ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА; УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Что такое двигатель стерленга

Библиографическая ссылка на статью:
Працков И.И. Двигатель Стирлинга — универсальный источник энергии // Современная техника и технологии. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: https://technology.snauka.ru/2015/01/5553 (дата обращения: 15.04.2021).

В условиях современной жизни – эпохи потребления очень трудно сохранить то необходимое что у нас осталось – наши природные ресурсы. Надо задуматься, что скоро их останется очень мало, и получать энергию, без которой нам не обойтись, будет очень трудно.

Данная статья посвящается принципам работы, преимуществам, недостаткам и применению двигателя Стирлинга, который работает от разности температур и в качестве рабочего тела выступает воздух.

Принцип работы двигателя очень прост:

Работа двигателя основывается на использовании цикла Стирлинга, который по своей эффективности (термодинамической) в какой-то степени лучше, чем цикл Карно, и даже обладает преимуществом.

Дело в том, что практическое использование цикла Карно малоперспективно из-за того, что цикл представляет собой мало отличающиеся между собой изотермы и адиабаты. Использование для выполнения работы цикла Стирлинга позволило получить реально работающий двигатель в сравнительно небольших размерах.

Как же работает цикл Стирлинга?

Данный цикл состоит из четырёх фаз, которые разделены двумя другими фазами (переходными): сначала происходит нагрев, затем расширение, потом происходит переход к источнику холода, затем охлаждение, сжатие, и после, переход к источнику тепла.

По прохождении цикла (при переходе от тёплого источника к холодному) происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре, как следствие происходит изменение давления, за счёт чего можно получить полезную работу.

Нагрев и охлаждение рабочего тела производится вытеснителем. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое вытеснителем, одинаково. Полезная работа производится только за счёт изотерм, то есть зависит от разницы температур нагревателя и охладителя, как в цикле Карно.[1]

При использовании цикла Стирлинга достаточно только подводить тепло, во избежание охлаждения рабочего тела во время его расширении, и отводить тепло, выделяющееся при его сжатии.

Необходимое изменение рабочего тела обеспечивается наличием разделенных холодной и горячей полостей, по соединительным каналам между которыми под действием поршней перемещается рабочее тело.[2]

На сегодняшний день главное преимущество этого устройства заключается в том, что его можно сделать, как говорится, «в домашних условиях», и использовать его как источник электроэнергии.

Если же двигатель применять в промышленности как устройство выработки электрической энергии и использовать в качестве топлива солнце, то можно добиться колоссальной экономии денежных средств, которые в больших количествах затрачивались на оплату потребления электричества.

Из всего сказанного мною выше следует вопрос: почему же у нас в России нет производства этого устройства в промышленных масштабах?

Ведь у этого агрегата кроме недостатков (высокая материалоемкость, постоянно необходима разность температур(при чем больше разность, тем выше КПД)) есть много достоинств:

1. Первым достоинством использования двигателя Стирлинга является экологичность, она обуславливается тем, что устройство не имеет выхлопа. Как следствие отсутствия выхлопа можно отметить гораздо сниженный уровень его шума по сравнению с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Конструкция двигателя устроена так, что он не имеет каких-либо частей или процессов, которые могут загрязнять окружающую среду. Двигатель не использует (не расходует) рабочее тело. Так же экологичность устройства обуславливается экологичностью топлива. Отмечу, что реализовать практически полное сгорание топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в ДВС (в ДВС топливо (бензин или ДТ) сгорает в цилиндрах не полностью, в то время как в «стирлинге» сжиженый газ или спирт сгорают без остатка.
2. Второе достоинство – в конструкции двигателя отсутствует система высоковольтного зажигания, клапанная система и, соответственно, распределительный вал. Правильно спроектированный и изготовленный с использованием новых технологий двигатель Стирлинга не надо регулировать и настраивать в процессе всего срока эксплуатации, Стирлинг лишен этого недостатка. Кроме того, при запуске двигателя (если его применять в автомобиле) нет таких проблем как: низкий заряд аккумулятора, плохо отрегулированный (засоренный и т.д.) карбюратор, сломанный инжектор и прочее, что имеется при использовании двигателей внутреннего сгорания. Стирлинг не знает такое понятие, как ” заглох двигатель”. Двигатель остановиться в том случае, когда нагрузка превысит расчетную. Что бы запустить вновь, нужно сделать поворот маховика коленчатого вала.
3. Простота конструкции обеспечивает длительность работы двигателя в автономном режиме.
4. Можно использовать разные источники тепла : древесина, солнце, и так далее.
5. Топливо сгорает не внутри объема двигателя, а снаружи, тем самым обеспечивается равномерное горение топлива и полное его дожигание, что позволяет достичь максимума содержащейся в топливе энергии и минимизация выброса токсичных компонентов.
6. Двигатель Стирлинга может использоваться для преобразования солнечной энергии в электрическую.

