Stirling engine - mesin dengan pasokan panas eksternal. Pasokan panas eksternal sangat nyaman ketika ada kebutuhan untuk menggunakan bahan bakar non-organik sebagai sumber panas. Misalnya, Anda dapat menggunakan energi matahari, energi panas bumi, limbah panas dari berbagai perusahaan.
Fitur bagus dari siklus Stirling adalah efisiensinya sama dengan efisiensi siklus Carnot [1]. Secara alami, mesin Stirling nyata memiliki efisiensi yang lebih rendah dan seringkali lebih. Mesin Stirling memulai keberadaannya dengan perangkat yang memiliki banyak bagian bergerak, seperti piston, batang penghubung, poros engkol, bantalan [2]. Selain itu, rotor generator berputar (Gambar 1).
Gambar 1 - Stirling type alpha engineLihatlah mesin tipe Stirling Alpha. Ketika poros berputar, piston mulai menyaring gas dari dingin ke silinder panas, atau sebaliknya, dari panas ke dingin. Tetapi mereka tidak hanya menyaring, tetapi juga kompres dan berkembang. Siklus termodinamika sedang terjadi. Dapat dibayangkan dalam gambar bahwa ketika poros berputar sehingga sumbu di mana batang penghubung dipasang di bagian atas, ini akan menjadi momen kompresi gas terbesar, dan ketika di bawah, ekspansi. Benar, ini tidak sepenuhnya benar karena ekspansi termal dan kontraksi gas, tetapi kira-kira semua ini benar.
Jantung mesin adalah apa yang disebut inti, yang terdiri dari dua penukar panas - panas dan dingin, dan di antara mereka ada regenerator. Penukar panas biasanya dibuat pipih, dan regenerator paling sering tumpukan logam. Mengapa kita membutuhkan penukar panas? Jelas - untuk memanaskan dan mendinginkan gas, dan mengapa kita membutuhkan regenerator? Dan regenerator adalah akumulator panas nyata. Ketika gas panas bergerak ke sisi dingin, ia memanaskan regenerator dan regenerator menyimpan energi termal. Ketika gas bergerak dari sisi dingin ke sisi panas, gas dingin dipanaskan dalam regenerator, dan panas ini, yang tanpa regenerator akan dihabiskan untuk memanaskan lingkungan, akan disimpan. Jadi, regenerator adalah hal yang mutlak diperlukan. Regenerator yang baik meningkatkan efisiensi mesin sekitar 3,6 kali.
Penggemar yang ingin membuat mesin seperti itu sendiri, saya ingin memberi tahu Anda lebih banyak tentang penukar panas. Sebagian besar mesin Stirling buatan sendiri, dari yang saya lihat, tidak memiliki penukar panas sama sekali (saya berbicara tentang mesin tipe alpha). Penukar panas adalah piston dan silinder itu sendiri. Satu silinder dipanaskan, yang lain didinginkan. Selain itu, area permukaan pertukaran panas dalam kontak dengan gas sangat kecil. Jadi, adalah mungkin untuk secara signifikan meningkatkan tenaga mesin dengan menempatkan penukar panas di saluran masuk ke silinder. Dan bahkan dalam Gambar 1, nyala diarahkan langsung ke silinder, yang tidak begitu di mesin pabrik.
Mari kita kembali ke sejarah perkembangan mesin Stirling. Jadi, biarkan mesin menjadi baik dalam banyak hal, tetapi kehadiran cincin dan bantalan pengikis oli mengurangi masa pakai mesin dan para insinyur bekerja keras memikirkan bagaimana memperbaikinya, dan mereka menghasilkannya.
Pada tahun 1969, William Bale menyelidiki efek resonansi dalam pengoperasian mesin dan kemudian mampu membuat mesin yang tidak memerlukan batang penghubung maupun poros engkol. Sinkronisasi piston terjadi karena efek resonansi. Mesin jenis ini dikenal sebagai mesin piston gratis (Gambar 2).
Gambar 2 - Mesin piston bebas stirlingGambar 2 menunjukkan mesin piston beta gratis. Di sini gas beralih dari panas ke daerah dingin, dan sebaliknya, berkat pemindah (yang bergerak bebas), dan piston yang bekerja melakukan pekerjaan yang bermanfaat. Pemindah dan piston berosilasi pada pegas koil, yang dapat dilihat di sisi kanan gambar. Kesulitannya adalah getarannya harus pada frekuensi yang sama dan dengan perbedaan fasa 90 derajat, semua karena efek resonansi. Ini cukup sulit dilakukan.
Dengan demikian, jumlah bagian berkurang, tetapi pada saat yang sama, persyaratan untuk akurasi perhitungan dan pembuatan diperketat. Tetapi keandalan mesin telah meningkat, terutama dalam desain di mana membran fleksibel digunakan sebagai pemindah dan piston. Dalam hal ini, mesin tidak memiliki bagian gosok. Listrik, jika diinginkan, dapat dilepas dari mesin seperti itu menggunakan generator linier.
Tapi ini tidak cukup untuk para insinyur, dan mereka mulai mencari cara untuk menyingkirkan tidak hanya menggosok bagian, tetapi umumnya bagian yang bergerak. Dan mereka menemukan cara seperti itu.
