стирлинг роберт рождественский, стирлинг роберт де
25 октября 1790(1790-10-25) У этого термина существуют и другие значения, см.: Стирлинг и Стерлинг

Ро́берт Сти́рлинг (англ. Robert Stirling) (25 октября 1790, Клог Фарм, Шотландия - 6 июня 1878, Галстон, Шотландия) - шотландский священник, изобретатель двигателя Стирлинга.

• 1 Биография
• 2 Научная и техническая деятельность
  • 2.1 Тепловой двигатель
  • 2.2 Оптические инструменты
  • 2.3 Бессемеровский процесс
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

Биография

Стирлинг родился в Клог Фарме недалеко от Метвена, Шотландия. Он был третьим ребёнком в семье, а всего детей было восемь. От отца он унаследовал интерес к конструированию техники, но изучал богословие и стал священником Шотландской Церкви в местечке Лайф Кирк в 1816 году.

В 1819 году Стирлинг вступил в брак с Джиной Рэнкин. У них было семеро детей, двое из них: Патрик Стирлинг и Джеймс Стирлинг стали инженерами по паровозостроению.

Стирлинг умер в Галстоне, Шотландия в 1878 году.

Научная и техническая деятельность

Тепловой двигатель

Стирлинг был весьма обеспокоен травматизмом рабочих, работающих в его приходе с паровыми двигателями. Эти двигатели часто взрывались из-за низкого качества металла, из которого они изготавливались. Более прочного материала в те годы не существовало. Стирлинг решил усовершенствовать конструкцию теплового двигателя сделав его более безопасным.

Стирлинг придумал устройство, которое он назвал «эконом тепла» (сейчас такое устройство называют регенератором или теплообменником). Это устройство служит для повышения тепловой эффективности различных процессов. Стирлинг получил патент на двигатель с «экономом тепла» в 1816 году. Двигатель Стирлинга не может взорваться, потому что работает при более низком давлении, чем паровая машина, и не может причинить ожоги паром. 1818 он построил первый практичный вариант своего двигателя и использовал его в насосе для откачки воды из карьера.

Теоретических основ работы двигателя Стирлинга - цикл Стирлинга - не существовало до тех пор, пока не появились работы Сади Карно. Карно разработал и опубликовал в 1825 году общую теорию работы тепловых двигателей - Цикл Карно, из которой цикл Стирлинга строится аналогичным образом.

В дальнейшем Стирлинг вместе со своим братом Джеймсом получил ещё несколько патентов на усовершенствование воздушного двигателя. А в 1840 году Джеймс построил большой воздушный двигатель для привода всех механизмов в своей литейной компании.

Оптические инструменты

Проживая в Килмарноке, Стирлинг сотрудничал с другим изобретателем - Томасом Мортоном, который предоставлял Стирлингу всё своё оборудование и инструменты для проведения опытов. Они оба интересовались астрономией. У Мортона Стирлинг научился шлифовать линзы, после чего изобрел ряд оптических приборов.

Бессемеровский процесс

В письме от 1876 года Роберт Стирлинг признал важность нового изобретения Генри Бессемера - бессемеровский процесс производства стали, который сделал паровые двигатели безопаснее, а они, в свою очередь, угрожали сделать воздушный двигатель анахронизмом. Вместе с тем он также выразил надежду, что новая сталь позволит повысить эффективность и его воздушных двигателей.

См. также

• Двигатель Стирлинга
• Цикл Стирлинга

Примечания

Ссылки

стирлинг роберт дауни, стирлинг роберт де, стирлинг роберт редфорд, стирлинг роберт рождественский

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником

Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года

(английский патент № 4081).

Роберт Стирлинг

Однако первые элементарные «двигатели горячего воздуха» были известны ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга.

Достижение м Стирлинга является добавление очистителя, который он назвал «эконом».

В современной научной литературе этот очиститель называется «рекуператор».
Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего рекуператор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходя через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его.