На мой взгляд, было бы хорошо, если каждый, знал про это великое изобретение и имел возможность использовать его, при условии, что оно производилось бы в промышленных масштабах у нас в стране, и продавалось в магазинах, как например двигатели ДВС. То народ мог бы экономить посредством снижения затрат на электричество. С помощью использования принципов работы двигателя Стирлинга, можно было бы перейти на электрические двигатели для автомобилей. В мире уменьшится количество вредных выбросов в атмосферу, и, как следствие, уменьшится вред, наносимый окружающей среде, а главное, здоровью человека.

В настоящее время этот двигатель нашёл применение в Испании, где в качестве топлива используют солнечную энергию.

Кроме, как универсальный источник энергии, двигатель можно применять в разных областях, например: использовать двигатель как насос для перекачки различных жидкостей; тепловой насос, в холодильной технике; охладитель датчиков в сверхточных приборах; использование в подводных лодках и как аккумулятор энергии.

СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ

Доктор технических наук В. НИСКОВСКИХ (г. Екатеринбург).

В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило — слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме «Филипс» построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.

В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.

Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.

И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.

Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно — сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра — с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но «с обратным знаком» происходит в ветви низкого давления.

Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F =∆ p ( S б — S м ), где ∆ p — разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S б — рабочая площадь большого ротора; S м — рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

Лаборатория гелиотехнических конструкций

Заведующий лабораторией к.т.н. Турсунбаев Ильдар Абдуллаевич.

Лаборатория организована в 1964г. Большой вклад в становление лаборатории внес к.ф.-м.н. В.С.Трухов (1937-2005гг), возглавлявший лабораторию с момента основания по 2005г.

В настоящее время коллектив лаборатории включает 15 сотрудников, в том числе 4 кандидата наук. В лаборатории имеются стенды, для исследования рабочего процесса машин Стирлинга, компьютерное оборудование для проведения теоретических исследований, разработаны программы компьютерного моделирования рабочего процесса машин Стирлинга. В составе лаборатории имеется конструкторское подразделение.

Основным направлением деятельности лаборатории является термодинамическое преобразование солнечной энергии в основном с использованием тепловых машин, работающих по прямому и комбинированному циклу Стирлинга.

Выполнено более 2 десятков проектов двигателей Стирлинга (ДС) в диапазоне мощностей 0,01-25 кВт.

По программе Советско-Индийского научно-технического сотрудничества,принятой правительствами двух стран в 1979г., разработана и испытана автономная солнечная энергетическая установка с двигателем Стирлинга мощностью 1 кВт. В соответствии с Программой двигатель был поставлен в Индию для проведения там испытаний.

Аналогичный двигатель был поставлен в НПО «Астрофизика» (г. Москва) как прототип при разработке модуля ДС мощностью 5 кВт Д-9301 для Кисловодской солнечной электростанции. Это четырехцилиндровый солнечный ДС с приводом типа «косая шайба » мощностью 5кВт.

Разработаны и поставлены Заказчику (ВНИИРТ, Москва) опытные образцы двигателей Стирлинга для радиоизотопных энергоустановок: одноцилиндрового с ромбическим приводным механизмом мощностью 1 кВт; двухцилиндрового вытеснительного типа мощностью 0,5 кВт. Аналогичный двухцилиндровый двигатель вытеснительного типа мощностью 0,5 кВт поставлен в Дурхэмский университет (Англия) в соответствии с договором о сотрудничестве.

