Альфа стирлинг: Стирлинг-технологии — прорыв в автономной энергетике XXI века — Энергетика и промышленность России — № 5 (45) май 2004 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Высокотемпературный двигатель Стирлинга с генератором электроэнергии.

Здравствуйте. В сегодняшнем обзоре я расскажу вам о двигателе внешнего сгорания. Высокотемпературном двигателе Стирлинга с генератором электроэнергии. Пускай, это всего лишь небольшая модель, но вещь крайне любопытная и качественно собранная. Приглашаю тех, кому это интересно – под кат.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Это устройство преобразующее тепловую энергию в механическую.

Основное отличие его от двигателя внутреннего сгорания в том, что тепловая энергия приходит к нему из вне, а не производится им непосредственно. Это и есть его самое уникальное и замечательное свойство, отличающее его от всех остальных машин.

В 1843 году Джеймс Стирлинг использовал этот двигатель на заводе, где он в то время работал инженером. В 1938 году фирма «Филипс» инвестировала в мотор Стирлинга мощностью более двухсот лошадиных сил и отдачей более 30 %.

Двигатель Стирлинга имеет много преимуществ и был широко распространён в эпоху паровых машин.

Цикл Стирлинга считается непременной принадлежностью именно двигателя Стирлинга. В то же время, детальное изучение принципов работы множества созданных на сегодняшний день конструкций, показывает, что значительная часть из них имеет рабочий цикл, отличный от цикла Стирлинга. Например, альфа-стирлинг с поршнями разного диаметра имеет цикл, более похожий на цикл Эрикссона. Бета- и гамма-конфигурации, имеющие достаточно большой диаметр штока у поршня-вытеснителя, также занимают некое промежуточное положение между циклами Стирлинга и Эрикссона.

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических типа, например:

Роторный двигатель Стирлинга — решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, так как двигатель роторный).

Мы будем рассматривать гамма тип.

Принцип действия высокотемпературного двигателя. Левая и правая части цилиндра не касаются друг друга. Между ними стоит теплоизолятор. Когда вытеснитель находится в левой стороне, он вытесняет весь горячий воздух вправо, воздух остывает, всасывая рабочий поршень. Когда же вытеснитель уходит вправо, он выгоняет весь воздух в горячую камеру, воздух нагревается, расширяется и вытесняет рабочий поршень вправо. Рабочий поршень и вытеснитель связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов. Далее цикл повторяется.

Гамма-Стирлинг без регенератора:

Заказан двигатель был 10 мая. Уже 11 мая магазин выслал его. А 30 мая я забрал двигатель из отделения связи:

Пакет

Двигатель надежно упакован в крепкую картонную коробку и переложен множеством слоёв пупырчатой плёнки:

Коробка

Помимо самого двигателя в комплект входит:

Спиртовка, запасные поршень и вытеснитель, запасная резинка, выполняющая роль ремня генератора и переливающийся разными цветами светодиод для проверки генератора.

Давайте сначала посмотрим на краткие характеристики с сайта магазина:

Description:
Item:
SIze: 165*90*90mm
Flywheel: 60mm(Diameter)
Driving Wheel: 25mm(Diameter)
Power cylinder bore: 16mm
Piston stroke: 15mm
Weight: 505g
Generator voltage: 5V
Material: aluminum alloy
Linkage: stainless steel
Age: +8

И вот сам двигатель Стирлинга, выполненный из стекла, алюминия и нержавеющей стали:

Двигатель установлен на массивной алюминиевой площадке с резиновыми ножками:

Маховик:

Шкив ремня генератора:

Биения отсутствуют. Балансировка маховика и шкива – присутствует.

Рабочий поршень:

Поршень-вытеснитель находится в стеклянной колбе, которая нагревается открытым пламенем:

Для нормальной работы двигателя система должна быть герметична.

Место для спиртовки под вытеснителем:

Генератор:

Собираем спиртовку и заливаем в неё спирт:

Устанавливаем её на место:

Зажигаем:

Колба с вытеснителем нагревается. Даём команду – «От винта!» )))

Подключаем светодиод:

Посмотрим, сколько вольт выдаёт генератор:

4,08 вольта.

Посмотрим форму осциллографом:

Явно не хватает сглаживающего конденсатора.

На закрытом входе осциллографа:

Время работы от одной заправки спиртовки спиртом:

КПД высокотемпературных двигателей Стирлинга – довольно велико:

Пламя спиртовки имеет следующую температуру:

350 градусов в нижней части. Как раз этой частью пламени и нагревается колба с вытеснителем.

Следовательно, при этой температуре и температуре окружающего воздуха +20, КПД, согласно таблице, составит 52,96%. Но нужно не забывать, что холодильник охлаждается только окружающим воздухом. Принудительное охлаждение или радиатор – отсутствуют. И поэтому в процессе работы двигателя – холодильник начинает нагреваться и КПД падает.

Видео работы высокотемпературного двигателя внешнего сгорания:

Да, это всего лишь модель. Но, как говорится – сказка ложь, да в ней намек… Этот двигатель помогает разобраться в основах. И кто знает, может подвигнет вас на создание полноразмерного двигателя. В интернете множество энтузиастов, строящих настоящие генераторы энергии, работающие от двигателя Стирлинга. А может, эта модель для вас так и останется забавной и красивой игрушкой в стиле стим-панк, наблюдать за работой которой — очень любопытно.

Товар предоставлен для написания обзора магазином. Обзор опубликован в соответствии с п.18 Правил сайта.

Конфигурации двигателя Стирлинга Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

КОНФИГУРАЦИИ ДВИГАТЕЛЯ СТИРЛИНГА Бойназаров Б. Б.1, Рахимов Д.В.2, Журабоев Н.И.3, Мелибоев А.А.4, Усмонов Б.М.5 Email: [email protected]

1Бойназаров Бекзод Бахтиёрович — ассистент,

кафедра электроэнергетики; 2Рахимов Достонбек Вохиджон угли — студент; 3Журабоев Нодирбек Ихтиёржон угли — студент; 4Мелибоев Авазхон Алижон угли — студент; 5Усмонов Бобуржон Мухиддин угли — студент, специальность: электроэнергетика, энергетический факультет, Ферганский политехнический институт, г. Фергана, Республика Узбекистан

Аннотация: есть три общих типа двигателя Стирлинга. Это альфа-бета и гамма. Другие виды обрабатываются на основе этих видов. Среди них двигатель Stirling бета-двигателя очень эффективен. В статье приводятся сведения о трех типах двигателей Stirling. Стирлинговые двигатели широко используются для производства электроэнергии в современной энергетической системе. Двигатель Stirling использует солнечную энергию, а не возобновляемое топливо. Это будет оставаться одной из самых сложных задач, когда потребление энергии растет. Одним из перспективных направлений является участие двигателей Стирлинга в ряде областей в создании современных энергетических систем.

Ключевые слова: Стирлинговый двигатель, тип двигателя, характеристики, Гамма или Бета, период.

