Михаил Азанов - Стирлинг Азанова

На фиг. 3 и фиг. 4 рисунка 2 схематично показаны эти же головки цилиндров классического бета-стирлинга и предложенного мною также бета-стирлинга соответственно уже с рабочими поршнями и поршнями-вытеснителями.

Рис. 2

Важно: для последующего расчётного сравнения геометрию предлагаемого цилиндра всегда можно подобрать так, что его масса будет равна массе классического цилиндра, а внутренний объём цилиндров в обоих случаях также будет одинаков. При этом и диаметры нижних частей обоих вариантов цилиндров, в которых перемещаются рабочие поршни – одинаковы. Разница только в верхних частях цилиндров, в которых перемещаются поршни-вытеснители.

Предлагаемый поршень-вытеснитель принципиально отличается как от поршня-вытеснителя, применяемого в LTD– low temperature difference engines – двигателях Стирлинга с низкой разницей температур, т. е. работающих в режиме с низким перепадом температур между горячими и холодными зонами, так и от классического цилиндрического тонкостенного поршня-вытеснителя, внутренний объём которого для предотвращения смятия высоким давлением рабочего газа сообщается посредством отверстия с общими объёмами двигателя, образуя тот самый «мёртвый» объём, резко ухудшающий эффективность двигателя.

Действительно, предлагаемый чашеобразный тонкостенный поршень-вытеснитель не имеет внутренних объёмов и, следовательно, не зависит от величины давления рабочего газа, легче, прочнее и устойчив к вибрации, а в известных LTD-стирлингах поршень-вытеснитель одновременно несёт на себе ещё и регенераторную насадку, что резко утяжеляет его и обуславливает крайне низкие обороты двигателя, ограничивая область применения ролью учебного пособия.

Геометрия предлагаемого поршня-вытеснителя и соответствующей ему головки цилиндра может варьироваться в широких пределах, но подбирается так, чтобы верхняя поверхность поршня-вытеснителя в положении верхней «мёртвой точки» могла прилегать без зазоров к внутренней теплоподводящей поверхности головки цилиндра для контактногополучения от неё тепла, а нижняя поверхность поршня-вытеснителя в положении нижней «мёртвой точки» – к теплоотводящей внутренней поверхности цилиндра для контактнойже отдачи тепла.

Предлагаемый поршень-вытеснитель формой может напоминать сегмент шара, параболическую антенну, кубок, рюмку или иное тело вращения, а может иметь в плане форму многоугольника. Ещё более интересен и перспективен вариант с рёбрами жёсткости и развитыми фрактальными поверхностями, значительно увеличивающими площади теплообмена.

Материал предлагаемого поршня-вытеснителя должен иметь низкую теплопроводность, например, керамоматричный композит, это возможно, поскольку работа стирлинга происходит без взрывов и резких ударов, а на верхней и нижней его поверхностях может быть сделано покрытие из тонкой фольги или напыление металла с высокой теплопроводностью, например, меди.

В результате, большой диаметр поршня-вытеснителя, а также соответственно большие теплоподводящие и теплоотводящие внутренние поверхности головки цилиндра, сопрягаемые в положениях «мёртвых точек» с верхней и нижней поверхностями поршня-вытеснителя, создают условия для гораздо более интенсивного прогрева объёма рабочего газа, находящегося между поршнем-вытеснителем и теплоподводящей внутренней поверхностью головки цилиндра, и гораздо более интенсивного охлаждения объёма рабочего газа, находящегося между поршнем-вытеснителем и теплоотводящей внутренней поверхностью цилиндра. В некоторых случаях площадей теплообмена будет достаточно, чтобы отказаться от нагревательных трубок, что дополнительно уменьшит «мёртвый» объём.

Поскольку предлагаемый поршень-вытеснитель обладает существенно большим диаметром, то, очевидно, чтобы «вытеснять», «описывать», «ометать» – в литературе применяются разные термины – тот же объём рабочего газа, что и классический поршень-вытеснитель, диаметр которого равен или близок к диаметру рабочего поршня, предлагаемый поршень-вытеснитель должен иметь меньший ход по сравнению с классическим вариантом! Это условие важно для сохранения равенства масс рабочего газа в рабочих объёмах классического и предлагаемого цилиндров для последующего расчётного сравнения с двигателем-прототипом . Позже расчёт такой зависимости хода от диаметра предлагаемого поршня-вытеснителя будет показан на реальном примере. Причём ход рабочих поршней сравниваемых схем должен оставаться равным , чтобы расчётная производимая работа была максимально одинаковой для обеих сравниваемых схем.