Рекуператор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. В последнем случае габариты и вес машины оказываются меньше. Частично роль рекуператора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %. Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

В XIX веке инженеры хотели создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, котлы которых часто взрывались из-за высоких давлений пара и неподходящих материалов для их постройки. Хорошая альтернатива паровым машинам появилась с созданием двигателей Стирлинга, который мог преобразовывать в работу любую разницу температур. Основной принцип работы двигателя Стирлинга заключается в постоянно чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела в закрытом цилиндре. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. В ряде экспериментальных образцов испытывались фреоны, двуокись азота, сжиженный пропан-бутан и вода. В последнем случае вода остаётся в жидком состоянии на всех участках термодинамического цикла. Особенностью стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры, высокая удельная мощность и большие рабочие давления. Существует также стирлинг с двухфазным рабочим телом. Он тоже характеризуется высокой удельной мощностью, высоким рабочим давлением.

Из термодинамики известно, что давление, температура и объём идеального газа взаимосвязаны и следуют закону:

- тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Хронологию событий, связанную с разработкой двигателей времен 18 века, вы можете наблюдать в интересной статье - "История изобретения паровых машин" . А эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу.

История создания...

Патент на изобретение двигателя Стирлинга как ни странно принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу. Его он получил 27 сентября 1816 года. Первые «двигатели горячего воздуха» стали известны миру ещё в конце XVII века, задолго до Стирлинга. Одним из важных достижений Стирлинга является добавление очистителя, прозванный им же самим "экономом".

В современной же научной литературе этот очиститель имеет совсем другое название - «рекуператор». Благодаря ему производительность двигателя растет, поскольку очиститель удерживает тепло в тёплой части двигателя, а рабочее тело в то же время охлаждается. Благодаря этому процессу эффективность системы значительно возрастает. Рекуператор представляет из себя камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа). Газ, проходит через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдаёт (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (отдаёт) его. Рекуператор может быть и внешним по отношению к цилиндрам и может быть размещён на поршне-вытеснителе в бета- и гамма-конфигурациях. Габариты и вес машины в этом случае меньше. В коей мере роль рекуператора выполняется зазором между вытеснителем и стенками цилиндра (если цилиндр длинный, то надобности в таком устройстве нет вообще, однако появляются значительные потери из-за вязкости газа). В альфа-стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором со стороны холодного поршня, происходит нагрев рабочего тела.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 % инвестировала фирма "Филипс". Поскольку двигатель Стирлинга имеет много преимуществ, то в эпоху паровых машин он был широко распространён.

Недостатки.

Материалоёмкость - основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела - водород, гелий.

Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно, а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплообменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества.

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

«Всеядность» двигателя - как все двигатели внешнего сгорания (вернее - внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.

Простота конструкции - конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.

Увеличенный ресурс - простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.

Экономичность - в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.

Бесшумность двигателя - стирлинг не имеет выхлопа, а значит - не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).

Экологичность - сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Альтернатива паровым двигателям.

В 19 веке инженеры пытались создать безопасную альтернативу паровым двигателям того времени, из-за того что котлы уже изобретенных двигателей часто взрывались, не выдерживая высокого давления пара и материалов, которые совсем не подходили для их изготовления и постройки. Двигатель Стирлинга стал хорошей альтернативой, поскольку он мог преобразовывать в работу любую разницу температур. В этом и заключается основной принцип работы двигателя Стирлинга. Постоянное чередование нагревания и охлаждения рабочего тела в закрытом цилиндре приводит поршень в движение. Обычно в роли рабочего тела выступает воздух, но также используются водород и гелий. Но так же проводились опыты и с водой. Главная особенность двигателя Стирлинга с жидким рабочим телом является малые размеры,большие рабочие давления и высокая удельная мощность. Также существует Стирлинг с двухфазным рабочим телом. Удельная мощность и рабочее давление в нем тоже достаточно высоки.

Возможно, из курса физики вы помните, что при нагревании газа его объём увеличивается, а при охлаждении - уменьшается. Именно это свойство газов и заложено в основе работы двигателя Стирлинга. Двигатель Стирлинга использует цикл Стирлинга, который не уступает циклу Карно по термодинамической эффективности, и в некотором роде даже обладает преимуществом. Цикл Карно состоит из мало отличающихся между собой изотерм и адиабат. Практическая реализация такого цикла сложна и малоперспективна. Цикл Стирлинга позволил получить практически работающий двигатель в приемлемых габаритах.

Всего в цикле Стирлинга четыре фазы, разделённые двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от тёплого источника к холодному источнику происходит расширение и сжатие газа, который находится в цилиндре. В ходе этого процесса изменяется давление из чего и можно получить полезную работу. Полезная работа производится только за счет процессов, проходящих с постоянной температурой, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.

