Pour commencer, le nom de famille Stirling est assez courant en Angleterre et en Écosse. Autrement dit, s'il y a le château de Stirling, alors pourquoi pas "M. Stirling" ? Et une telle personne - le prêtre écossais Robert Stirling, le 27 septembre 1816, a reçu un brevet britannique pour un moteur qui n'avait rien à voir avec un moteur à vapeur ! De plus, le moteur qui porte son nom s'est avéré être unique, car il pouvait fonctionner à partir de n'importe quelle source de chaleur !
Robert Stirling.
En 1843, son fils James Stirling utilise le moteur de son père dans une usine où il travaille comme ingénieur. Eh bien, déjà en 1938, des stiirlings d'une capacité allant jusqu'à 200 ch ont été créés. et une efficacité de 30 pour cent.
Le principe de fonctionnement de ce moteur est d'alterner le chauffage et le refroidissement du fluide de travail dans un cylindre complètement fermé. Habituellement, le milieu de travail est l'air, mais l'hydrogène et l'hélium, ainsi que les fréons, le dioxyde d'azote, le propane-butane liquéfié et même l'eau peuvent être utilisés. De plus, il reste liquide tout au long du cycle thermodynamique. C'est-à-dire que la conception du moteur est extrêmement simple et utilise la propriété bien connue des gaz: leur volume augmente en chauffant et en refroidissant, il diminue.
L'un des nombreux livres sterling faits maison.
Le moteur Stirling utilise… le "cycle de Stirling", qui, en termes de rendement thermodynamique, non seulement n'est pas pire que le cycle de Carnot, mais présente même certains avantages. Dans tous les cas, c'est le "cycle de Stirling" qui vous permet d'obtenir un moteur fonctionnel fabriqué à partir d'une boîte de conserve ordinaire en quelques heures seulement.
Appareil bêta Stirling.
Le « cycle de Stirling » lui-même comprend quatre phases principales et deux phases de transition: chauffage, détente, transition vers une source froide, refroidissement, compression et transition vers une source de chaleur. Eh bien, nous obtenons un travail utile dans le processus d'expansion du volume de gaz chauffé.
La phase 1.
Phase 2.
Étape 3.
Étape 4.
Le cycle de travail du moteur Stirling de type bêta: a - piston de déplacement; b - piston de travail; c - volant d'inertie; d - feu (zone de chauffage); e - ailettes de refroidissement (zone de refroidissement).
Cela fonctionne comme ceci: il y a deux cylindres et deux pistons. Une source de chaleur externe - et il peut s'agir même de la combustion de bois, même d'un brûleur à gaz, même du soleil - augmente la température du gaz dans la partie inférieure du cylindre d'échange de chaleur. La pression apparaît et elle pousse le piston de travail vers le haut, et le piston de déplacement ne s'adapte pas étroitement contre les parois du cylindre. De plus, le volant d'inertie, en défilant, le pousse vers le bas.
Schéma Stirling d'une boîte de conserve.
Dans ce cas, l'air chaud du fond du cylindre pénètre dans la chambre de refroidissement. Dans la chambre de travail, cependant, il se refroidit et se contracte, puis le piston de travail se précipite. Le piston de déplacement se déplace vers le haut, et ainsi l'air refroidi se déplace vers le bas. Le cycle se répète ainsi. Dans le Stirling, le mouvement du piston de travail est décalé de 90 ° par rapport au piston de déplacement.
Photo d'un Stirling dans une boîte de conserve.
Au fil du temps, de nombreux modèles différents de "stylisme" sont apparus, nommés d'après les lettres de l'alphabet grec: alpha, bêta, gamma, qui ont des différences dans le cycle d'utilisation. Les différences fondamentales entre eux sont minimes et se résument à la disposition des cylindres et à la taille des pistons.
Moteur Stirling avec alternateur linéaire.
Alpha Stirling a deux pistons de puissance séparés dans des cylindres différents: chaud et froid. Le cylindre avec le piston chaud est situé dans l'échangeur de chaleur, qui a une température plus élevée, et le cylindre avec le piston froid, respectivement, dans le plus froid. Le régénérateur (c'est-à-dire l'échangeur de chaleur) est situé entre la partie chaude et la partie froide.
Beta Stirling n'a qu'un seul cylindre, chaud d'un côté et froid de l'autre. Le piston se déplace à l'intérieur du cylindre (dont la puissance est supprimée) et du déplaceur, ce qui modifie le volume de sa zone chaude. Le gaz est pompé vers l'extrémité chaude du cylindre depuis l'extrémité froide du cylindre à travers un régénérateur.
