Šiluminiai Varikliai: Veikimo Principai ir Panaudojimas
Įvadas
Šiluminiai varikliai, kurių veikimo principas paremtas šilumos energijos transformavimu į mechaninį darbą, yra plačiai naudojami įvairiose srityse. Šiame straipsnyje nagrinėsime šiluminių variklių veikimo principus, jų pritaikymą ir perspektyvas, remiantis konkrečiu pavyzdžiu - Stirlingo varikliu.
Stirlingo Variklis: Istorija ir Veikimo Principas
Stirlingo variklis, išrastas Roberto Stirlingo 1816 m., buvo skirtas tapti alternatyva garo varikliams. Stirlingas tikėjosi, jog įtaisas taps sėkmingu konkurentu garo varikliui, tačiau iki pat šių dienų jis naudojamas itin retai. Nepaisant to, entuziastų vis gi yra, o pats variklis pasižymi palyginti dideliu naudingumo koeficientu ir įdomiomis pritaikymo galimybėmis.
Stirlingo variklio veikimo principas paremtas termodinaminiu ciklu, kuriame darbinės dujos (pavyzdžiui, oras) yra suslegiamos šaltesnėje dalyje ir plečiasi karštesnėje dalyje. Šis termomechaninis ciklas panaudojamas mechaniniam darbui atlikti. 1818 metais Stirlingas pagamino šiuo principu veikiantį modelį, kuris buvo naudojamas kasyklose vandeniui pumpuoti. Esminis išradėjo patento aspektas buvo šilumokaitis - pats autorius jį vadino „ekonomiškumo didintoju“ (angl. „economiser“), kadangi įtaisas padidindavo energetinį agregato efektyvumą. Patente taip pat buvo detaliai aprašytas vienos šilumokaičio modifikacijos pritaikymas konstruojant unikalų uždaro ciklo oro variklį - šį konstrukcija dabar yra žinoma „regeneratoriaus“ pavadinimu.
Vėliau Robertas Stirlingas kartu su savo broliu Džeimsu užpatentavo dar keletą įvairių patobulintų pradinio variklio modifikacijų. Pavyzdžiui, 1843 metais sukurtas sandarios konstrukcijos variklis. Jo galia buvo pakankama ištisos geležies liejyklos mechaniniams agregatams varyti. Dėl išradimo paskirties istorikai ginčijasi iki pat dabar. Manoma, jog vienas motyvų buvo sukurti variklį, kuris pasižymėtų didesne kuro sąnaudų ekonomija. Kai kurie tyrinėtojai taip pat teigia, jog išradėjai siekė sukurti saugesnę alternatyvą to meto garo varikliams, kurių boileriai neretai sprogdavo, taip sužeisdami ar užmušdami daug žmonių.
Stirlingo Variklio Raida ir Panaudojimas
Nors ankstyvieji Stirlingo varikliai dažnai gesdavo dėl aukštos darbinės temperatūros, jie buvo naudojami vandeniui pumpuoti ir orui tiekti. Maždaug nuo 1860 metų rinkoje pasirodė mažesnės Stirlingo variklių modifikacijos, kurios būdavo pritaikomos kaip mažos ir vidutinės mechaninės galios šaltiniai. Jie buvo naudojami vandeniui pumpuoti arba orui tiekti (pavyzdžiui, bažnytiniuose vargonuose). Šie agregatai paprastai veikdavo esant žemesnėms darbinėms temperatūroms; jiems gaminti panaudotos medžiagos nebuvo smarkiai apkraunamos, tačiau variklių efektyvumas buvo palyginti žemas. Pirkėjus viliojo tai, kad tokiais įrenginiais galėjo saugiai naudotis praktiškai bet kas, ko nebuvo galima pasakyti apie garo variklius. Keli variklio tipai buvo gaminami ir pasibaigus XIX amžiui, tačiau neskaitant kelių smulkių mechaninių patobulinimų, jų konstrukcija šiuo laikotarpiu praktiškai nekito.