Конфигурации.

Инженерами подразделяются двигатели Стирлинга на три различных типа:

Превью - увеличение по клику.

Содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень - горячий, другой - холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, а цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. Отношение мощности к объёму достаточно велико, однако высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Бета-Стирлинг - цилиндр один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра - один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Эта статья посвящена великому изобретателю Роберту Стирлингу и его детищу. Патент на изобретение двигателя Стирлинга, как ни странно, принадлежит шотландскому священнику Роберту Стирлингу.

- Роберт Стирлинг, расскажите нам о своей семье?

У нас большая и дружная семья, восемь детей. От отца я унаследовал интерес к конструированию техники, но изучаю богословие и стал священником Шотландской Церкви в местечке Лайф Кирк. Моя жена Джиной Рэнкин прекрасная женщина. У нас семеро детей, двое из них: Патрик и Джеймс стали инженерами по паровозостроению.

- Что послужило толчком для разработки нового двигателя?

Я был весьма обеспокоен травматизмом рабочих, работающих в моем приходе с паровыми двигателями. Эти двигатели часто взрывались из-за низкого качества железа, из которого они изготавливались. Более прочного материала в те годы не существовало. И я решил усовершенствовать конструкцию воздушного двигателя в надежде на то, что такой двигатель будет более безопасным.

- И вам это удалось.

В чем же принцип работы Вашего двигателя?

Мой двигатель работает за счет теплового расширения газа, за которым следует сжатие газа после его охлаждения. Он содержит некоторый постоянный объем рабочего газа, который перемещается между "холодной" частью и "горячей" частью, которая обычно разогревается за счет сжигания любого вида топлива. Нагрев производится снаружи, поэтому двигатель относится к двигателям внешнего сгорания.Одним из важных моих достижений является добавление очистителя, прозванный "экономом".

- Каковы преимущества Вашего двигателя перед другими?

У двигателя много преимуществ, к которым относят:

Его всеядность, поскольку он работает почти от любого вида перепада температур – разные в океане слои, солнце, изотопный или ядерный нагреватель, дровяная или угольная печь и т.д.

Простая конструкция. Конструкция двигателя не требует никаких дополнительных систем. Запускается двигатель самостоятельно.

Из-за простоты конструкции в нем отсутствуют многие нежные агрегаты. Это дает возможность в отличие от других двигателей обеспечить ресурс в сотни тыс. часов непрерывной работы.

Может дать КПД до 30% больше, чем тепловая машина на пару.

Бесшумная работа двигателя. Из-за отсутствия выхлопа нет и шума.

Любая часть двигателя не имеет ни одной частицы, которая хоть каким-то образом могла бы загрязнить окружающую среду. Также нет расхода рабочего тела. Отмечу и тот момент, что и источник тепла может быть экологичным. Также не стоит забывать и о том, что в двигателе внешнего сгорания обеспечить, чтобы топливо полностью сгорело, гораздо проще, чем в двигателях внутреннего сгорания.

- А чем Ваш двигатель отличается от двигателя внутреннего сгорания?

В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В моём двигателе такое исключено, поскольку он абсолютно герметичен. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в двигателях внутреннего сгорания. Плюсом является и то, что сгорание топлива происходит вне внутреннего объёма двигателя, что позволяет обеспечить равномерное горение топлива и полное его выжигание. В моём двигателе можно использовать любой источник тепловой энергии.

Наши предложения по усовершенствованию двигателя Стирлинга

Использование солнечной энергии: солнечный свет фокусируется вогнутыми зеркалами для разогрева двигателя (в качестве источника тепла). В роли охладителя может использоваться окружающий атмосферный воздух.

Если попробовать приводить двигатель Стирлинга в движение с помощью какого-либо внешнего источника (например, еще одного двигателя Стирлинга), то "горячий" цилиндр будет охлаждаться, а "холодный" - разогреваться. Если при этом разогревать "горячий" цилиндр (например, окружающим воздухом), то "холодный" цилиндр будет разогреваться до более высокой температуры. При этом внешняя энергия расходуется не непосредственно на разогрев, а на "перекачку" тепла из холодного места в более теплое, что гораздо эффективнее.

Использование в качестве топлива тепловую энергию, вырабатываемую атомным реактором в механическую, дает высокий КПД и надежность.