Gamma Stirling a également un piston et un plongeur, et deux cylindres - froid (où le piston se déplace à partir duquel la puissance est supprimée) et chaud (où le déplaceur se déplace, respectivement). Le régénérateur est externe, dans ce cas il relie la partie chaude du deuxième cylindre avec la froide et simultanément avec le premier (froid) cylindre. Le régénérateur interne dans ce cas fait partie du déplaceur.
Il existe des variétés du moteur Stirling qui ne relèvent pas de ces trois types classiques: par exemple, le moteur Stirling rotatif, dans lequel les problèmes de fuite sont résolus et il n'y a pas de mécanisme à manivelle, puisqu'il est rotatif.
Qu'est-ce qui est bon avec les Stirlings et pourquoi sont-ils mauvais ? Tout d'abord, ils sont omnivores et peuvent utiliser n'importe quelle différence de température, y compris celle entre les différentes couches d'eau de l'océan. La combustion y est de nature constante, ce qui garantit une combustion efficace du carburant, ce qui signifie que son respect de l'environnement est plus élevé. De plus, il n'a pas d'échappement. Moins de niveau sonore - pas d'"explosions" dans les cylindres. Moins de vibrations, par exemple, avec un Stirling bêta. Le fluide de travail n'est pas consommé par le coiffage. La conception du moteur est extrêmement simple, elle ne nécessite pas de mécanismes de distribution de gaz. Un démarreur n'est pas nécessaire, tout comme une boîte de vitesses n'est pas nécessaire.
La simplicité et l'absence d'un certain nombre de nœuds « délicats » offrent au « stirling » des performances sans précédent pour tous les autres moteurs en des dizaines et des centaines de milliers d'heures de fonctionnement continu.
Sous-marin suédois "Gotland".
Les Stirlings sont très économiques. Ainsi, la conversion de l'énergie solaire en électricité au moyen du Stirling donne un rendement plus élevé (jusqu'à 31, 25 %) que les moteurs thermiques fonctionnant à la vapeur. Pour cela, le « style » est placé au foyer du miroir parabolique, qui « suit » le soleil afin que son cylindre soit constamment chauffé. C'est sur une telle installation en Californie que le résultat ci-dessus a été obtenu en 2008, et maintenant il y a une construction d'une grande station solaire sur les Stirlings. Vous pouvez les attacher à la virole des hauts fourneaux et alors la fonte en continu de la fonte va nous donner beaucoup… d'énergie pas chère, car maintenant cette chaleur est gaspillée !
Il n'y a, en général, qu'un seul inconvénient au style. Il peut être surchauffé et il échouera immédiatement. De plus, pour atteindre un rendement élevé, le gaz doit être sous très haute pression dans la bouteille. Hydrogène ou hélium. Et c'est une précision d'ajustement exceptionnelle de toutes ses unités de travail et une graisse spéciale haute température. Bon, les dimensions… la chambre de combustion n'est pas nécessaire. Stirling ne peut pas vivre sans elle ! Et c'est un volume supplémentaire et un système d'isolation et de refroidissement !
Soryu est un sous-marin japonais propulsé par des moteurs Stirling.
Cependant, le changement de priorités devrait ouvrir la voie aux moteurs Stirling. Si nous mettons le respect de l'environnement au premier plan, il sera alors possible de dire adieu au moteur à combustion interne une fois pour toutes. De plus, de grands espoirs reposent sur eux pour la création de centrales solaires prometteuses. Ils sont déjà utilisés comme générateurs autonomes pour les touristes. Et certaines entreprises ont établi la production de livres sterling, qui fonctionnent à partir d'un brûleur de four à gaz conventionnel. La NASA envisage également des options pour les générateurs d'électricité à base de Stirling alimentés par des sources de chaleur nucléaires et radio-isotopiques. En particulier, il est prévu d'utiliser un tel style, couplé à un générateur électrique, dans l'expédition spatiale vers Titan prévue par la NASA.
"Je porte des déchets" - la mise en page.
Il est intéressant de noter que si vous démarrez le moteur Stirling en mode inverse, c'est-à-dire tournez le volant d'un autre moteur, il fonctionnera alors comme une machine de réfrigération (cycle Stirling inversé), et ce sont ces machines qui se sont avérées très efficaces pour produire des gaz liquéfiés.