Taip pat skaitykite: Pinigų spausdinimo technologijos ateitis
Dvidešimtojo amžiaus pradžioje Stirlingo variklį buitinėse panaudojimo srityse pamažu išstūmė elektros varikliai ir mažų matmenų vidaus degimo varikliai. Trečiojo dešimtmečio pabaigoje žmonės juos praktiškai užmiršo. Kaip tik tuo metu kompanija „Philips“ ketino plėsti savo radijo imtuvų pardavimus. Šiuo tikslu buvo norima užimti tuos rinkos segmentus, kuriems priklausantys potencialus pirkėjai gyveno elektros tiekimo neturinčiuose regionuose. Kompanijos vadovybė nusprendė, jog pardavimus smarkiai pagyvintų mažos galios lengvai transportuojamas elektros generatorius. „Philips“ mokslinių tyrimų laboratorijos inžinieriai gavo užduotį išnagrinėti galimas technologines alternatyvas. Sistemiškai palyginę įvairius galimus analogus, tyrinėtojų komandos nariai pasirinko Stirlingo variklį. Esminiai jo pranašumai buvo tylus veikimas, nedidelis generuojamas radijo eterio triukšmų lygis, taip pat galimybė šilumos energiją jiems tiekti iš įvairių šaltinių (pavyzdžiui, aliejinės lempos, į kurią ir orientavosi sprendimą sugalvoję inžinieriai). Pirmasis eksperimentinis 16W galios variklis buvo daug žadantis, tad „Philips“ inicijavo šiai sričiai skirtą tyrimų programą. Darbai tęsėsi ir pasibaigus Antrajam Pasauliniam karui iki pat penktojo dešimtmečio pabaigos, kol buvo sukurtas „Type 10“ modelis. Jo pagrindu „Philips“ dukterinė kompanija „Johan de Witt“ sukūrė 200W galios generatorių MP1002CA. Pirminės 250 vienetų partijos gamyba prasidėjo 1951 metais. Deja greitai tapo aišku, kad gaminio nepavyks gaminti konkurencingomis kainomis, o tranzistorinių radijo imtuvų pažanga ir gerokai mažesni poreikiai elektros energijai sparčiai nugramzdino į užmarštį visus pradinius sumanymą skatinusius motyvus. Iš viso buvo pagaminta apie 150 tokio tipo generatorių. Kai kurie jų buvo pritaikyti technologinės pakraipos universitetuose ir koledžuose, kur studentai galėdavo susipažinti su dar kartą užmiršta „klasika“.
Tiesa, tuo „Philips“ iniciatyva nesibaigė, ir kompanija įvairios paskirties Stirlingo variklius kūrė iki pat septintojo dešimtmečio pabaigos. Komercinę sėkmę pasiekti jai pavyko tik su „atvirkštinio Stirlingo variklio“ principu veikiančiu krioaušintuvu. Bet kuriuo atveju, gamintojas užregistravo daug patentų ir surinko gausybę vertingos techninės informacijos, kurią vėliau licencijavo kitoms kompanijoms ir kurios pagrindu buvo daromi naujesni patobulinimai. Artėjant praėjusio amžiaus pabaigai, keletas kompanijų sukūrė eksperimentinius vidutinės galios prototipus, kurie kai kuriais atvejais pasiekdavo smulkiaserijinę gamybą. Masinio vartojimo rinkos pasiekti nepavyko niekam, kadangi agregatų kaina buvo labai didelė, be to, kai kurių techninių problemų taip ir nepavyko išspręsti. Situacija pasikeitė daugiau žadančia linkme tik praėjusiame dešimtmetyje, kai pasirodė pirmieji komerciškai sėkmingi kombinuoti šildymo ir elektros energijos tiekimo įrenginiai.
Šiuo metu besidomintys Stirlingo varikliais gali nesunkiai rasti įvairių projektų, detalių ir visiškai užbaigtų variklių. Įdomu tai, kad šiuo metu Didžiojoje Britanijoje veikia Stirlingo variklio entuziastų klubas - žemiau pateiktame filmuke galima išvysti šio klubo atstovus, plaukiojančius Temzės upe Stirlingo varikliu varoma valtimi.
Privalumai ir Trūkumai
Stirlingo variklis nespėjo „įšokti į traukinį“ taip, kaip vidaus degimo varikliai. Nežiūrint į tai, jis yra ekologiškas ir efektyvus - su sąlyga, kad išorinę šilumą generuoja ekologiškas šilumos šaltinis. O šilumą tiekti gali bet koks degusis kuras ir bet kokie atsinaujinantys energijos šaltiniai, tame tarpe ir Saulės spinduliai. Neveltui pastaruoju metu jų pritaikymu pradėjo domėtis saulės jėgainių projektavimo ir diegimo kompanijos. Be to, daugelyje sričių šio tipo mechanizmus bandoma pritaikyti energijos nuostoliams mažinti ir energijos suvartojimo efektyvumui didinti, kai įvairiems įtaisams veikiant išsiskirianti šiluma pritaikoma naudingiems tikslams. Pavyzdžiui, Taivane įsikūręs kompiuterių komponentų gamintojas MSI dar prieš porą metų pristatė mikroprocesoriaus aušintuvo ventiliatoriaus prototipą, kurį suka būtent Stirlingo variklis. Ventiliatoriui elektros energijos nereikia - sukimąsi generuoja mikroprocesoriui kaistant į aplinką išsiskirianti šiluma. MSI jau tada tikėjosi rinkai pateikti pirmąjį pasaulyje „energijos nevartojantį“ aktyvųjį mikroprocesoriaus aušintuvą, tačiau dėl redakcijai nežinomų priežasčių toks modelis rinkoje kol kas dar nepasirodė.
