um local militar, notamos que os Stirlings foram testados em submarinos suecos na década de 60 do século passado. E então, em 1988, os Stirlings se tornaram o motor principal do submarino da classe Nakken. Com eles, ela navegou debaixo d'água por mais de 10.000 horas. O "Nakken" foi seguido pelos submarinos em série do tipo "Gotland", que se tornaram os primeiros submarinos equipados com motores Stirling, o que lhes permite ficar submersos por até 20 dias. Hoje, todos os submarinos da Marinha sueca têm motores stirling, e os construtores navais suecos desenvolveram a tecnologia original de instalação desses motores em submarinos convencionais, cortando neles um compartimento adicional com um novo sistema de propulsão. Eles funcionam com oxigênio líquido, que é então usado no barco para respirar, e é notado que eles têm níveis de ruído muito baixos. Bem, as deficiências acima mencionadas (tamanho e problema de resfriamento) em um navio de guerra submarino não são significativas. O exemplo dos suecos pareceu aos japoneses digno de atenção, e agora os Stirlings também estão nos submarinos japoneses da classe "Soryu". São esses motores que são considerados hoje os mais promissores monomotores de todos os modos para submarinos de 5ª geração.
E é assim que se parece o estilo de um aluno da Penza State University Nikolai Shevelev.
Bem, agora um pouco sobre que tipo de … "má juventude" que temos. No dia 1º de setembro, venho aos alunos - futuros engenheiros de motores, faço-lhes perguntas tradicionais, o que eles lêem (praticamente nada!), O que eles gostam (com isso a situação não é muito melhor, mas principalmente as pernas estão ocupadas, não a cabeça!), Que revistas técnicas são conhecidas - "Jovem Técnico", "Designer de Modelos", "Ciência e Tecnologia", "Mecânica Popular" … (nenhuma!), e então um aluno me diz que ele é gosta de motores. Um em cada 20, mas isso já é alguma coisa! E então ele me disse que ele mesmo fez o motor Stirling. Sei fazer esse motor com uma lata comum, mas descobri que ele fez algo muito mais eficaz. Eu digo: "Traga!" - e ele trouxe. "Descreva como você fez isso!" - e ele descreveu, e gostei tanto do seu “ensaio” que o apresento aqui sem quaisquer alterações ou abreviaturas.
O início do trabalho é “caos criativo”.
“Sempre gostei da tecnologia, mas principalmente dos motores. Estou envolvida na manutenção, reparação e personalização com grande interesse. Tendo aprendido sobre o motor Stirling, fiquei fascinado por ele como nenhum outro motor. O mundo do estilo é tão diversificado e amplo que é simplesmente impossível descrever todas as opções possíveis para sua execução. Nenhum outro motor oferecerá tanta variedade em termos de design e, o mais importante, a capacidade de fazer você mesmo.
Tive ideias de fazer um modelo de motor a partir de uma lata e outros meios improvisados, mas não estava nas minhas regras fazer "de qualquer maneira e com o que consegui". Portanto, decidi levar essa tarefa a sério, para começar a me preparar teoricamente. Estudei a literatura na internet, mas a busca não trouxe o resultado desejado: artigos de revisão e vídeos, a falta de desenhos para as maquetes desse motor. Os modelos acabados foram vendidos por um preço muito alto. Além disso, uma grande vontade de fazer tudo sozinho, entender o princípio de funcionamento, depurar e realizar testes, obter trabalhos úteis deste motor e até mesmo tentar encontrar seu uso na economia.
"Virando negócios!" (Aluno habilidoso, filmou todo o processo de trabalho como lembrança. Presente, cidadão, prova fotográfica documental … e aqui estão!)
Eu perguntei nos fóruns e eles compartilharam a literatura comigo. Era o livro "Stirling Engines" (Autores: G. Ryder e C. Hooper). Ele refletiu toda a história desse tipo de construção de motor, por que o rápido desenvolvimento parou e onde esses motores ainda são usados. Com o livro, aprendi com mais detalhes todos os processos que ocorrem no motor, encontrei as respostas para as dúvidas de interesse. Era interessante de ler, mas queria praticar. Claro, não havia desenhos de modelos de garagem, bem como na Internet, bem, é claro, exceto por um modelo de uma lata e borracha de espuma.
