Zrakoplovstvo vlč. Stirlinga: Prema sedmom nebu

Motor Stirling može biti savršen ukras vašeg stola

Dovoljno je upaliti lampicu, a ona se gotovo tiho, laganim šuštanjem, vrti do radnih okretaja

Mladog pastora odlikovao je izvanredan inženjerski talent. Dok je studirao na sveučilištu, Robert je radio na alternativi parnim strojem. Legenda kaže da mu je cilj bio smanjiti rizik za radnike: parni strojevi su često eksplodirali zbog dijelova loše kvalitete. Tjedan dana nakon što je imenovan u Kilmarnock, Robert je podnio prijavu za patent „Uređaj za uštedu topline“. Stirling je postao poznatiji kao srce stroja.

Iako je snaga pare poznata više od stotinu godina, teorija toplinskih motora bila je u povojima. Tek 1824. Sadi Carnot objavio je svoje poznato djelo „Razmišljanje o pokretačkoj snazi ​​vatre i na strojevima sposobnim razvijati tu silu“, gdje je donio dva važna zaključka: prvo, pokretačka sila strojeva ne proizlazi iz apsorbirane topline, već iz pumpe iz vrućeg tijela na hladnoću, a kao drugo, snaga strojeva raste s razlikom temperature između vrućeg i hladnog tijela. Ovi zaključci u obliku drugog zakona termodinamike imali su ogroman utjecaj na dizajn toplinskih motora.

Ali 1818. godine, kada je zajedno s prijateljem Thomasom Mortonom i mlađim bratom Jamesom Stirlingom izgradio prvi stroj koji bez ikakve pare (sa zrakom kao radnom tekućinom) crpi vodu iz kamenoloma, Carnotov rad još nije postojao. Ipak, Stirling je potpuno intuitivno izgradio motor s gotovo najvišom mogućom termodinamičkom učinkovitošću! Za razliku od Carnotovog ciklusa, radni ciklus Stirlingovog stroja sastoji se od dvije izoterme (linije stalne temperature) i dvije izohore (vodovi s konstantnim volumenom). U koordinatama TS (temperatura-entropija) ne izgleda sve pravokutno. Onda kako je moguće postići teorijsku maksimalnu učinkovitost? Stvar je u vrlo patentiranom "uređaju za uštedu topline" ili, kako se uobičajeno naziva u suvremenoj tehnologiji, regeneratora.

Stroj Stirling je motor s vanjskim sagorijevanjem, nema ventile, a radna tekućina ostaje plinovita i cirkulira u zatvorenom volumenu. Može raditi na vrlo maloj temperaturnoj razlici iz bilo kojeg izvora topline - od plinskih plamenika do solarnih koncentratora, pa čak i topline ruku (ovo potonje vole nastavnici fizike tijekom predavanja o termodinamici). Dizajn strojeva je jednostavan, plin je unutra pod niskim tlakom, pa su sigurniji od parnih motora. Na niskim temperaturama Stirlingov motor je još učinkovitiji (za razliku od ICE-a, motor s unutarnjim izgaranjem). I gotovo je tiha, što može biti kritično u nekim slučajevima (na primjer, kada se podmornice kreću pod vodom).

Ovi motori također imaju nedostatke. Prvo, čak i uz dovoljno veliku teorijsku i praktičnu učinkovitost za ostvarivanje velike snage, motor mora oduzeti veliku količinu topline, a to dovodi do povećanja veličine i pojave glomaznih radijatora za hlađenje. Za povećanje snage potrebno je povećati temperaturnu razliku i tlak radnog fluida, a to komplicira dizajn. Za razliku od ICE-a, on se ne može „pokrenuti“ odmah - da bi počeo s radom, treba postići dovoljnu temperaturnu razliku između vrućih i hladnih dijelova. Međutim, to je tipično za sve vrste motora s vanjskim sagorijevanjem, a "miješanje" počinje još puno brže od recimo parnog motora. Snagu radnog Stirlingovog motora vrlo je teško brzo promijeniti, osim dodavanjem radnog fluida (takva rješenja postoje, ali dovode do komplikacija u dizajnu). Usput, zrak je daleko od najučinkovitijeg radnog fluida. Vodik je, zbog svoje visoke toplinske vodljivosti, toplinskog kapaciteta i niske viskoznosti, mnogo učinkovitiji, ali ima tendenciju prodiranja kroz brtve i zapaljiv je (helij se također često koristi kao radni medij).

Dakle, ako ne trebamo često pokretati i zaustavljati stroj, kao i mijenjati njegovu snagu, a istovremeno imamo izvor topline, dobro hlađenje i neograničene veličine - jedva da postoji nešto prikladnije od Stirlingovog motora.

Tijekom života izumitelja, motor se nije previše uspješno natjecao s parnim strojevima. Jedan od motora s pedeset konjskih snaga s efikasnošću od oko 10% (što je veći od snage parnih motora), kojeg su izgradili Robert i njegov mlađi brat James, radio je nekoliko godina u ljevaonici u Dundeeu sredinom 1840-ih. Tada se vrući cilindar rasprsnuo: tada nije bilo čelika otpornih na toplinu, pa je stvaranje pouzdanih i izdržljivih dijelova strojeva od mekog željeza bilo problematično. Međutim, isto se odnosi i na parne strojeve. Možda je to razlog zašto je Robert Stirling u jednom od svojih pisama 1876. godine naglasio važnost izuma Henryja Bessemera - postupka koji je omogućio dobivanje ne mekog željeza, već čvrstog i čvrstog čelika, što parne motore čini mnogo sigurnijim. Stirling je izrazio nadu da će čelik dati novi život svojim "automobilima u zraku". Ali više nije imao vremena to vidjeti - 6. lipnja 1878. izumitelj je umro u škotskom gradu Galstonu u Istočnom Ayrshireu.

Početkom 20. stoljeća na scenu su izašli motori s unutarnjim izgaranjem, a Stirlingovi strojevi, čini se, zauvijek su ostali u povijesti. Međutim, 1950-ih ponovno se pojavio interes zbog nizozemske tvrtke Philips koja je stvorila učinkovit kriogeni stroj zasnovan na Stirlingovom dizajnu (Stirlingov motor može raditi kao toplinska pumpa, pretvarajući mehanički rad i prenoseći toplinu s jednog tijela na drugo). Sada i Stirlingove motore i rashladnike, implementirane na modernoj razini, proizvode mnoge velike tvrtke. Omogućuju vam upotrebu bilo kojeg goriva (i bilo kojeg izvora topline općenito), a učinkovitiji su (učinkovitost može doseći gotovo 40-45%) i mnogo su ekološki prihvatljiviji, tihi i pouzdaniji od ICE-a.

Članak je objavljen u časopisu Popular Mechanics (br. 3, ožujak 2007).

Preporučeno

Uradi sam mlazni motor
2019
Nazvana najkorisnijom ribom za ljude
2019
Ministarstvo obrane pokazalo rad "Gorynych zmija"
2019