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.

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:

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

Arabic Bulgarian Chinese Croatian Czech Danish Dutch English Estonian Finnish French German Greek Hebrew Hindi Hungarian Icelandic Indonesian Italian Japanese Korean Latvian Lithuanian Malagasy Norwegian Persian Polish Portuguese Romanian Russian Serbian Slovak Slovenian Spanish Swedish Thai Turkish Vietnamese

definition - СТИРЛИНГ РОБЕРТ

Стирлинг, Роберт

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

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 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 2010 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 железа, из которого они изготавливались. Более прочного материала в те годы не существовало. Стирлинг решил усовершенствовать конструкцию воздушного двигателя в надежде на то, что такой двигатель будет 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. В 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.

Двигатель Стирлинга может стать прекрасным украшением письменного стола

Достаточно зажечь спиртовку, и он почти бесшумно, с легким шелестом, раскручивается до рабочих оборотов

Молодой пастор отличался незаурядным инженерным талантом. Во время учебы в университете Роберт работал над альтернативой паровой машине. Легенда гласит, что его целью было уменьшить риск для рабочих: паровые машины часто взрывались из-за низкого качества деталей. Через неделю после назначения в Килмарнок Роберт подал заявку на получение патента на «Устройство для экономии тепла». Именно оно послужило сердцем машины, прославившей имя Стирлинга.

Хотя сила пара была известна уже более ста лет, теория тепловых машин находилась в зачаточном состоянии. Лишь в 1824 году Сади Карно опубликовал свой знаменитый труд «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», где сделал два важных вывода: во‑первых, движущая сила машин возникает не из поглощенного тепла, а из перекачанного от горячего тела к холодному, а во-вторых, мощность машин растет с увеличением разницы температуры между горячим и холодным телами. Эти выводы в форме второго начала термодинамики оказали огромное влияние на конструкцию тепловых машин.

Но в 1818 году, когда вместе со своим другом Томасом Мортоном и младшим братом Джеймсом Стирлинг построил для откачки воды из каменоломни первую машину, работающую без пара (с воздухом в качестве рабочего тела), работ Карно еще не существовало. Тем не менее Стирлинг совершенно интуитивно построил двигатель фактически с максимально возможной термодинамической эффективностью! В отличие от цикла Карно, рабочий цикл машины Стирлинга состоит из двух изотерм (линий постоянной температуры) и двух изохор (линий постоянного объема). В координатах T-S (температура-энтропия) он выглядит вовсе не прямоугольным. Тогда каким же образом удается достичь теоретического максимума эффективности? Все дело в том самом запатентованном «Устройстве для экономии тепла», или, как его принято называть в современной технике, регенераторе.

Машина Стирлинга — это двигатель внешнего сгорания, в нем нет клапанов, а рабочее тело остается газообразным и циркулирует в замкнутом объеме. Он может работать при очень малой разнице температур от любого источника тепла — от газовых горелок до солнечных концентраторов и даже тепла рук (последнее любят демонстрировать преподаватели физики во время лекций по термодинамике). Конструкция машин проста, газ находится внутри под невысоким давлением, поэтому они более безопасны, чем паровые машины. При низких температурах двигатель Стирлинга даже более эффективен (в отличие от ДВС, двигателя внутреннего сгорания). И он почти бесшумен, что может быть критично в некоторых случаях (например, при движении субмарин в подводном состоянии).

Есть у этих двигателей и недостатки. Во‑первых, даже при достаточно большом теоретическом и практическом КПД для реализации большой мощности двигатель должен рассеивать большое количество тепла, а это приводит к увеличению размеров и появлению громоздких радиаторов охлаждения. Для увеличения мощности приходится увеличивать разницу температур и давление рабочего тела, а это усложняет конструкцию. В отличие от ДВС, он не может «стартовать» сразу — для начала работы ему необходимо достичь достаточной разницы температур между горячей и холодной частями. Впрочем, это характерно для всех типов двигателей внешнего сгорания, а «стирлинг» стартует все же гораздо быстрее, чем, скажем, паровая машина. Мощность работающего двигателя Стирлинга весьма непросто оперативно изменить, разве что добавлением рабочего тела (такие решения существуют, но приводят к усложнению конструкции). Кстати, воздух далеко не самое эффективное рабочее тело. Водород благодаря своей высокой теплопроводности, теплоемкости и низкой вязкости гораздо более эффективен, но он имеет тенденцию просачиваться сквозь уплотнители и к тому же огнеопасен (также довольно часто в качестве рабочего тела используют гелий).

Таким образом, если нам не нужно часто запускать и останавливать машину, а также менять ее мощность и при этом у нас есть источник тепла, хорошее охлаждение и неограниченный размер — вряд ли существует что-то более подходящее, чем двигатель Стирлинга.

При жизни изобретателя двигатель не слишком успешно пытался конкурировать с паровыми машинами. Один из двигателей мощностью в полсотни лошадиных сил с КПД около 10% (что превышало аналогичный показатель паровых машин), построенный Робертом и его младшим братом Джеймсом, несколько лет проработал в литейном цехе в Данди в середине 1840-х. Затем горячий цилиндр лопнул: тогда не существовало жаропрочных сталей, поэтому создать надежные и долговечные детали машин из мягкого железа было проблематично. Впрочем, то же самое относилось и к паровым машинам. Возможно, поэтому Роберт Стирлинг в одном из своих писем 1876 года особо отмечал важность изобретения Генри Бессемера — процесса, который позволял получать не мягкое железо, а твердую и прочную сталь, делающую паровые машины значительно более безопасными. Стирлинг выражал надежду, что сталь даст новую жизнь и его «машинам на воздухе». Но увидеть этого он уже не успел — 6 июня 1878 года изобретатель умер в шотландском городке Галстон в Восточном Айршире.

В начале XX века на сцену вышли двигатели внутреннего сгорания, и машины Стирлинга, казалось бы, навсегда остались в истории. Однако в 1950-х к ним вновь возник интерес благодаря голландской компании Philips, создавшей на базе конструкции Стирлинга эффективную криогенную машину (двигатель Стирлинга может работать как тепловой насос, преобразовывая механическую работу и перекачивая тепло от одного тела к другому). Сейчас и двигатели, и холодильные машины Стирлинга, реализованные на современном уровне, выпускаются многими крупными компаниями. Они позволяют использовать любое топливо (и вообще любые источники тепла) и при этом более эффективны (КПД может достигать почти 40−45%) и значительно более экологичны, тихи и надежны, чем ДВС.