С 2002г. выполняется программа сотрудничества с Китаем по разработке двигателей Стирлинга. Два двигателя мощностью 1 кВт поставлены в Университет науки и технологий Китая (г. Hefei).

Лабораторией выполнены и выполняются международные научно-исследовательские программы:

• по гранту INTAS № 1410 «Network: Solar Power and Chemical Energy Technologies and Systems» (1995-1996гг.);
• Европейской комиссии СОР ERNICUS Development of Domestic Power Generation System using Stirling Engines and Combustion Chambers of Natural Gas) (1998-2000гг.);
• Гранту НАТО (SfP.972296) «Development of a 3-kW energetic unit on the basis of a Stirling engine and a combustion chamber for the use in a fossil-biogas fuel/solar — dish/Stirling engine system» (1999-2002 гг .);
• по гранту № 03044203 университета науки и технологий Китая «Разработка экспериментальной энергетической установки на основе двигателя Стирлинга с газовой горелкой» (2003г.).

В лаборатории разработан новый класс машин Стирлинга, а именно гидропоршневые машины Стирлинга (защищено 10 авторскими свидетельствами и патентами), которые могут быть использованы как водоподъемные установки и как активный термодинамический контур в солнечных теплогенерирующих и опреснительных установках. Термодинамический цикл гидропоршневых преобразователей является комбинированным парогазовым циклом и может работать от различных теплоисточников с температурой теплоносителя 70-95 0 С, в том числе от плоских солнечных коллекторов.

Одно из направлений — разработка комбинированных двигателей Стирлинга, которые способны одновременно выполнять функции двигателя и теплового насоса. Разработан проект комбинированного двигателя Стирлинга со следующими параметрами: электрическая мощность – 1 кВт, холодопроизводительность – 2 кВт, тепловая мощность 8 – 10 кВт.

В настоящее время основные направления исследований лаборатории следующие:

Двигатель Стирлинга

Опубликовано: 28 сентября 2012 г.

Очень тесно к современной тенденции использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) примыкает возможность реализации этой энергии в полезных целях с помощью двигателя Стирлинга. Данный двигатель представляет собой одну из вариаций двигателя внешнего сгорания и в силу этой особенности может быть легко переведен на работу от ВИЭ без вреда для экологии.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Это изобретение имеет довольно давнюю историю. Шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал двигатель, который с тех пор носит его имя, еще в 1816 г., однако двигатели аналогичного принципа действия были известны и раньше – с конца XVII в. По сути, Роберт Стирлинг лишь усовершенствовал их, сделав конструкцию более энергоэффективной.

Двигатель Стирлинга – тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело расширяется и сужается в замкнутом объеме вследствие периодического нагревания и охлаждения и совершает работу за счет притока тепловой энергии из внешней среды. Та особенность, что энергия подводится к рабочему телу из внешней среды, создает возможность для работы двигателя Стирлинга не только на энергии, выделяемой при сжигании топлива, но и от любого источника тепла, в том числе от ВИЭ.

Простейший двигатель Стирлинга представляет собой герметичный цилиндр, заполненный газом или жидкостью, внутри которого размещаются вытеснительный и рабочий поршни. Поршень-вытеснитель также имеет форму цилиндра, диаметр которого меньше внутреннего диаметра большего цилиндра настолько, что между их стенками остается небольшой зазор, по которому может перетекать газ или жидкость, заполняющая цилиндр. Рабочий поршень размещается за вытеснительным и толкает маховик, с которым связаны оба поршня по принципу кривошипно-шатунного механизма. Внешний цилиндр двигателя подогревается с одного конца. При этом рабочее тело (газ, жидкость) нагревается практически при постоянном объеме, затем рабочее тело расширяется при постоянной температуре, совершая работу и толкая рабочий поршень. Рабочее тело перемещается поршнем-вытеснителем в холодную зону, где происходит охлаждение при почти постоянном объеме.

Движение рабочего поршня сдвинуто на 90° относительно движения поршня-вытеснителя. В зависимости от знака этого сдвига машина может быть двигателем или тепловым насосом. При нулевом сдвиге машина не производит никакой работы (кроме потерь на трение).

