Stirling Engine là gì? Công cụ Stirling hoạt động như thế nào?

Động cơ Stirling là gì? Động cơ Stirling hoạt động như thế nào? Động cơ Stirling được phát hiện như thế nào? Nó được sử dụng trong những lĩnh vực nào? Nhiệt năng được biến đổi thành năng lượng chuyển động như thế nào? Thông tin chi tiết về động cơ Stirling có trong bài viết của chúng tôi.

Stirling Engine là gì?

Động cơ Stirling là một máy biến năng lượng được tạo ra bởi sự đốt nóng bên ngoài của một buồng kín thành năng lượng cơ học. Còn được gọi là động cơ không khí nóng. Khi không khí được làm nóng nở ra và nén lại, động cơ bắt đầu chuyển động. Nó được phát minh vào năm 1816 bởi linh mục người Scotland, Mục sư Robert Stirling. Động cơ được phát triển bởi anh trai của ông, James Stirling. Vào thời của các nhà phát minh, máy chạy bằng hơi nước đã được sử dụng và chúng khá nguy hiểm. Họ bắt đầu tìm kiếm một giải pháp thay thế đáng tin cậy hơn. Những gì họ muốn là chuyển đổi năng lượng nhiệt trực tiếp thành năng lượng chuyển động.

Có gì trong Stirling Engine?

• Piston công suất (bộ dịch chuyển): Nó làm nhiệm vụ di chuyển khí trong buồng kín. Nó thường được sử dụng trong các động cơ loại beta và loại alpha.
• Pít tông: Nó giúp chuyển hóa nhiệt năng thành cơ năng bằng cách chuyển động trong các xi lanh trong động cơ.
• Bánh đà: Nó là cấu trúc mà các piston được gắn vào. Nhiệm vụ của cơ cấu này là truyền cơ năng sinh ra cho các bộ phận chuyển động.
• Máy làm mát: Nó giúp làm mát khí trong buồng kín. Nó giúp động cơ sử dụng được lâu hơn.
• Máy sưởi: Nó là bộ phận quan trọng nhất của động cơ. Nó được sử dụng để đốt nóng khí trong buồng kín để chuyển nhiệt năng thành năng lượng chuyển động.

Ngoài ra, trong một số loại động cơ, nó có thể được sử dụng trong các thành phần khác ngoài những loại này. Điều này hoàn toàn do các nhà phát triển quyết định.

Nguyên lý làm việc của động cơ Stirling

Động cơ Stirling hoạt động bằng cách làm nóng và làm mát lặp lại một lượng khí làm việc cách nhiệt (thường là không khí hoặc các khí như heli, hydro).

Khí thể hiện hành vi được xác định bởi các định luật khí (liên quan đến áp suất, nhiệt độ và thể tích). Khi chất khí bị đốt nóng, vì nó ở trong không gian cách nhiệt, áp suất của nó tăng lên và ảnh hưởng đến pít-tông công suất, tạo ra hành trình công suất. Khi khí được làm mát, áp suất giảm và kết quả là piston sử dụng một phần công được thực hiện trên hành trình hồi lưu của nó để nén khí lại. Công của lưới tạo ra lực trên trục chính. Khí làm việc luân chuyển định kỳ giữa các bộ trao đổi nhiệt nóng và lạnh. Khí làm việc được làm kín trong các xi lanh piston. Vì vậy, không có khí thải ở đây. Không giống như các loại động cơ piston khác, van không cần thiết.

Một số động cơ Stirling sử dụng một piston chia nhỏ để di chuyển khí làm việc qua lại giữa các bình lạnh và bình nóng. Khí làm việc di chuyển bằng cách giữ cho các xi lanh ở các nhiệt độ khác nhau, nhờ vào sự liên kết của các pít tông điện của nhiều xi lanh.

Trong động cơ Stirling thực, một bộ tái sinh được đặt giữa các thùng. Nhiệt này được truyền từ bộ tái sinh khi chu trình khí xảy ra giữa bên nóng và bên lạnh. Trong một số thiết kế, piston phân tách chính là bộ tái sinh. Bộ tái sinh này góp phần vào hiệu quả của chu trình Stirling. Cấu trúc được gọi ở đây là bộ tái sinh thực sự là một cấu trúc vững chắc sẽ không ngăn cản một số không khí đi qua nó. Ví dụ, bi thép có thể được sử dụng cho công việc này. Khi không khí di chuyển giữa phòng lạnh và phòng ấm, nó sẽ đi qua bộ tái sinh này. Trước khi không khí nóng đến phần lạnh, nó để lại một số nhiệt năng trên những quả bóng này. Khi không khí lạnh đi sang phía nóng, nó nóng lên một chút với nhiệt năng đã tỏa ra trước đó. Nói cách khác, nó làm tăng hiệu suất của động cơ bằng cách làm nóng sơ bộ không khí trước khi vào phần nóng và làm mát sơ bộ trước khi vào phần lạnh.