Para minha grande felicidade, a pessoa que vendeu os modelos de styling postou um curso sobre como fazer esses modelos, ele colocou na época por US $ 20, eu escrevi para ele e paguei o curso. Depois de assistir a todos os vídeos, em cada um dos quais ele explicou um certo tipo de estilo, decidi fazer exatamente o estilo de alta temperatura do tipo gama. Pois ele me interessou pelo seu design, características e aparência. Com o vídeo do curso, aprendi a relação aproximada do diâmetro do cilindro, diâmetros do pistão, quais folgas, rugosidade, quais materiais usar na fabricação, algumas das nuances da construção. Mas em nenhum lugar os tamanhos dos motores do autor estavam disponíveis, apenas aproximadamente a proporção dos tamanhos dos nós.
Eu mesmo moro em um vilarejo, pode-se dizer que fica no subúrbio, minha mãe é contadora e meu pai é carpinteiro, então, de alguma forma, não era apropriado pedir-lhes conselhos sobre a construção de um motor. E eu pedi ajuda ao meu vizinho, Gennady Valentinovich, ele trabalhava na fábrica KZTM em Kuznetsk, agora em colapso.
Em geral, no dia seguinte, Gennady Valentinovich me trouxe uma placa de alumínio com cerca de 1 m de comprimento e cerca de 50 mm de diâmetro. Fiquei muito feliz, serrei os cacos de que precisava e no dia seguinte fui à escola tentar afiar o aquecedor e a geladeira do meu motor de combustão interna. Eu afiei em um torno de treinamento (no qual o avô Lênin trabalhou).
Claro, não havia precisão ali, a parte externa do aquecedor era muito boa, mas a própria parte cilíndrica sob o pistão estava em um cone. Trudovik me explicou que o cortador enfadonho se curva, pois a máquina para essas coisas é bem pequena e fraca. Surgiu a dúvida sobre o que fazer a seguir … Foi sorte minha mãe naquela época trabalhar como contadora em uma empresa privada, que era uma antiga oficina mecânica. Valery Aleksandrovich (o diretor desta fábrica) revelou-se uma pessoa maravilhosa e ajudou-me muito, já recebi uma máquina soviética profissional e um torneiro que me ajudou. As coisas foram mais divertidas e literalmente uma semana depois, quase tudo pronto, começou a montagem do motor. Houve momentos interessantes na construção, por exemplo: o eixo, no qual o volante foi pressionado, foi entregue à oficina de mecânica de precisão de outra fábrica (a fim de obter a precisão necessária para os mancais); a geladeira era afiada em torno, e os locais para os fechos eram feitos com uma fresadora, o volante era moído em uma trituradora. Foi muito interessante e emocionante para mim. Os trabalhadores da fábrica pensaram que eu era um estudante e estou escrevendo algum tipo de trabalho científico. Fiquei sentado na fábrica até tarde da noite e eles me trouxeram para casa no carro oficial de Valery Alexandrovich. O motor foi ligado em um grande círculo de operários, todos ficaram muito interessados. O lançamento foi bem-sucedido, mas o motor estava funcionando mal.
O resultado coroa o negócio! O canto da arquibancada foi queimado durante o teste.
Deficiências foram reveladas, as dobradiças de plástico foram substituídas por fluoroplásticas, o volante foi mais leve e balanceado, o pistão recebeu um acessório de fluoroplástico para menor transferência de calor e o refrigerador passou a ter uma área de resfriamento maior. Após o ajuste fino, o motor melhorou significativamente seu desempenho técnico.
Eu mesmo fiquei encantado. Quando os amigos vêm à minha casa, a primeira coisa que fazem é vir até ele, pedir para começar. Gennady Valentinovich dirigiu para mostrar o estilo do seu trabalho, todos ficaram muito interessados, nem precisaram ligar para ninguém, todos se aproximaram, olharam e se interessaram.”
O nome do jovem é Nikolai Shevelev, e ele é o chefe do grupo. Levei-o ao reitor e nós três tivemos uma conversa muito boa. E então me lembrei das estatísticas de que apenas 2% da população mundial é suficiente para fazer a humanidade avançar no caminho do progresso científico e tecnológico. Contei o número total de alunos e percebi que … não precisa se preocupar muito. Com pessoas como Nikolai, o progresso ainda estará garantido para nós!