Если физико-химические характеристики рабочего тела и цилиндра подобраны так, что в процессе цикла «расширение-сжатие» материал рабочего тела проходит через фазовый переход, работа двигателя может быть весьма эффективной, но потребует высокого давления внутри цилиндра.
Стирлинг усовершенствовал двигатель за счет введения в него так называемого «эконома» – теплообменника-рекуператора или регенератора, который удерживает тепло в теплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Тем самым рекуператор (регенератор, эконом) повышает производительность двигателя. Рекуператор двигателя Стирлинга может представлять собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа или жидкости). Газ или жидкость рабочего тела, проходя через наполнитель рекуператора в одну сторону, отдает (или приобретает) тепло, а при движении в другую сторону отбирает (или отдает) его.

По термодинамической эффективности идеальный цикл Стирлинга не уступает циклу Карно, состоит из четырех фаз и разделен двумя переходными фазами: нагрев, расширение, переход к источнику холода, охлаждение, сжатие и переход к источнику тепла. При переходе от теплого источника к холодному происходит расширение и сжатие газа, находящегося в цилиндре. При этом изменяется давление, за счет чего можно получить полезную работу. Нагрев и охлаждение рабочего тела (участки 4 и 2) производится рекуператором. В идеале количество тепла, отдаваемое и отбираемое рекуператором, одинаково. Полезная работа производится только за счет изотерм и зависит от разницы температур нагревателя и охладителя.

Рекуператор может быть внешним, а может размещаться на поршне-вытеснителе, что делает габаритные размеры и вес двигателя меньше. Роль рекуператора выполняет также зазор между вытеснителем и стенками цилиндра. При большой длине цилиндра надобность в дополнительном рекуператоре вообще исчезает, но появляются значительные потери на преодоление вязкости рабочего тела.

В зависимости от особенностей конструкции, в том числе от размещения рекуператора, различают несколько типов двигателя Стирлинга.

Типы двигателя Стирлинга

Традиционно выделяют альфа-, бета- и гамма-Стирлинг.

Альфа-Стирлинг содержит два раздельных силовых поршня (горячий и холодный) в раздельных цилиндрах. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объему достаточно велико, но высокая температура «горячего» поршня создает определенные технические проблемы.

В альфа-Стирлинге рекуператор может быть только внешним. Он монтируется последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

Работа бета-Стирлинга описана выше как пример наиболее простого двигателя Стирлинга. Цилиндр всего 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 совмещен с поршнем-вытеснителем.
В конструкцию гамма-Стирлинга входят два цилиндра, а также поршень и «вытеснитель». В холодном цилиндре движется поршень, с которого снимается мощность. Во втором цилиндре, горячем с одного конца и холодным с другого, движется поршень-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.

Существуют и другие разновидности двигателя Стирлинга. Одним из самых интересных современных решений является роторный двигатель Мухина – наиболее компактный в ряду двигателей Стирлинга. Одним из его достоинств является отказ от кривошипно-шатунного механизма.

Преимущества и недостатки

Двигатель Стирлинга в XIX в. создавался и рассматривался как взрывобезопасная альтернатива паровым двигателям. Он действительно безопасен в этом отношении, но это не единственное его преимущество.

Как все двигатели внешнего сгорания, двигатель Стирлинга может работать от любого перепада температур. Это определяет и возможность создания двигателей Стирлинга, совсем не наносящих при работе вреда экологии. Его конструкция проста, значительно проще двигателей внутреннего сгорания, предусматривающих газораспределительные системы для сжигания топлива, системы пуска двигателя и др. Двигатель Стирлинга при работе производит очень мало шума, значительно меньше, чем любые двигатели внутреннего сгорания. Безаварийный ресурс двигателя очень высок, этому способствует простота конструкции и отсутствие «уязвимых» узлов, которые, например, могут засоряться при сжигании топлива (в роторном двигателе Стирлинга, как говорилось выше, отсутствует даже кривошипно-шатунный механизм). Наконец, двигатель Стирлинга характеризуется достаточно высоким КПД.