Kokie gi esminiai Stirlingo variklio trūkumai, stabdantys jo paplitimą pasaulyje? Pirmiausia, jiems reikalingas išorinis šilumos šaltinis (analogiškai kaip ir garo turbinose). Tai reiškia, kad variklis pasižymi didele inercija - padidinus išorinio šilumos šaltinio temperatūrą, turi praeiti šiek tiek laiko, kol energija patenka į cilindrą. Todėl tokiam įrenginiui reikia įšilti, kol jis išvysto reikiamą galią. Be to, išvystomos galios juo negalima greitai keisti. Vien dėl šių aspektų jo pritaikymas automobiliuose ir lėktuvuose nėra galimas, nebent ateityje pavyktų ženkliai padidinti jų galios tankį (išvystomos galios ir masės santykį). Tačiau kai kurių kompanijų teigimu, jau dabar įmanoma pagaminti ekonomišką elektros ir Stirlingo varikliu varomą hibridinį automobilį. Tačiau kada tokius produktus išvysime rinkoje, visiškai nėra aišku.
Taip pat skaitykite: Mokslo populiarinimas pasaulyje
Šiluminiai Varikliai ir Bepiločiai Orlaiviai (UAV)
Šiluminiai varikliai, įskaitant vidaus degimo variklius ir Stirlingo variklius, gali būti naudojami bepiločiuose orlaiviuose (UAV). Naudojamas variklio tipas iš esmės priklauso nuo į orą keliamo orlaivio masės.
UAV Sandara ir Paskirtis
Bepiločiai orlaiviai (UAV) naudojami įvairiose srityse, įskaitant komercinę, mokslinę ir karinę. Laiku didėjantis prieinamumas bei mažesnės kainos lemia vis gausesnį jų naudojimą. Pirmieji UAV buvo sukurti žvalgybai, o vėliau apginkluoti raketomis.
Pagrindinės UAV Dalys ir Sistemos
Karinio UAV pagrindinės dalies sandara apima:
- Akselerometrą: elektromechaninis įtaisas, matuojantis pagreitį.
- Elektromechaninį giroskopą: įtaisas, matuojantis kampinį greitį.
- Magnetometrą: matuoja magnetinį lauką.
- Barometrą: matuoja atmosferinį slėgį, skirtas nustatyti orlaivio skridimo aukštį.
- GPS sistemą: nustato padėties koordinates trimatėje erdvėje trilateracijos principu.
- Variklius: užtikrina orlaivio pakilimą ir judėjimą.
- Kameras: skirtos vaizdo stebėjimui.
Vaizdo Fiksavimo Sistemos
UAV naudojamos įvairios vaizdo fiksavimo sistemos:
- „ARGUS-IS“ sistema: ypatinga dėl savo labai didelės 1,8 gigapikselių raiškos.
- SAR radarai: skanavimui, iš kurio galima išgauti ir dvidimensį ir tridimensį vaizdą.
- Termografinės kameros: leidžia matyti šiluminius pėdsakus.
- MTS sistema: turinti elektro-optinius, infraraudonuosius sensorius.
- Daugiaspektrinė taikymosi sistema: leidžia nustatyti taikinius.
Valdymas
Bepiločių skraidančių aparatų valdymas vykdomas duomenų perdavimo tinklais (3G, 4G ir pan.) arba palydoviniu ryšiu.
Taip pat skaitykite: Renginiai Molėtuose: „Mokslo sriuba“
Šiluminių Variklių Naudojimo Aspektai UAV
Varikliai yra būtini, kadangi be jų bepiločiai orlaiviai į orą nepakiltų išvis. Naudojamas variklio tipas iš esmės priklauso nuo į orą keliamo orlaivio masės. Be variklių, UAV negalėtų atlikti savo funkcijų, tokių kaip žvalgyba bei taikinių nustatymas.
Alternatyvūs Energijos Šaltiniai
Atsižvelgiant į aplinkosaugos reikalavimus ir siekį didinti efektyvumą, ieškoma alternatyvių energijos šaltinių šiluminiams varikliams. Tai apima atsinaujinančius energijos šaltinius, tokius kaip saulės energija, ir energijos nuostolių mažinimą, panaudojant įvairiems įtaisams veikiant išsiskiriančią šilumą.
tags: #mokslo #sriuba #šiluminiai #varikliai #veikimo #principas