STIRLING ENGINE CONFIGURATIONS Boynazarov B.B.1, Rakhimov D.V.2, Juraboev N.I.3, Meliboev A.A.4,

Usmonov B.M.5

1Boynazarov Bekzod Bakhtiyorovich — Assistant,

DEPARTMENT OF ELECTRIC POWER; 2Rakhimov Dostonbek Vohijon ugli — Student; 3Juraboev Nodirbek Ikhtiyorzhon ugli — Student; 4Meliboev Avazhon Alijon ugli — Student; 5Usmonov Boburjon Muhiddin ugli — Student, SPECIALTY: ELECTRIC POWER INDUSTRY, FACULTY OF ENERGY, FERGHANA POLYTECHNIC INSTITUTE, FERGANA, REPUBLIC OF UZBEKISTAN

Abstract: there are three common types of Stirling engines. These are alpha beta and gamma. Other species are processed based on these species. Among them, the Sterling beta engine is very efficient. This article provides information on three types of Sterling engines. Stirling engines are widely used to produce electricity in a modern energy system. The Sterling engine uses solar energy rather than renewable fuels. This will remain one of the most difficult tasks when energy consumption rises. One of the promising areas is the participation of sterling engines in a number of areas in the creation of modern energy systems.

Keywords: Stirling engine, engine type, characteristics, Gamma or Beta, period.

УДК 621.415

Существуют, по существу, три типа двигателей Стерлинга, которые отличаются тем, как рабочая жидкость перемещается между горячей и холодной областями двигателя. Альфа-конфигурация Стирлинга состоит из двух силовых поршней, один в горячем цилиндре, а другой в холодном цилиндре; газообразная рабочая жидкость движется между двумя цилиндрами с помощью движущихся поршней. Горячий и холодный цилиндры двигателя альфа-Стирлинга обычно имеют форму, в которой силовые поршни соединены в одной точке коленчатого вала и выровнены под углом 90 градусов относительно друг друга. Бета-конфигурация Стирлинга имеет один цилиндр с горячим концом и холодным концом, содержащий силовой поршень и поршень вытеснителя, который приводит газ между этими двумя областями. Обычно он используется с ромбическим приводом для достижения разности фаз между вытеснителем и силовыми поршнями, но поршни могут быть соединены на 90 градусов в противофазе на коленчатом валу. Наконец, гамма-конфигурация имеет два цилиндра: один содержит вытеснитель с горячим и холодным концом, а другой — с силовым поршнем. Поршни соединены в одно пространство с одинаковым давлением в обоих цилиндрах; поршни, как правило, параллельны и соединены на 90 градусов в противофазе на коленчатом валу [1].

Как указывалось ранее, альфа-Стирлинг содержит два силовых поршня и два цилиндра (горячий и холодный), соединенные через регенератор. ., 2012). Высокие температуры могут привести к расширению поршня и увеличению внутренних сил трения между поршнем и стенками цилиндра. Этапы цикла альфа-Стирлинга показаны на рисунке 1. Первоначально рабочая жидкость нагревается высокотемпературным теплообменником, и расширение газа толкает горячий поршень до самой нижней точки его хода вниз. Поршень горячего цилиндра затем перемещает большую часть нагретого газа в холодный цилиндр; на этом этапе воздух начинает охлаждаться, а давление уменьшается. Холодный поршень, приводимый в движение импульсом маховика, сжимает газ в холодном цилиндре, и тепло отводится через низкотемпературный теплообменник. Рабочая жидкость выталкивается обратно в горячий цилиндр поршнем холодного цилиндра, подвергается расширению при нагреве и снова приводит поршень горячего цилиндра в рабочий ход (Jadhao & Mahantare, 2013).

Рис. 1. Работа альфа-сконфигурированного двигателя Стирлинга слева направо

Термодинамика бета-двигателя Стирлинга аналогична термодинамике альфа-двигателя, но физическая конфигурация компонентов двигателя совершенно иная. В отличие от двухцилиндрового двигателя Стирлинга с альфа-конфигурацией, бета-двигатель относительно компактен и состоит только из одного цилиндра с нагреваемым концом и охлаждаемым концом. Силовой поршень расположен в цилиндре соосно вместе с вытеснителем. Поршень вытеснителя не извлекает никакой

мощности из расширяющегося газа, а служит только для перемещения рабочего газа назад и вперед между горячим и холодным концами. Назначение силового поршня состоит в том, чтобы генерировать энергию, в то время как целью вытеснителя является перемещение рабочей жидкости вперед и назад через нагретую область, регенератор и охлаждаемую область. В результате, сила выталкивания, испытываемая вытеснителем, очень мала по сравнению с силой поршня. Как и в альфа-двигателе, циклические движения поршней разнесены на 90 градусов при движении поршня вытеснителя, ведущего силовой поршень на четверть оборота коленчатого вала.

Силовой поршень, вытеснитель и стержень вытеснителя в бета-двигателе уплотнены вокруг своих зазоров, чтобы предотвратить утечку рабочего газа. Уплотнение для вытеснителя размещается на конце, ближайшем к пространству сжатия, чтобы избежать прямого контакта с горячим рабочим газом (в пространстве расширения). В результате этого уплотнение не должно быть термостойким. Уплотнения штока поршня и силового поршня также не должны быть термостойкими, поскольку они постоянно подвергаются воздействию низких температур двигателя. Это связано с их физической близостью к месту сжатия (Electropaedia, 2015). Рисунок 2 иллюстрирует бета-сконфигурированный двигатель Стирлинга и циклические движения вытеснителя и силового поршня.

1Я1 !|-|.Р — —- *П*

Рис. 2. Работа бета-сконфигурированного двигателя Стирлинга

Недостаток бета-двигателя состоит в том, что может быть трудно минимизировать мертвый (зазор) объем в пространстве расширения и сжатия, учитывая, что должен быть достаточный зазор, чтобы позволить рабочему газу беспрепятственно протекать из горячей области и холодной области [1-2].

Наконец, гамма-конфигурация Стирлинга — это просто бета-двигатель Стирлинга, в котором силовой поршень установлен не соосно с поршнем вытеснителя, а в отдельном цилиндре. Это позволяет избежать осложнений, связанных с прохождением поршневой тяги через силовой поршень. В цилиндрах поддерживается фиксированное количество рабочей жидкости с помощью поршней, которые образуют газонепроницаемое уплотнение со стенками цилиндров. Поплавок свободно входит в горячий цилиндр, позволяя газу проходить по сторонам при его движении вверх и вниз. Как и в других двигателях Стирлинга, газ поочередно нагревается и охлаждается, заставляя его расширяться и сжиматься, когда он перемещается между горячим и холодным цилиндрами, передавая свою энергию силовому поршню в холодном цилиндре. Недостаток гамма-двигателя состоит в том, что он неизбежно вводит мертвый объем в пространство сжатия из-за физического разделения иона вытеснителя и силового поршня. На рисунке 3 показана схема гамма-настроенного двигателя Стирлинга.

Рис. 3. Гамма-настроенный двигатель Стирлинга

Три основных типа двигателей Стирлинга, описанные ранее, могут использовать широкий ассортимент механизмов с кривошипно-шатунным приводом или вообще не использовать их, как в двигателях Стирлинга со свободным поршнем. Основными требованиями для успешной работы являются высокая механическая эффективность и простота, а также другие важные соображения, включая хороший динамический баланс, способность работать с минимальной смазкой и компактность[1-10].

Список литературы /References

1. Nathan C., Beau D., David E., Edward G., Andrew H., Andrew L., Mikhail M., Mario R. GREEN STIRLING ENGINE POWER PLANT // April 30, 2015.