Несмотря на указанные преимущества, двигатель Стирлинга не получил такого широкого распространения, как например, газо-поршневые или газо-турбинные двигатели внутреннего сгорания. Его недостатки перевешивали до настоящего времени вроде бы очевидные преимущества. Основным из недостатков двигателей Стирлинга считается высокая материалоемкость производства машин необходимой мощности. Рабочее тело двигателя Стирлинга необходимо охлаждать, что приводит к существенному увеличению массы и габаритных размеров установки за счет увеличенных радиаторов. Достижение характеристик двигателя уровня двигателей внутреннего сгорания требует высокого давления (свыше 100 атм) в цилиндре.
Однако в последнее время, когда большое внимание уделяется экологическим характеристикам оборудования, применение двигателей Стирлинга может значительно расшириться, причем в различных сферах.

Применение и перспективы

В настоящее время рядом зарубежных фирм (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых уже сейчас превосходят ДВС и газотурбинные установки. Эти двигатели имеют эффективный КПД (до 45 %), удельную массу от 3,8 до 1,2 кг/кВт, ресурс до 40 тыс. ч и мощность от 3 до 1200 кВт.

С 60-х гг. прошлого века двигатели Стирлинга начали применять на подводных лодках. Пионером на этом направлении выступила Швеция. В настоящее время шведские кораблестроители уже отработали технологию оснащения этими двигателями подводных лодок путем врезания дополнительного отсека, в котором и размещается новая двигательная установка. Двигатели Стирлинга позволяют подводным лодкам находиться под водой без всплытия до 20 суток. Подобные двигатели установлены также в новейших японских подводных лодках.

Одно из важнейших и самых перспективных применений двигателей Стирлинга – выработка электроэнергии. В данном случае большое значение имеет универсальность этих двигателей в отношении источника энергии и возможность работать при перепадах температур в таких диапазонах, где двигатели внутреннего сгорания применяться не могут. В частности, рассматриваются варианты применения двигателей Стирлинга для выработки электроэнергии в космосе. Такой двигатель, работающий на радиоактивных изотопах, разработан в NASA.
Большие надежды возлагаются на использование двигателей Стирлинга для преобразования солнечной энергии в электрическую. В этой установке солнечной электростанции двигатель Стирлинга устанавливается в фокусе параболического зеркала таким образом, чтобы отраженные лучи солнца постоянно фокусировались на зоне нагрева. Параболический отражатель управляется по двум координатам при слежении за солнцем. Зеркала отражают около 92 % падающего на них солнечного излучения. В качестве рабочего тела для таких двигателей Стирлинга используется водород или гелий. Эффективность выработки электроэнергии на этих установках (Sandia) достигает 31,25 %.

Компания Stirling Solar Energy строит в Калифорнии крупнейшую в мире солнечную электростанцию, представляющую собой батарею из параболических солнечных установок, оснащенных двигателями Стирлинга. Выпускаются также и небольшие солнечные электростанции с двигателями Стирлинга, которыми могут пользоваться даже туристы. Фирмой Alisson разработан и построен космический вариант солнечной установки с двигателем Стирлинга мощностью 5 кВт (КПД 37,5 %). В качестве источника теплоты используется параболический лепестковый концентратор диаметром 5,8 м, создающий в приемнике температуру 947 К. В ловушке приемника излучения устанавливается тепловой аккумулятор, отдающий тепло фазового превращения при постоянной температуре на теневых участках орбиты полета. Такая установка долгое время работала на одном из искусственных спутников Земли типа Gemini. В России РКК «Энергия», РНЦ им. Келдыша разрабатывали солнечную энергетическую установку для МКС «Альфа» на основе ДС мощностью 10 кВт и 36-лепесткового солнечного концентратора диаметром 10 м. Двигатель Стирлинга был создан и испытан на одном из предприятий Санкт-Петербурга в 2001 г.

Просматриваются интересные перспективы применения двигателя Стирлинга в тепловых насосах. Обычно в состав теплонасосной установки включается циркуляционный насос, который перекачивает теплоноситель по контуру, имеющему значительную протяженность. Агрегат, совмещающий двигатель Стирлинга и тепловой насос Стирлинга («стирлинг-стирлинг»), может изменить ситуацию. Двигатель Стирлинга отдает в систему отопления бросовое тепло от «холодного» цилиндра, а полученная механическая энергия используется для подкачки дополнительного тепла, которое забирается из окружающей среды. В теплонасосе «стирлинг-стирлинг» совершенно отсутствуют рабочие поршни. Перепады давления, возникающие в двигателе, применяются непосредственно для перекачки тепла тепловым насосом. Внутреннее пространство агрегата герметично и позволяет использовать рабочее тело под очень высоким давлением. Согласно проведенным расчетам тепловой насос «стирлинг-стирлинг» в идеале должен на каждую калорию сожженного газа добавлять еще 3–10 кал из ВИЭ. При испытаниях эта величина оказалась меньше, и пока опыты по использованию таких устройств прекращены.