Một chu trình động cơ Stirling lý tưởng có cùng hiệu suất lý thuyết với động cơ nhiệt Carnot cho cùng nhiệt độ đầu vào và đầu ra. Hiệu suất nhiệt động của nó cao hơn động cơ hơi nước. (hoặc một số động cơ đốt trong và động cơ diesel đơn giản)

Bất kỳ nguồn nhiệt nào cũng có thể cung cấp năng lượng cho động cơ Stirling. Động cơ đốt ngoài, đốt trong cách diễn đạt thường bị hiểu nhầm. Nguồn nhiệt có thể được tạo ra bằng cách đốt cháy, nhưng cũng có thể là năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt hoặc năng lượng hạt nhân. Tương tự như vậy, nguồn lạnh được sử dụng để tạo ra sự chênh lệch nhiệt độ có thể là các vật liệu khác nhau dưới nhiệt độ môi trường. Việc làm mát có thể đạt được khi sử dụng nước lạnh hoặc chất làm lạnh. Tuy nhiên, do chênh lệch nhiệt độ thu được từ nguồn lạnh sẽ thấp nên yêu cầu phải làm việc với khối lượng lớn hơn, và tổn thất điện năng xảy ra trong quá trình bơm sẽ làm giảm hiệu suất của chu trình đốt cháy sản phẩm không tiếp xúc với các bộ phận bên trong của động cơ. Tuổi thọ dầu bôi trơn trong động cơ Stirling dài hơn động cơ đốt trong.

Các loại động cơ Stirling

Có 3 loại động cơ stirling chính. Các loại động cơ khác là phiên bản cải tiến của 3 động cơ.

• Động cơ stirling loại alpha:

Nó bao gồm hai piston, một bánh đà, một buồng khí kín với các piston, bộ trao đổi nhiệt, bộ tạo nhiệt và một bánh đà. Nó nhằm mục đích kích hoạt khí trong nó bằng cách đốt nóng khu vực của piston được đặt ở trên cùng với một nguồn nhiệt. Khí nóng bắt đầu đẩy piston qua lại, piston được kết nối khác bắt đầu chuyển động, do đó, khí nóng và lạnh được dịch chuyển trong buồng. Năng lượng tạo ra được truyền với sự trợ giúp của bánh đà mà hai piston này được kết nối với nhau.

• Công cụ stirling loại beta:

Có 2 piston trên cùng một trục. Hai piston này được kết nối với nhau. Bằng cách làm nóng buồng với piston ở dưới cùng, khí trong buồng kín được làm nóng và kích hoạt. Bằng cách này, piston bắt đầu chuyển động đi lên của nó. Piston được kết nối khác cũng giúp gas lạnh di chuyển trong buồng. Bánh đà, nơi gắn các piston, truyền năng lượng được tạo ra.

• Công cụ pha trộn loại gamma:

Có hai piston riêng biệt. Buồng có piston lớn hơn được đốt nóng và khí trong đó được kích hoạt. Bằng cách này, các piston được kết nối với nhau bằng bánh đà bắt đầu chuyển động.

Ưu điểm của động cơ Stirling

• Vì nhiệt được áp dụng bên ngoài, chúng tôi có thể kiểm soát chính xác hỗn hợp nhiên liệu và không khí.
• Do sử dụng nguồn nhiệt liên tục để cung cấp nhiệt nên lượng nhiên liệu chưa cháy hết là rất ít.
• Loại động cơ này cần ít bảo dưỡng và bôi trơn hơn các loại động cơ ở mức công suất của chúng.
• Chúng có cấu tạo khá đơn giản so với động cơ đốt trong.
• Chúng có thể hoạt động ngay cả ở áp suất thấp, chúng an toàn hơn so với máy sử dụng nguồn hơi nước.
• Áp suất thấp cho phép sử dụng xi lanh nhẹ hơn và bền hơn.

Nhược điểm của động cơ Stirling

• Chi phí cao về tiết kiệm nhiên liệu, vì cần phải có nhiệt lượng cần thiết trong lần khởi động đầu tiên của động cơ.
• Khá khó để đưa sức mạnh của anh ta lên một cấp độ khác.
• Một số động cơ stirling không thể khởi động nhanh chóng. Chúng cần đủ ấm.
• Nói chung, khí hydro được sử dụng trong một buồng kín. Tuy nhiên, khi các phân tử của khí này khá nhỏ, rất khó để giữ nó trong buồng. Do đó, chúng tôi phải đối mặt với chi phí bổ sung.
• Bộ phận làm mát phải hấp thụ đủ nhiệt. Nếu thất thoát nhiệt quá nhiều sẽ làm giảm hiệu suất của động cơ.

Lĩnh vực ứng dụng động cơ Stirling

Động cơ Stirling được sử dụng trong động cơ hàng không công suất thấp, động cơ hàng hải, máy bơm nhiệt, hệ thống nhiệt và năng lượng kết hợp. Ngày nay, nó chủ yếu được sử dụng để tạo ra điện trong các lĩnh vực bảng điều khiển năng lượng mặt trời.