Pada tahun tujuh puluhan abad ke-20, Peter Zeperli menyadari bahwa osilasi sinusoidal dari tekanan dan kecepatan gas dalam mesin Stirling, serta fakta bahwa osilasi ini dalam fase, sangat mengingatkan pada fluktuasi tekanan gas dan kecepatan dalam gelombang suara yang bergerak (Gbr. 3 )
Gambar 3 - Grafik tekanan dan kecepatan gelombang akustik bepergian sebagai fungsi waktu. Terlihat bahwa fluktuasi tekanan dan kecepatan berada dalam fase.Gagasan ini datang ke Zeperli bukan secara kebetulan, karena sebelum dia ada banyak penelitian di bidang thermoacoustics, misalnya, Lord Rayleigh sendiri pada tahun 1884 secara kualitatif menggambarkan fenomena ini.
Karena itu, ia mengusulkan untuk sepenuhnya meninggalkan piston dan pemindah, dan hanya menggunakan gelombang akustik untuk mengontrol tekanan dan pergerakan gas. Ini menghasilkan mesin tanpa bagian yang bergerak dan secara teoritis mampu mencapai efisiensi siklus Stirling, dan karenanya Carnot. Pada kenyataannya, indikator terbaik adalah 40-50% dari efisiensi siklus Carnot (Gambar 4).
Gambar 4 - Diagram mesin thermoacoustic dengan gelombang bepergianAnda dapat melihat bahwa mesin thermoacoustic gelombang berjalan adalah inti yang persis sama, terdiri dari penukar panas dan regenerator, tetapi alih-alih piston dan batang penghubung hanya ada tabung melingkar yang disebut resonator. Tetapi bagaimana cara mesin ini bekerja jika tidak memiliki bagian yang bergerak? Bagaimana ini mungkin?
Pertama, jawab pertanyaannya, dari mana suara itu berasal? Dan jawabannya adalah itu muncul dengan sendirinya ketika perbedaan suhu yang cukup terjadi antara dua penukar panas. Gradien suhu pada regenerator memungkinkan Anda untuk meningkatkan getaran suara, tetapi hanya panjang gelombang tertentu yang sama dengan panjang resonator. Sejak awal, prosesnya terlihat seperti ini: ketika penukar panas panas dipanaskan, mikro gemerisik terjadi, bahkan mungkin retak akibat deformasi termal, ini tidak bisa dihindari. Bunyi gemerisik ini adalah derau yang memiliki berbagai frekuensi. Dari semua spektrum frekuensi suara yang kaya ini, mesin mulai menguatkan getaran suara itu, yang panjang gelombangnya sama dengan panjang pipa - resonator. Dan sekecil apa pun fluktuasi awal, itu akan diperkuat ke nilai maksimum yang dimungkinkan. Volume suara maksimum di dalam mesin terjadi ketika daya amplifikasi suara melalui penukar panas sama dengan daya yang hilang, yaitu, kekuatan redaman dari getaran suara. Dan nilai maksimum ini kadang-kadang mencapai nilai besar 160 dB. Jadi di dalam mesin seperti itu sangat keras. Untungnya, suaranya tidak bisa keluar, karena resonatornya kencang dan karena itu, berdiri di samping mesin yang sedang berjalan, suaranya nyaris tidak terdengar.
Amplifikasi frekuensi suara tertentu terjadi karena siklus termodinamika yang sama - siklus Stirling, yang dilakukan dalam regenerator.
Gambar 5 - Tahapan siklusnya kasar dan disederhanakan.Seperti yang sudah saya tulis, di mesin thermoacoustic tidak ada bagian yang bergerak sama sekali, itu hanya menghasilkan gelombang akustik di dalam dirinya sendiri, tetapi, sayangnya, tidak mungkin untuk menghilangkan listrik dari mesin tanpa bagian yang bergerak.
Biasanya mereka mengekstraksi energi dari mesin termoakustik menggunakan generator linier. Membran elastis berosilasi di bawah tekanan gelombang suara intensitas tinggi. Di dalam koil tembaga dengan inti, magnet yang dipasang di membran bergetar. Listrik dihasilkan.
Pada tahun 2014, Kees de Blok, Pawel Owczarek dan Maurice Francois dari Aster Thermoacoustics menunjukkan bahwa turbin impuls dua arah yang terhubung ke generator cocok untuk mengubah energi gelombang suara menjadi listrik [3].
Gambar 6 - Diagram turbin pulsaTurbin impuls berputar dalam arah yang sama terlepas dari arah alirannya. Gambar 6 secara skematis menunjukkan bilah stator di sisi dan bilah rotor di tengah.
Jadi turbin terlihat nyata di dalamnya:
Gambar 7 - Tampilan eksternal turbin impuls dua arahDiharapkan bahwa penggunaan turbin sebagai pengganti generator linier akan secara signifikan mengurangi biaya konstruksi dan akan meningkatkan daya perangkat hingga daya pembangkit listrik termal tipikal, yang tidak mungkin dilakukan dengan generator linier.
Saya juga mengembangkan mesin thermoacoustic saya sendiri, lebih banyak tentang yang dapat ditemukan dalam video di bawah ini, serta dalam artikel ini:
"Membuat dan memulai mesin thermoacoustic"Daftar sumber yang digunakan[1] M.G. Kruglov. Mesin stirling. Moskow "Rekayasa", 1977.
[2] G. Pembaca, C. Hooper. Mesin stirling. Moskow "Mir", 1986.
[3] Kees de Blok, Pawel Owczarek. Konversi daya akustik ke listrik, 2014.