Поскольку двигатели Стирлинга могут применяться для превращения в электроэнергию любого вида теплоты, для России значительный интерес представляет возможность серийного производства электрогенераторов средней мощности (от 3 до 500 кВт) с двигателями Стирлинга, работающими на местных видах топлив, в том числе и на биомассе. В данном случае в качестве местного топлива могут использоваться торф, уголь, сланцы, отходы сельского хозяйства и лесоперерабатывающей промышленности и др.

В настоящее время рядом компаний (Philips, STM Inc., Daimler Benz, Solo, United Stirling) начато производство двигателей Стирлинга, технические характеристики которых превосходят двигатели внутреннего сгорания и газотурбинные установки. Эти двигатели характеризуются КПД до 45 %, удельной массой от 3,8 до 1,2 кг/кВт, рабочим ресурсом до 40 тыс. ч и мощностью от 3 до 1200 кВт.

Двигатель Стирлинга и огурцы

За свои достижения они получили путевки на российский научный семинар-школу «Академия юных». Она проходила в курортном городе Гагры в рамках национальной научно- исследовательской подготовки «Научные.

Челябинские школьники удивили своими изобретениями

За свои достижения они получили путевки на российский научный семинар-школу «Академия юных». Она проходила в курортном городе Гагры в рамках национальной научно- исследовательской подготовки «Научные кадры будущего».

Открытие священника

Что такое ДВС — двигатель внутреннего сгорания — знает хоть в малейшей степени каждый. Понятно, как говорится, и ежу, что его принцип действия основан на термодинамическом цикле Карно. Но ДВС — ДВСу рознь! Есть еще двигатель внешнего сгорания, где в рабочем цилиндре ничего не горит — не взрывается, а тепло к герметически запакованному в нем рабочему телу (чаще всего это газ либо обыкновенная вода) подается извне! Он действует по термодинамическому циклу совершенно иному от привычного всем цикла Карно.

Что любопытно, совершенно безразлично в этом процессе — каков источник тепла: ядерная реакция, кусок сгоревшего угля, куча утилизируемого мусора, брикет сухого кизяка и даже… тепло руки человека! Любая, даже самая крошечная разница температур — способна стать источником для работы ДВС — «Двигателя великого Стирлинга», так для себя я расшифровал эту аббревиатуру. Все гениальное просто, хотя простота эта требует колоссального напряжения ума и интуиции первооткрывателя. Еще и везение не помешает! Вот вам и опальный священник из Шотландии, Роберт Стирлинг, расстрига, совершивший технологическую революцию (английский патент № 4081 от 27 сентября 1816 года), открывший принципиально иной тип ДВС.

Герой этих строк, челябинский школьник из политехнического (девятиклассник — теперь он в десятом) лицея № 97 Иван Постников, как раз и удивил столичную академическую профессуру действующими моделями двигателей Стирлинга своей собственной конструкции. Причем не просто удивил, вот, мол, какой «Левша» с Урала в столицу прибыл, но и общался по части ДВС с корифеями двигателестроения вполне на равных!

— Двигатель Стирлинга работает весьма эффективно, с высоким КПД при любых разницах температур, — говорит Иван Постников. — В природе можно использовать естественные перепады температур: земля — воздух, вода — воздух, может быть, даже далекие небесные светила будут использоваться как источник энергии для работы двигателя Стирлинга.

По законам термодинамики

В далеком космосе экологически абсолютно безопасные двигатели Стирлинга конкурентов не имеют вовсе! Бесшумные, с высоким КПД, особых источников тепла не требующие, к качеству и типу горючего безразличные, единственное условие — некоторый перепад температур, иначе законы термодинамики не позволят получать энергию из «ничего». Кстати, в Интернете прошла информация, что под­водные лодки стран Скандинавии уже снабжены бесшумными двигательными силовыми и подобными установкам по принципу их работы в термодинамическом цикле Стирлинга. Похожие субмарины на бесшумных двигателях Стирлинга уже есть в составе ВМС США, Великобритании, Кореи, Китая… На флоте же России субмарин с подобным двигателем, черпающим энергию для движения из разницы температур между глубинными слоями мирового океана, нет ни одной!