2. Бойназаров Б.Б., Турсунов И.М., Рахмонов М.Д., Умаров И.А. , Махкамов А.Б. Generating electricity using sterling engines at condensing heat stations // «International scientific review of the problems and prospects of modern science and education» (Boston. USA. October 22-23, 2019). Р. 39-42.

3. Исмоилов И.К., Туйчиев З.З., Байназаров Б.Б., Турсунов Д.А., Эралиев Х.А., Аппаков Д.Ш. Повышение коэффициента полезного действия в результате изменения магнитодвижущей силы обмоток машин переменного тока // «Проблемы современной науки и образования», 2019. № 11 (144). Часть 1. Ст. 54-58.

4. Туйчиев З.З., Исмоилов И.К., Турсунов Д.А., Бойназаров Б.Б. Проблемы качества электроэнергии в системах электроснабжения // Проблемы науки. Москва. № 10 (46), 2019. Ст. 15-18.

5. Узбеков М.О., Туйчиев З.З, Бойназаров Б.Б., Турсунов Д.А., Халилова Ф.А. Исследование термического сопротивления солнечного воздухонагревателя с металлической стружкой // Научно-технический журнал «Энергосбережение и водоподготовка», 2019. № 4. С. 29-33 (05.00.00 № 97. РИНЦ 2018, IF:0,32).

6. Халилова Ф.А., Бойназаров Б.Б. Характеристика дугогасящих реакторов, применяемых для компенсации емкостных токов замыкания // Проблемы науки. Москва. № 10 (46), 2019. Ст. 11-15.

7. Жабборов Т.К., Насретдинова Ф.Н., Назиржонова Ш.С., Хомиджонов З.М., Рахимов М.Ф., Бойназаров Б.Б. Использованж систeмы аскуэ для повышeния энepгeтичeской эффeктивности пpоцeссов анализа потpeблeния элeктpоэнepгии // Вестник науки и образования, 2019. № 19 (73).Часть 2. С. 13-16.

8. Жабборов Т.К., Насретдинова Ф.Н., Бойназаров Б.Б., Эргашев К.Р. Электрические цепи содержащие нелинейные элементы и методы их расчёта // Вестник науки и образования, 2019. № 19 (73).Часть 2. С. 10-13.

9. Бойназаров Б.Б., Шерматов Б.А., Неъматов Ш.М.Методы расчета потерь мощности в электрических сетях // Проблемы современной науки и образования, 2019. № 12 (145). Часть 2. Ст. 76-80.

10. Эралиев Х.А., Латипова М.И., Бойназаров Б.Б., Абдуллаев А.А., Ахмаджонов А.Э. Восстановление разреженного состояния в сравнении с обобщенной оценкой максимального правдоподобия энергосистемы // Проблемы современной науки и образования, 2019. № 12 (145). Часть 2. Ст. 80-85.

Двигатель Стирлинга: концепция, конструкция, принцип работы

История двигателя Стирлинга

Изначально, установку разрабатывали с целью заменить машину, работающую за счёт пара. Котлы паровых механизмов взрывались, при превышении допустимых норм давлением. С этой точки зрения Стирлинг намного безопасней, функционирует, используя температурный перепад.

Принцип работы двигателя Стирлинга в поочередной подаче или отборе тепла у вещества, над которым совершается работа. Само вещество заключено в объём закрытого типа. Роль рабочего вещества выполняют газы, либо жидкости. Встречаются вещества, выполняющие роль двух компонентов, газ преобразовывается в жидкость и наоборот. Жидкопоршневой мотор Стирлинга обладает: небольшими габаритами, мощный, вырабатывает большое давление.

Уменьшение и увеличение объёма газа при охлаждении либо нагреве соответственно, подтверждается законом термодинамики, согласно которого все составляющие: степень нагрева, величина занимаемого пространства веществом, сила, действующая на единицу площади, связаны и описываются формулой:

Принцип работы двигателя

Что бы понять, как работает двигатель Стирлинга, разберёмся в устройстве и периодичности явлений агрегата. Механизм преобразует тепло, полученное от нагревателя, находящегося за пределами изделия в действие силы на тело. Весь процесс происходит благодаря температурному перепаду, в рабочем веществе, находящемся в закрытом контуре.

Принцип действия механизма базируется на расширении за счёт тепла. Непосредственно до расширения, вещество в замкнутом контуре нагревается. Соответственно, перед тем, как сжаться, вещество охлаждают. Сам цилиндр (1) окутан водяной рубашкой (3), ко дну подается тепло. Поршень, совершающий работу (4) помещен в гильзу и уплотнён кольцами. Между поршнем и дном находится механизм вытеснения (2), имеющий значительные зазоры и свободно перемещающийся. Вещество, находящееся в замкнутом контуре, двигается по объёму камеры за счёт вытеснителя. Перемещение вещества ограничено двумя направлениями: дно поршня, дно цилиндра. Движение вытеснителя обеспечивает шток (5), который проходит через поршень и функционирует за счет эксцентрика с запаздыванием на 90° в сравнении с приводом поршня.

Поршень расположен в крайнем нижнем положении, вещество охлаждается за счет стенок.

Вытеснитель занимает верхнее положение, перемещаясь, пропускает вещество через торцевые щели ко дну, сам охлаждается. Поршень стоит неподвижно.

Вещество получает тепло, под действием тепла увеличивается в объёме и поднимает расширитель с поршнем вверх. Совершается работа, после чего вытеснитель опускается на дно, выталкивая вещество и охлаждаясь.

Поршень опускается вниз, сжимает охлаждённое вещество, выполняется полезная работа. Маховик служит в конструкции аккумулятором энергии.

Рассмотренная модель без регенератора, поэтому КПД механизма не велико. Тепло вещества после совершения работы отводится в охлаждающую жидкость, используя стенки. Температура не успевает снижаться на нужную величину, поэтому время охлаждения продлевается, скорость мотора маленькая.

Виды двигателей

Конструктивно, есть несколько вариантов, использующих принцип Стирлинга, основными видами считаются:

• Двигатель «α – Стирлинг»:

Конструкция применяет два разных поршня, помещенных в различные контуры. Первый контур используется для нагрева, второй контур применяется для охлаждения. Соответственно, каждому поршню принадлежит свой регенератор (горячий и холодный). Устройство обладает хорошим соотношением мощности к объёму. Недостаток в том, что температура горячего регенератора создает конструктивные сложности.

• Двигатель «β – Стирлинг»:

Конструкция использует один замкнутый контур, с разными температурами на концах (холодный, горячий). В полости расположен поршень с вытеснителем. Вытеснитель делит пространство на холодную и горячую зону. Обмен холодом и теплом происходит путём перекачивания вещества через теплообменник. Конструктивно, теплообменник выполняется в двух вариантах: внешний, совмещённый с вытеснителем.

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

Читайте также…  Двигатель Рено К4М — Особенности обслуживания и типичные неисправности

Поршневой механизм предусматривает применение двух замкнутых контуров: холодного и с вытеснителем. Мощность снимается с холодного поршня. Поршень с вытеснителем с одной стороны горячий, с другой стороны холодный. Теплообменник располагается как внутри, так и снаружи конструкции.

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

• Роторный двигатель Стирлинга.