Eh bien, maintenant, puisque nous avons un site militaire, nous notons que les Stirlings ont été testés sur des sous-marins suédois dans les années 60 du siècle dernier. Et puis, en 1988, le Stirling est devenu le moteur principal du sous-marin de la classe Nakken. Avec eux, elle a navigué sous l'eau pendant plus de 10 000 heures. Le "Nakken" a été suivi par les sous-marins en série du type "Gotland", qui sont devenus les premiers sous-marins équipés de moteurs Stirling, ce qui leur permet de rester sous l'eau jusqu'à 20 jours. Aujourd'hui, tous les sous-marins de la marine suédoise sont équipés de moteurs Stirling, et les constructeurs navals suédois ont mis au point la technologie originale consistant à installer de tels moteurs sur les sous-marins conventionnels, en y découpant un compartiment supplémentaire avec un nouveau système de propulsion. Ils fonctionnent à l'oxygène liquide, qui est ensuite utilisé dans le bateau pour la respiration, et on constate qu'ils ont des niveaux de bruit très faibles. Eh bien, les défauts mentionnés ci-dessus (problème de taille et de refroidissement) sur un navire de guerre sous-marin ne sont pas significatifs. L'exemple des Suédois a semblé aux Japonais digne d'attention, et maintenant les Stirlings sont également sur les sous-marins japonais de la classe "Soryu". Ce sont ces moteurs qui sont aujourd'hui considérés comme les moteurs monomodes tous modes les plus prometteurs pour les sous-marins de 5e génération.
Et voici à quoi ressemble le style d'un étudiant de l'Université d'État de Penza, Nikolai Shevelev.
Eh bien, maintenant pas mal de choses sur le genre de … "mauvaise jeunesse" que nous avons. Le 1er septembre, je viens chez les étudiants - futurs mécaniciens, je leur pose des questions classiques, ce qu'ils lisent (pratiquement rien !), ce qu'ils aiment (avec ça la situation n'est guère mieux, mais surtout les jambes sont occupées, pas la tête !), quelles revues techniques sont-elles connues - "Young Technician", "Model Designer", "Science and Technology", "Popular Mechanics"… (aucune !), et puis un étudiant me dit qu'il est passionné de moteurs. Un sur 20, mais c'est déjà quelque chose ! Et puis il me dit qu'il a fabriqué lui-même le moteur Stirling. Je sais comment fabriquer un tel moteur à partir d'une boîte de conserve ordinaire, mais il s'est ensuite avéré qu'il avait fait quelque chose de beaucoup plus efficace. Je dis: "Apportez-le!" - et il a apporté. « Décrivez comment vous avez fait ! » - et il a décrit, et j'ai tellement aimé son "essai" que je le présente ici sans aucun changement ni abréviation.
Le début du travail est le « chaos créatif ».
« J'ai toujours aimé la technologie, mais surtout les moteurs. Je suis engagé dans la maintenance, la réparation et la personnalisation avec un grand intérêt. Ayant entendu parler du moteur Stirling, j'étais fasciné par celui-ci comme aucun autre moteur. Le monde du style est si diversifié et vaste qu'il est tout simplement impossible de décrire toutes les options possibles pour son exécution. Aucun autre moteur n'offrira une telle variété en termes de conception et, surtout, la possibilité de le fabriquer vous-même.
J'avais des idées pour faire une maquette d'un moteur à partir d'une boîte de conserve et d'autres moyens improvisés, mais ce n'était pas dans mes règles de faire "n'importe comment et à partir de ce qu'il a obtenu". Par conséquent, j'ai décidé de prendre cette tâche au sérieux, pour commencer par une préparation théorique. J'ai étudié la littérature sur Internet, mais la recherche n'a pas apporté le résultat souhaité: des articles de revue et des vidéos, le manque de dessins pour les modèles de ce moteur. Les modèles finis ont été vendus à un prix trop élevé. De plus, un grand désir de tout faire vous-même, comprendre le principe de fonctionnement, déboguer et effectuer des tests, obtenir un travail utile de ce moteur et même essayer de trouver son utilisation dans l'économie.
« Une affaire qui tourne ! » (Étudiant intelligent, il a filmé tout le processus de travail comme un souvenir. Preuve photographique présente, citoyenne, documentaire… et les voici !)
J'ai demandé autour de moi sur les forums, et ils ont partagé la littérature avec moi. C'était le livre "Stirling Engines" (Auteurs: G. Ryder et C. Hooper). Il reflétait toute l'histoire de ce type de construction de moteurs, pourquoi le développement rapide s'est arrêté et où ces moteurs sont encore utilisés. Du livre, j'ai appris plus en détail tous les processus se produisant dans le moteur, trouvé les réponses aux questions d'intérêt. C'était intéressant à lire, mais je voulais m'entraîner. Bien sûr, il n'y avait pas de dessins de modèles de garage, ni sur Internet, bien sûr, à l'exception d'un modèle en canette et en caoutchouc mousse.