Про сверхактуальную работу Ивана можно сказать еще следующее: за короткое время он изготовил две действующие модели двигателей Стирлинга различных типов — бета и гамма типов. Первый при разнице температур в 180 градусов выдавал мощность в четыре Ватта при КПД в шесть процентов, а второй получился более удачным. Гамма — тип двигателя на разнице температур 60 градусов работал с мощностью в 24 ватта при КПД около двадцати процентов. Лиха беда — начало! Еще одна деталь — поиски школьника в области ДВС Стирлинга имеют прямой выход на конструкцию тепловых насосов, можно сказать, что они «близнецы-братья» с точки зрения законов термодинамики! А тепловые насосы качают энергию из окружающего пространства идеальнейшим образом без малейшей нагрузки на экологию и вдобавок из естественных возобновляемых самой матушкой- природой источников.

Еще один нюанс, двигатели Стирлинга, которые работают в паре с обычным ДВС либо электродвигателем, могут достигать совершенно невероятного уровня их КПД, например в городском транспорте, и все это без какой-либо дополнительной нагрузки на окружающую среду. Фактически получается, что челябинский школьник в одиночку совершает исследования и изобретения уровня солидного НИИ! Его научный руководитель — преподаватель физики высшей категории политехнического лицея № 97 Дина Михайловна Михайлова. Честь ей и хвала за такого ученика, поразившего московскую профессуру! Все награды Ивана Постникова перечислить просто невозможно, главное, что он занял прочное место в лидерах России среди изобретателей в рамках международных и региональных форумов «Шаг в будущее». Кроме того, он еще и кандидат в мастера спорта по шахматам и не только, еще и по хоккею, играет в числе второй пятерки молодежной сборной команды «Сигнал». Короче говоря, никакой он не «ботаник».

Глобус за гидропонику

Другой мой собеседник школьник-изобретатель Роман Тестов, закончивший девятый класс гимназии № 23 имени Луценко в Челябинске, завоевал международный Гран-при «Хрустальный Глобус» за научно-исследовательскую работу «Методы беспочвенного выращивания растений. Гидропоника». Почвы для выращивания в разработке Романа не требуется вовсе, специально подобранный химический раствор снабжает растения всем необходимым.

Огурцы, а именно их выбрал юный изобретатель для своего многолетнего эксперимента, в его квартире — лаборатории побивают все рекорды. Как в скорости роста, так и в урожайности. Но может возникнуть закономерный вопрос: неужто в России земельки стало так мало и уже необходимо всем нам задумываться уже о выращивании высоких урожаев без самой малейшей толики природной землицы!? Роман, получивший вполне впечатляющие ответы на эти вопросы в ходе многолетних экспериментов на огурцах у себя дома, стал своего рода Мичуриным семейного масштаба.

Теперь еще и «Хрустальный Глобус» за эти многолетние разработки, как знак международного признания находок в науке самородка из Челябинска. Сама установка Романа до
изумления проста, а значит, надежна. Для примера несколько цифр, в одних и тех же световых и температурных условиях почвенные традиционные семена огурцов на шестой день после высева давали ростки в шесть сантиметров, а опытные гидропонные аж до 25 сантиметров!

Но не следует думать, что все эти «научные огурцы» шли прямым ходом на семейный стол. Ничуть не бывало! Каждый огурчик с домашней гидропоннной «грядки» шел не в тарелки, а на священный алтарь науки. Роман их высушивал и проводил многие другие биотехнологические манипуляции, чтобы точно определить сухую массу своего урожая, его влагонасыщенность и в конечном итоге полезность такого огурца — спринтера, выросшего безо всякой почвы.

Эти исследования весьма перспективны не только для космических полетов, где без помощи гидропоники никак не обойтись. Они необходимы каждому, кто собрался завести круглогодичный огородик у себя на кухне.