Конструктивно изобретение с двумя роторами на валу. Деталь совершает вращательные движения в замкнутом пространстве цилиндрической формы. Заложен синергетический подход реализации цикла. Корпус содержит радиальные прорези. В углубления вставлены лопасти с определённым профилем. Пластины надеты на ротор и могут двигаться вдоль оси при вращении механизма. Все детали создают меняющиеся объёмы с выполняющимися в них явлениями. Объёмы различных роторов связаны при помощи каналов. Расположение каналов имеют сдвиг в 90° друг к другу. Сдвиг роторов относительно друг друга составляет 180°.

• Термоакустический двигатель Стирлинга.

Двигатель использует акустический резонанс для проведения процессов. Принцип основан на перемещении вещества между горячей и холодной полостью. Схема уменьшает количество движущихся деталей, сложность в снятии полученной мощности и поддержании резонанса. Конструкция относится к свободнопоршневому виду мотора.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

1. Стенки цилиндра, где ходит вытеснитель, должны быть сделаны так, чтобы не проводить тепло.
2. Один край цилиндра – холодный, другой- горячий. Чем больше разница температур – тем выше эффективность работы.
3. Между стенками цилиндра и вытеснителем должен быть зазор (3 мм достаточно), чтобы было куда воздуху просачиваться с холодной камеры в горячую.
4. Не должно быть утечек воздуха (свести их к минимуму). Это одно из основных причин, которые не дают двигателю работать.
5. Убрать все трение по максимуму. Используйте силиконовую смазку – она дает очень хороший результат.
Удачи в техническом творчестве!

Использование гелия

В то же время появилась идея заменить рабочий фактор. До сих пор под лозунгом «рабочий фактор» в двигателях Стирлинга мы понимали обычный атмосферный воздух. В какой-то момент инженеры и ученые задали вопрос, есть ли что-то лучше с точки зрения термодинамических свойств? Да. Более или менее с 1930-х годов этот газ был коммерчески продан в промышленных количествах. Это гелий. Использование гелия в качестве рабочего вещества значительно повышает эффективность двигателей Стирлинга. Однако использование нового фактора вызвало совершенно новые проблемы. Гелий плохо хранится даже при комнатной температуре. То есть. из-за очень малых частиц, он имеет тенденцию проникать в большинство материалов, используемых в технологии со сталью в головке. В 60-х и 70-х годах были изучены гелиевые двигатели. Их характерная особенность, видимая на фотографиях,… прикреплена к двигателю гелиевого цилиндра, используемого для пополнения газа, выходящего из двигателя практически через все его элементы. Проблема была серьезной. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично. Для обеспечения конкурентоспособности с другими двигательными системами (т. Е. В основном двигателями внутреннего сгорания) среднее давление рабочей среды в двигателях Стирлинга составляло 20… 30 бар, а температура горячих частей двигателей (нагреватель) часто превышала 500 градусов по Цельсию (с разностью температур 400 градусов). Проблемы утечки двигателей «на гелие» до сих пор не были решены практически и экономично.

Моторы Стирлинга, их применение в конце 20 века

В конце 20-го века двигатели Стирлинга снова вернулись. Оба НАСА, Государственный департамент США и Европейский союз инвестировали в исследования новых поколений двигателей Стирлинга. Они были в основном предназначены для солнечных систем (т. Е. Источник тепла должен был быть солнечным светом, сфокусированным на обогревателе двигателя большим параболическим зеркалом). Многие из этих двигателей имели неровный дизайн.

Пример проекта двигателя Стирлинга, предложенного г-ном Мацей Жукашем в соответствии с патентом P.389415 . Проект выполнен в рамках магистерской работы на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: проф. Вяслав Остапски, PhD, Eng.

Идея этой идеи заключалась в том, что весь двигатель с электрическим генератором должен быть запечатан в герметичном (для гелиевого) несъемного корпуса, считая, что он не может использоваться на протяжении всего срока его службы. Однако на этот раз технология не удалась. Если были получены положительные результаты, они были связаны со слишком высокими издержками. Наилучшим образом, самые распространенные двигатели Стирлинга в двадцатом веке остались в Индии настольные вентиляторы, конструктивно похожие на вышеупомянутые насосы для аквариума…

Пример солнечной системы с электрическим генератором, приводимым в движение двигателем Стирлинга. Источник: Wikimedia Commons , автор: Загружено Skyemoor .

Одной из последних идей использования двигателей Стирлинга было «спуск с параметров». То есть нашли применение для двигателей с низкими характеристиками и существенно более низкой эффективностью, чем двигатели внутреннего сгорания и электродвигатели. Примерно в начале XXI века с помощью двигателей Стирлинга была обнаружена идея восстановления энергии, утраченной в процессах нагрева, таких как «дымоход» с дымовым газом из СО-печей. Однако экономический расчет по-прежнему был против использования таких решений в больших масштабах.

Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах.

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга STM с начала 21 века. Электрическая мощность: около 38 кВт или 65 кВт. Высота корпуса: около 1 м. Источник: Викисклада , автор: В.Т.Чыманский.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

• альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
• бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
• гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

• большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
• использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
• потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
• резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

• любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
• экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
• экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
• конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
• повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

Дальнейшая разработка горелки

Новая горелка сейчас строится, она будет соответствовать ребристой геометрии головки нагревателя и будет выдавать более высокую теплоотдачу для предполагаемого вывода выходного вала 700 Вт на 1800 оборотов в минуту. Конструкция горелки должна быть готова к тестированию в следующем месяце или чуть позже, и должна быть полностью готова для исследования и раскрытия полного потенциала этого двигателя.

Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора

У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки —  то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.

Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.

Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов

Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов

Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.

Корпус регенератора

Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного  процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений. Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом.

Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой

Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.

Компрессионный насос двигателя стирлинга

«Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.

Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга

Новый дизайн и появление MK II

В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.

Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки

Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.

Кулер с рёбрами для двигателя стирлинга

Вдохновленный MP1002C Philips

В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.

Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.

Схема расположения цилиндров в двойной гамме.

На рисунке изображено два «горячих» цилиндра, в которых расположены вытеснители. Они работают разнонаправленно со сдвигом фаз в 180°. Для упрощения схемы работы на рисунке не обозначен регенератор. Красными линиями выделены области нагрева цилиндров (нагреватель), синими линиями — места охлаждения (холодильник).

Снизу в центре нарисован рабочий цилиндр с рабочим поршнем. В зависимости от положения вытеснителей он может принимать значения верхней мёртвой точки (ВМТ) или нижней мёртвой точки (НМТ). Чтобы не перегружать схему, умышлено я опустил механику привода. Она может быть выбрана на усмотрение самого разработчика.