À mon grand bonheur, la personne qui a vendu les modèles de stylisme a posté un cours sur la fabrication de tels modèles, il l'a mis à l'époque pour 20 $, je lui ai écrit et j'ai payé le cours. Après avoir regardé toutes les vidéos, dans chacune desquelles il expliquait un certain type de style, j'ai décidé de faire exactement le style à haute température du type gamma. Puisqu'il m'intéressait par son design, ses caractéristiques et son apparence. Grâce au cours vidéo, j'ai appris le rapport approximatif entre le diamètre du cylindre, les diamètres des pistons, les jeux, la rugosité, les matériaux à utiliser dans la fabrication, certaines des nuances de la construction. Mais nulle part les tailles des moteurs de l'auteur n'étaient disponibles, seulement approximativement le rapport des tailles des nœuds.
Je vis moi-même dans un village, pourrait-on dire en banlieue, ma mère est comptable et mon père est menuisier, il était donc inapproprié de leur demander conseil sur la construction d'un moteur. Et je me suis tourné vers mon voisin, Gennady Valentinovich, pour obtenir de l'aide, il travaillait à l'usine KZTM maintenant effondrée à Kuznetsk.
En général, le lendemain Gennady Valentinovich m'a apporté un blank en aluminium d'environ 1 m de long et d'environ 50 mm de diamètre. J'étais très heureux, j'ai scié les ébauches dont j'avais besoin et le lendemain, je suis allé à l'école pour essayer d'affûter le chauffage et le réfrigérateur de mon moteur à combustion interne. J'ai affûté sur un tour d'entraînement (sur lequel travaillait le grand-père Lénine).
Bien sûr, il n'y avait aucune précision là-bas, la partie extérieure du réchauffeur s'est avérée assez bonne, mais la partie cylindrique elle-même sous le piston était sur un cône. Trudovik m'a expliqué que la fraise ennuyeuse se plie, car la machine pour de telles choses est plutôt petite et faible. La question s'est posée de savoir quoi faire ensuite … C'était une chance que ma mère travaillait à l'époque comme comptable dans une entreprise privée, qui était une ancienne usine de réparation automobile. Valery Aleksandrovich (le directeur de cette usine) s'est avéré être une personne merveilleuse et m'a beaucoup aidé, j'avais déjà une machine soviétique professionnelle et un tourneur qui m'a aidé. Les choses sont devenues plus amusantes et, littéralement, une semaine plus tard, presque tout était prêt, l'assemblage du moteur a commencé. Il y a eu des moments intéressants dans la construction, par exemple: l'arbre, sur lequel le volant était pressé, a été confié à l'atelier de mécanique de précision d'une autre usine (afin d'obtenir la précision nécessaire pour les roulements); le réfrigérateur a été affûté sur un tour et les emplacements pour les fixations ont été réalisés avec une fraiseuse, le volant d'inertie a été rectifié sur une meuleuse. C'était très intéressant et excitant pour moi. Les ouvriers de l'usine pensaient que j'étais étudiant et que j'écrivais une sorte de travail scientifique. Je suis resté à l'usine jusque tard dans la soirée et ils m'ont ramené à la maison dans la voiture officielle de Valery Alexandrovich. Le moteur a été démarré dans un grand cercle d'ouvriers de l'usine, tout le monde était très intéressé. Le lancement a été réussi, mais le moteur tournait mal.
Le résultat couronne l'affaire ! Le coin du stand a été brûlé pendant les tests.
Des lacunes ont été révélées, les charnières en plastique ont été remplacées par des charnières en plastique fluoré, le volant d'inertie a été allégé et équilibré, le piston a reçu une fixation en plastique fluoré pour un transfert de chaleur inférieur et le réfrigérateur est devenu avec une zone de refroidissement plus grande. Après un réglage fin, le moteur a considérablement amélioré ses performances techniques.
J'étais moi-même ravi. Quand des amis viennent chez moi, la première chose qu'ils font est de s'approcher de lui, de lui demander de commencer. Gennady Valentinovich a conduit pour montrer le style de son travail, tout le monde était très intéressé, ils n'avaient même pas besoin d'appeler quelqu'un, tout le monde s'est approché, a regardé et s'est intéressé.
Le nom du jeune homme est Nikolai Shevelev, et il est le chef du groupe. Je l'ai emmené chez le doyen, et nous avons eu tous les trois une très bonne conversation. Et puis je me suis souvenu des statistiques selon lesquelles seulement 2% de la population mondiale suffisent pour faire avancer l'humanité sur la voie du progrès scientifique et technologique. J'ai compté le nombre total d'étudiants et j'ai réalisé que… il n'y a pas lieu de trop s'inquiéter. Avec des gens comme Nikolai, le progrès sera toujours garanti pour nous !