«Стирлинг» от компании GM

Серьезная работа по усовершенствованию двигателя внешнего сгорания, начавшаяся через 150 лет после его изобретения, уже принесла свои плоды. Предложены различные конструктивные варианты двигателя, работающего по циклу Стирлинга. Есть проекты моторов с наклонной шайбой для регулирования хода поршней, запатентован роторный двигатель, в одной из роторных секций которого происходит сжатие, в другой — расширение, а подвод и отвод тепла осуществляется в соединяющих полости каналах. Максимальное давление в цилиндрах отдельных образцов доходит до 220 кГ/см 2 , а среднее эффективное давление — до 22 и 27 кГ/см 2 и более. Экономичность доведена до 150 г/л.с./час. Наибольшего прогресса достигла компания General Motors, которая в 1970-е годы построила V-образный «стирлинг» с обычным кривошипно-шатунным механизмом. Один цилиндр у него рабочий, другой — компрессионный. В рабочем находится только рабочий поршень, а поршень-вытеснитель — в компрессионном цилиндре. Между цилиндрами расположены подогреватель, регенератор и охладитель. Угол сдвига фаз, иначе говоря угол отставания одного цилиндра от другого, у этого «стирлинга» равен 90°. Скорость одного поршня должна быть максимальной в тот момент, когда скорость другого равна нулю (в верхней и нижней мертвых точках). Смещение фаз в движении поршней достигается расположением цилиндров под углом 90°. Конструктивно это самый простой «стирлинг». Но он уступает двигателю с ромбическим кривошипным механизмом в уравновешенности. Для полного уравновешивания сил инерции в V-образном двигателе число его цилиндров должно быть увеличено с двух до восьми.

Принципиальная схема V-образного «стирлинга»

: 1 — рабочий цилиндр; 2 — рабочий поршень; 3 — подогреватель; 4 — регенератор; 5 — теплоизолирующая муфта; 6 — охладитель; 7 — компрессионный цилиндр.

Рабочий цикл в таком двигателе протекает следующим образом. В рабочем цилиндре 1 газ (водород или гелий) нагрет, в другом, компрессионном 7 — охлажден. При движении поршня в цилиндре 7 вверх газ сжимается — такт сжатия. В это время начинает двигаться вниз поршень 2 в цилиндре 1. Газ из холодного цилиндра 7 перетекает в горячий 1, проходя последовательно через охладитель 6, регенератор 4 и подогреватель 3 — такт нагревания. Горячий газ расширяется в цилиндре 1, совершая работу, — такт расширения. При движении поршня 2 в цилиндре 1 вверх газ перекачивается через регенератор 4 и охладитель 6 в цилиндр 7 — такт охлаждения. Такая схема «стирлинга» наиболее удобна для реверсирования. В объединенном корпусе подогревателя, регенератора и охладителя (об их устройстве речь пойдет позже) для этого сделаны заслонки. Если перевести их из одного крайнего положения в другое, то холодный цилиндр станет горячим, а горячий — холодным, и двигатель будет вращаться в обратную сторону. Подогреватель представляет собой набор трубок из жаростойкой нержавеющей стали, по которым проходит рабочий газ. Трубки нагреваются пламенем горелки, приспособленной для сжигания различных жидких топлив. Тепло от нагретого газа запасается в регенераторе. Этот узел имеет большое значение для получения высокого КПД. Он выполнит свое назначение, если будет передавать примерно в три раза больше тепла, чем в подогревателе, и процесс займет меньше 0,001 секунды. Словом, это быстродействующий аккумулятор тепла, причем скорость теплопередачи между регенератором и газом составляет 30 000 градусов в секунду. Регенератор, КПД которого равен 0,98 единицы, состоит из цилиндрического корпуса, в котором последовательно расположены несколько шайб, изготовленных из проволочной путанки (диаметр проволоки 0,2 мм). Чтобы тепло от него не передавалось холодильнику, между этими агрегатами установлена теплоизолирующая муфта. И наконец, охладитель. Он выполнен в виде водяной рубашки на трубопроводе. Мощность «стирлинга» регулируется изменением давления рабочего газа. Для этой цели двигатель оборудуется газовым баллоном и специальным компрессором.

Возрождение

Эти двигатели снова стали развиваться благодаря компании Philips. В середине двадцатого века с ней заключила договор General Motors. Она вела разработки для применения Стирлингов в космических и подводных устройствах, на судах и автомобилях. Вслед за ними другая компания из Швеции, United Stirling, стала заниматься их развитием, включая и возможное использование на легковых автомобилях.

Сегодня линейный двигатель Стирлинга применяется на установках подводных, космических и солнечных аппаратов. Большой интерес к нему вызван из-за актуальности вопросов ухудшения экологической обстановки, а также борьбы с шумом. В Канаде и США, Германии и Франции, а также Японии идут активные поиски по развитию и совершенствованию его использования.

Цена методичности

Когда узнаешь о старой технической идее, возродившейся в современной технике, сразу же возникает вопрос: что же препятствовало ее осуществлению раньше? В чем состояла та проблема, та «зацепка», без решения которой она не могла проложить себе дорогу в жизнь? И почти всегда выясняется, что своим возрождением старая идея обязана либо новому технологическому методу, либо новой конструкции, до которой не додумались предшественники, либо новому материалу. Двигатель внешнего сгорания можно считать редчайшим исключением. Теоретические расчеты показывают, что к.п.д. «стирлингов» и «эриксонов» могут достигать 70 процентов — больше, чем у любого другого двигателя. А это значит, что неудачи предшественников объяснялись второстепенными, в принципе устранимыми факторами. Правильный выбор параметров и областей применения, скрупулезное исследование работы каждого узла, тщательная обработка и доводка каждой детали позволили реализовать преимущества цикла. Уже первые экспериментальные образцы дали КПД 39 процентов! (к.п.д. бензиновых двигателей и дизелей, которые отрабатывались годами, соответственно 28—30 и 32—35 процентов.) Какие же возможности «просмотрели» в свое время и Стирлинг и Эриксон? той самой емкости, в которой попеременно то запасается, то отдается тепло. Расчет регенератора в те времена был просто невозможен: науки о теплопередаче не существовало. Его размеры принимались на глазок, а как показывают расчеты, КПД двигателей внешнего сгорания очень сильно зависит от качества регенератора. Правда, его плохую работу можно в определенной степени компенсировать повышением давления. Вторая причина неуспеха была в том, что первые установки работали на воздухе при атмосферном давлении: их размеры получались огромными, а мощности — малыми. Доведя к.п.д. регенератора до 98 процентов и заполнив замкнутый контур сжатым до 100 атмосфер водородом или гелием, инженеры наших дней увеличили экономичность и мощность «стирлингов», которые даже в таком виде показали к.п.д. более высокий, чем у двигателей внутреннего сгорания. Уже одного этого было бы достаточно, чтобы говорить об установке двигателей внешнего сгорания на автомобилях. Но только высокой экономичностью отнюдь еще не исчерпываются достоинства этих возрожденных из забвения машин.

Первый тип двигателя. «Альфа»

Первой моделью, которая использовалась, стала «Альфа» Стирлинга. Особенность его конструкции состоит в том, что она имеет два силовых поршня, находящихся в разных в раздельных цилиндрах. Один из них имел достаточно высокую температуру и был горячим, другой, наоборот, холодным. Внутри теплообменника с высокой температурой располагалась горячая пара цилиндр-поршень. Холодная пара находилась внутри теплообменника с низкой температурой.

Основными преимуществами теплового двигателя внешнего сгорания стало то, что они имели высокую мощность и объем. Однако температура горячей пары при этом была слишком велика. Из-за этого возникали некоторые технические трудности в процессе изготовления таких изобретений. Регенератор данного устройства находится между горячей и холодной соединительными трубками.

Второй образец. «Бета»

Вторым образцом стала модель «Бета» Стирлинга. Основное конструктивное отличие заключалось в том, что имелся лишь один цилиндр. Один из его концов выполнял роль горячей пары, а другой конец оставался холодным. Внутри данного цилиндра перемещался поршень, с которого можно снимать мощность. Также внутри имелся вытеснитель, который отвечал за изменение объема горячей рабочей зоны. В данном оборудовании использовался газ, который перекачивался из холодной зоны в горячую через регенератор. Этот вид двигателя внешнего сгорания обладал регенератором в виде внешнего теплообменника или же совмещался с поршнем-вытеснителем.

Двигатель внешнего сгорания Лукьянова

Юрий Лукьянов – это научный сотрудник Псковского политехнического института. Он уже достаточно давно занимается разработкой новых моделей двигателей. Ученый старался сделать так, чтобы в новых моделях отсутствовали такие элементы, как коробка передач, распредвал и выхлопная труба. Основной недостаток устройств Стирлинга заключался в том, что они имели слишком большие габариты. Именно этот недостаток ученому и удалось устранить за счет того, что лопасти были заменены на поршни. Это помогло уменьшить размер всей конструкции в несколько раз. Некоторые говорят о том, что можно сделать двигатель внешнего сгорания своими руками.

Источники

• https://motoran.ru/dvigatel/dvigatel-stirlinga
• https://izobreteniya.net/printsip-rabotyi-dvigatelya-stirlinga/
• https://econet.ru/articles/148660-elektrostantsii-na-dvigatele-stirlinga-prostota-ekonomichnost-i-ekologicheskaya-bezopasnost
• https://domolov.ru/moshhnyj-generator-700-vt-na-dvigatele-stirlinga.html
• https://texnotoys.ru/drugoe/dvigatel-stirlinga-svoimi-rukami.html
• https://www.syl.ru/article/378828/dvigatel-vneshnego-sgoraniya-vidyi-printsip-rabotyi-osobennosti

[свернуть]

Двигатель Стирлинга — сделать все самому

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

Альфа-Стирлинг — содержит два раздельных силовых поршня в раздельных цилиндрах. Один поршень — горячий, другой — холодный. Цилиндр с горячим поршнем находится в теплообменнике с более высокой температурой, в то время как цилиндр с холодным поршнем находится в более холодном теплообменнике. У данного типа двигателя отношение мощности к объёму достаточно велико, но, к сожалению, высокая температура «горячего» поршня создаёт определённые технические проблемы.

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

Бета-Стирлинг — цилиндр всего один, горячий с одного конца и холодный с другого. Внутри цилиндра движутся поршень (с которого снимается мощность) и «вытеснитель», изменяющий объем горячей полости. Газ перекачивается из холодной части цилиндра в горячую через регенератор. Регенератор может быть внешним, как часть теплообменника, или может быть совмещён с поршнем-вытеснителем.

Гамма-Стирлинг — тоже есть поршень и «вытеснитель», но при этом два цилиндра — один холодный (там движется поршень, с которого снимается мощность), а второй горячий с одного конца и холодный с другого (там движется «вытеснитель»). Регенератор может быть внешним, в этом случае он соединяет горячую часть второго цилиндра с холодной и одновременно с первым (холодным) цилиндром. Внутренний регенератор является частью вытеснителя.

Также существуют разновидности двигателя Стирлинга, не попадающие под вышеуказанные три классических типа:

Роторный двигатель Стирлинга — решены проблемы герметичности (патент Мухина на герметичный ввод вращения (ГВВ), серебряная медаль на международной выставке в Брюсселе «Эврика-96») и громоздкости (нет кривошипно-шатунного механизма, т.к. двигатель роторный).

Мы будем делать двигатель альфа-Стирлинга.

Для постройки двигателя понадобятся материалы:

— Банка из под шпрот
— Жесть
— Скрепки
— Поролон
— Пакет
— резинка

Инструменты:

— Кусачки
— Плоскогубцы
— Паяльник
— Ножницы
— Наждачная бумага

Начинаем сборку:

Нужно вымыть банку и зачистить края наждачной бумагой.

Дальше вырежем круг из жести, так что бы он лежал на внутренних краях банки.

С помощью линейки или штангенциркуля найдём центр.

Сделаем отверстие ножницами по центру.

Дальше возьмём кусок медной проволоки и скрепку.

Выпрямим скрепку.

Сделаем на конце кольцо.

Дальше намотаем на неё проволоку 4 витка виток к витку.

Скрепка должна ходить свободно.

Дальше лудим верхний слой спирали из проволоки без большого количества флюса и припоя прямо на скрепке. Потом аккуратно припаиваем к отверстию в крышке, так чтобы шток был перпендикулярен крышке.

Скрепка должна ходить свободно, если нет, то нужно всё сделать заново. Дальше сделаем сообщающее отверстие в крышке.

Потом нужно сделать вытеснитель, он будет из поролона.

Диаметр его должен быть таким, чтобы он ходил свободно, но не было большого зазора, высотой чуть больше половины внутренней высоты банки.

Дальше прорезаем в центре вытеснители отверстие под втулку из пробки или резины, дальше вставляем во втулку шток, всё заклеиваем.

Вытеснитель должен быть параллелен крышке! ЭТО КРИТИЧНО ДЛЯ РАБОТЫ!

Закрываем банку и запаиваем края. ВСЁ ДОЛЖНО БЫТЬ ГЕРМЕТИЧНО!

Далее делаем рабочий цилиндр.

Вырезаем полоску длиной 60 мм (6 см) и шириной 25 мм (2,5 см).

Загибаем край на 2 мм (0,2 см) плоскогубцами.

Формируем гильзу и спаиваем край.

Припаиваем гильзу над отверстием в крышке.

Дальше делаем мембрану.

Берём пакет и отрезаем от него квадратный кусок.

Продавливая немного плёнку пальцем внутрь прижмите края резинкой.

Должно получится так:

МОМЕНТ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЙ РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ!!!

Нужно нагреть свечкой дно банки и потянуть за шток, мембрана должна выгнуться наружу, а если отпустить вытеснитель со штоком должен опустится под собственным весом и мембрана вернётся на место, если этого не произошло, то вытеснитель сделан не правильно и/или  не герметична пайка.

Если всё в порядке, то нужно сделать колен вал и стойки. Разнос по кривошипам должен быть 90 град!

Кривошип мембраны должен быть высотой 7 мм, а вытеснителя  5 мм ( в пределах +0,1мм -1мм)!

Делаем стойки, тут можно сделать что угодно, можно взять трубки с проволочными подшипниками, можно сделать из скрепок как тут.

Теперь о шатунах.

Длина их определяется положением коленвала, нужно отмерить расстояние от штока/мембраны и нижней мёртвой точкой кривошипа. Кривошип мембраны крепится к ней через пробку или резиновую втулку диаметром около половины гильзы. Конец кривошипа вставляется в пробку.

СБОРКА ОКОНЧЕНА!!!!!

Двигатель должен заработать сразу от двух «чайных» свечек. Температурный градиент составляет ~80-85 град цельсия. Хорошо собранный двигатель может работать от температуры кипятка с кусочками льда на верхней крышке.

МНОГОТОПЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБНАЯ ЭФФЕКТИВНО РАБОТАТЬ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ КАЗАХСТАНА | Опубликовать статью ВАК, elibrary (НЭБ)

МНОГОТОПЛИВНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ СВЕРХМАЛОЙ МОЩНОСТИ С ТЕПЛОВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ ВНЕШНЕГО СГОРАНИЯ, СПОСОБНАЯ ЭФФЕКТИВНО РАБОТАТЬ В УСЛОВИЯХ СЕЛЬСКОЙ МЕСТНОСТИ КАЗАХСТАНА

Научная статья

Мехтиев А.Д.¹, Югай В.В.², Алькина А.Д.³, Есенжолов У.С.^4, *, Калиаскаров Н.Б.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-2633-3976;

² ORCID: 0000-0002-7249-2345;

³ ORCID: 0000-0003-4879-0593;

⁴ ORCID: 0000-0003-2536-6810;

⁵ ORCID: 0000-0001-9772-4205;

^{1, 2, 3, 4, 5} Карагандинский государственный технический университет, Караганда, Казахстан

* Корреспондирующий автор (newneil[at]mail.ru)

Аннотация: Проблема эффективного электроснабжения не решена в полном объеме до сих пор. Одним из путей решения данной проблемы является разработка микро тепловой электростанции, способной функционировать практически на любом топливе. Использование собственного источника энергии позволит снизить затраты на ее производство. Существенно повышаются показатели надежности электроснабжения и обеспечивается ее бесперебойная поставка потребителю. Предложенная нами электростанция приводиться в действия тепловым двигателем с внешним подводом теплоты. Приведены некоторые результаты компьютерного моделирования двигателя с внешним подводом тепла, который работает по принципу Стирлинга. Рассмотрены конструктивные особенности разрабатываемого двигателя.

Ключевые слова: тепловая электростанция, двигатель Стирлинга, когенерация, тепловая энергия, комплексное производство, альтернативная энергетика.

MULTI-FUEL ELECTRIC POWER STATION OF SUPER-SMALL POWER WITH EXTERNAL COMBUSTION THERMAL ENGINE CAPABLE OF EFFECTIVELY WORKING IN AGRICULTURAL KAZAKHSTAN

Research article

Mehtiyev A.D.¹, Yugai V.V.², Alkina A.D.³, Esenzholov U.S.^4, *, Kaliaskarov N.B.⁵

¹ ORCID: 0000-0002-2633-3976;

² ORCID: 0000-0002-7249-2345;

³ ORCID: 0000-0003-4879-0593;

⁴ ORCID: 0000-0003-2536-6810;

⁵ ORCID: 0000-0001-9772-4205;

^{1, 2, 3, 4, 5} Karaganda State Technical University, Karaganda, Kazakhstan

* Corresponding author автор (newneil[at]mail.ru)

Abstract: The problem of efficient power supply has not been fully resolved so far. One of the ways to solve this problem is to develop a micro thermal power plant capable of operating on virtually any fuel. Using its own energy source will reduce the cost of the production. It can also significantly increase the reliability of electricity supply and ensure uninterrupted supply to the consumer. The proposed power plant is driven by a heat engine with an external heat supply. Some results of computer simulation of an engine with an external heat supply, which works according to the Stirling principle, are given. The design features of the engine under development are considered.

Keywords: thermal power plant, Stirling engine, cogeneration, thermal energy, integrated production, alternative energy.

Общая часть и предварительный анализ уровня развития двигателя с внешним подводом теплоты. Двигатель Стирлинга (ДС), предложенный как альтернатива паровой машины в начале девятнадцатого века, претерпел множество этапов развития и трансформации, а также временных циклов развития и угасания, и сейчас вызывает достаточный интерес у изобретателей. Создаются все новые конструкции ДС и используются новые технологии для их создания. Сегодня некоторые модели могут оказать серьезную конкуренцию двигателям внутреннего сгорания (ДВС), например, по техническим и экологическим показателям. Несмотря на все достижения и преимущества они все же не нашли широкого применения как электрические машины или двигатели внутреннего сгорания, но на это есть ряд серьезных причин. Рабочее тело (газ или жидкость), движется в замкнутом объёме в условиях цикла периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Для его работы пригодно практически любое топливо или источник тепла [1, C. 27]. Благодаря чему этот уникальный в своем роде тепловой двигатель имеет высокий коэффициент полезного действия, равный максимальной эффективности тепловых машин, но на самом деле, на практике его достичь чрезвычайно сложно.

С исторической точки зрения, толчком в развитии данного направления послужил тепловой двигатель, предложенный католическим священником Робертом  Стирлингом, и запатентовавший им в 1816 году (английский патент № 4081). Тепловые двигатели, использующие в своей работе нагретый воздух, уже использовались в 17 веке, он лишь усовершенствовал конструкцию и предложил использовать регенератор, который он назвал «эконом». Модернизация позволила уменьшить вес и добиться КПД около 10%.  Этот узел позволил повысить эффективность и создать конкуренцию паровой машине, это дало возможность внедрить их на ряде предприятий, в первую очередь он был безопасным в плане допущения взрыва, что было не редкость для паровых машин того времени. Его машина была изготовлена из чугуна весом в одну тонну и вырабатывала 1 кВт мощности, на то время она могла оказать достойную конкуренцию паровой машине [2, C. 33]. Отсутствие износостойких уплотнений и жаропрочных сталей не позволили Стирлингу добиться успехов в эффективности, а бурное развитие ДВС и электромоторов в начале 20 века полностью вытеснили их с рынка, но с развитием технологий и материалов у инженеров в 50 – 60 годах прошлого века снова появился к ним интерес. Разработки новых конструкций ДС продолжаются по сей день. Например, особенных успехов добилась фирма Philips производившая компактные электрогенераторы на основе двигателя с внешним подводом теплоты работающий по циклу Стирлинга с КПД около 30 %, что пока не достижимо для большинства современных бензиновых электростанций с ДВС [3, C. 78]. Новые машины имели более высокую эффективность за счет повышения давления в рабочей полости (в цилиндрах и камерах), что существенно улучшило показатель «вес/габарит/мощность».

Проведенный нами обзор показал, что более чем за двухсотлетнюю историю развития они прошли несколько этапов трансформации и существенных конструктивных изменений, повысивших их эффективность. Сегодня инженерами различных стран мира созданы десятки конструкций тепловых двигателей с внешним подводом теплоты (ДВПТ), работающих по циклу Стирлинга. Будет правильней утверждать, что данные тепловые двигатели объединяет только ряд существенных признаков, связанных с внешним подводом теплоты и тепловым циклом Стирлинга. Сам Стирлинг не является автором всех разработок, напротив, его тепловая машина во многом была несовершенна, о чем он сам писал лично, а современные двигатели с внешним подводом тепла в некоторых конструкциях не имеют ничего общего с предложенным им изобретением. В научной литературе совершенно разные по конструкции ДВПТ приписываются к авторству Стирлинга, о которых не было и речи в его работах.

Существуют основные типы тепловых двигателей Стирлинга: альфа, бета и гамма, но более перспективными в настоящее время для использования в энергетике являются свободнопоршневые и термоакустические машины, так как у них более высокий КПД и лучшие показатели массогабаритных размеров на единицу мощности [4, C.57]. Двигатель Стирлинга применяется в случаях, когда необходим небольшой преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Двигатели Стирлинга могут применяться для преобразования тепловой энергии в механическую, а затем в электрическую. На них возлагают надежды по созданию солнечных электроустановок. Их применяют как автономные генераторы для туристов. Некоторые предприятия выпускают генераторы, которые работают от конфорки газовой печи.

Можно выделить ряд преимуществ использования двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции:

1. многотопливность и способность работать на доступном в данной местности топливе;
2. значительный моторесурс от 20000 часов;
3. возможность когенерации тепла и комплексного производства энергии;
4. от 3 до 6 раз меньшая стоимость выработанного киловатта энергии;
5. полная автономность и независимость от тарифа и конъюнктуры рынка нефти и природного газа;
6. высокие экологические показатели Евро – 5 и выше, что соответствует самым жестким мировым экологическим стандартам;
7. срок окупаемости когенерационных установок 2-4 года;
8. отсутствие необходимости прокладки и обслуживания электросетей при электрификации отдаленных районов;
9. значительное сокращение расходов региональных бюджетов на закупку привозного топлива.

В различное время ряд зарубежных фирм очень активно вели работу по исследованию и разработке новых конструкций ДС или двигателя с внешним подводом теплоты, например, ‘Philips” (Нидерланды), “General Motors Co”, “Ford Motor Co”, “NASA Lewis Research Center”, “Los Alamos National Laboratory” (США), “MAN-MBW” (Германия), “Mitsubishi Electric Corp.”, “Toshiba Corp.” (Япония). В течение последнего десятилетия к работам по созданию двигателей Стирлинга приступили также в “Daimler Benz” и “Cummins Power Generation” (СPG) [5]. В различное время проведено множество исследований и практических опытов по вопросу использования двигателя Стирлинга для различных нужд, в том числе для производства электроэнергии [6]. В настоящее время на территории России активно работают несколько крупных компаний занимающиеся разработкой электростанций когенерационного типа, например, ООО “ИИЦ “Стирлинг-технологии”. На рынке имеется продукция произведенная ОАО «Машиностроительный завод «Арсенал», НПО «Гелиймаш» и др. Выпускаемые этими предприятиями ДВПТ, не являются Российскими разработками, а представляют собой копии криогенных машин, ранее выпускаемых голландскими фирмами “N.V. Philips Gloeilampenfabrieken” (“Филипс”) и “Werkspoor”. В России из-за экономического кризиса сложилась крайне неблагоприятная инновационная атмосфера и научные организации, в которых ранее велись работы по созданию новых  конструкций ДВПТ, например, МВТУ им. Баумана, ВНИИГТ, ОмПИ (ТУ), СПбГТУ (Политехнический университет), ЦНИДИ, вынуждены были из-за финансовых трудностей закрыть свои программы. В то же время в странах Евросоюза, США и Японии за последние 15 лет достигнуты положительные результаты в создании высокоэффективных машин Стирлинга, например термоакустического типа с линейными генераторами. Специалистами ООО «Инновационно – исследовательский центр «Стирлинг – технологии» вначале 21 века был проведен ряд экспериментальных исследований, в результате которых была разработана новая методология проектирования и расчета машин данного цикла. Данная методология включает в себя несколько “ноу-хау”, среди которых: уникальный метод двухуровневой многопараметрической оптимизации машин Стирлинга; структурный синтез машин Стирлинга на основе метода функцио­нально-эксергетического анализа сложных тепломеханических устройств и оптимального конструирования. На основании предложенных технических решений, специалистами ООО «Инновационно – исследовательский центр «Стирлинг – технологии», за 1994-2003 году было подано более 150 заявок на предполагаемые изобретения. Особое внимание уделялось проработке отдельных узлов машин Стирлинга и их конструктивного исполнения, а также созданию новых принципиальных схем установок различного функционального назначения. Практика показала, что оптимальное конструирование позволит в значительной степени сокра­тить суммарную удельную стоимость машин при их опытном изготовлении и серийном производстве. Предлагаемые технические решения, с учетом того, что машины Стирлинга менее дороги в эксплуатации, позволяют повысить их экономическую рентабельность по сравнению традиционными преобразователями энергии. Дальнейшее широкое распространение машин Стирлинга будет связано с развитием теории проектирования многоцилиндровых машин данного цикла, что позволит создавать двигатели и холодильные машины производительностью до 1000 кВт.

Некоторые проблемы, связанные с созданием высокоэффективных машин Стирлинга. Проанализированный нами зарубежный опыт по созданию высокоэффективных ДВПТ или двигателей Стирлинга показал, что без точного математического моделирования рабочих процессов и оптимального конструирования основных узлов, доводка проектируемых машин превращается в многолетние изнурительные экспериментальные исследования с малой вероятностью успешного результата. Ведущие разработки фирм стран Евросоюза, США и Японии, опираются на теоретические и экспериментальные исследования своих ученых из университетов и технопарки которые занимаются разработкой отдельных типов машин Стирлинга. Имеются не в полном объеме решенные технические проблемы, связанные конструкцией отдельных узлов, особенно уплотнений, регулирования мощности и т.д. Имеются проблемы обусловленные применением различных рабочих тел, например, низкая эффективность воздуха при нагреве и предотвращение утечек водорода, который является наиболее эффективным рабочим телом. Есть конструкции использующие в качестве рабочего тела гелий, он намного эффективнее воздуха, но обладает сверхтекучестью, что предъявляет повышенные требования к уплотняющим элементам рабочий поршней, штока вытеснителя и т.д., а это влияет на стоимость изготовления ДВПТ. В отличие от ДВС уплотнения работают в режиме сухого трения, так как смазка может сильно загрязнять рабочее тело и негативно влиять на работу ДВПТ, поэтому и уплотнения должны иметь низкий коэффициент трения и высокую износостойкость. Продолжается работа по проектированию перспективных и новых конструкций ДВПТ, которые внедряются в производство, например, свободно поршневых, не имеющих недостатков классических ДВПТ. Для достижения высокого КПД необходим высокий уровень технологии производства и качества материалов, а это повышает их стоимость, делая не доступными для массового повсеместного использования. К примеру, компания WhisperGen (Новая Зеландия) разработала для Европейского рынка микротепловую электростанцию когенерационного типа c тепловым двигателем внешнего сгорания (двигателем Стирлинга), стоимостью около 8 тыс. евро, но если учесть ее доставку в Казахстан, то цена вырасти минимум на 50%. Данная установка способна комплексно вырабатывать электрическую мощность — 1 кВт и тепловую — 5,5 кВт, что может хватить для небольшого сельского дома. Естественно сельскому жителю данная техника не доступна из-за высокой стоимости и отсутствия природного газа для ее работы, это делает ее невостребованной на селе. Высокая стоимость формируется из-за необходимости применения жаростойких сплавов и цветных металлов, их сварки и пайки. Немалые средства вкладываются в изготовления регенератора и насадки для него, так как необходимо с одной стороны высокая теплоемкость, а другой стороны, низкого гидравлического сопротивления. Производство требует высокотехнологичного оборудования и высокой квалификации рабочего персонала, а это тоже существенно повышает стоимость. Высокая наукоемкость и технологичность производства, а также использование дорогостоящих материалов является основным сдерживающим фактором широкого распространения современных ДВПТ. Для создания конкурентоспособных на мировом рынке ДВПТ можно добиться только в результате синтеза передовых научных исследований и высокопрофессиональной конструктивной проработки основных узлов, а также передовой технологии производства.

Разработка многотопливной электростанции сверхмалой мощности с тепловым двигателем внешнего сгорания.

Целью нашей научной работы является разработка двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции способной эффективно в условиях сельской местности Казахстана.

Своей будущей задачей мы ставим разработку серии микроэлектростанций мощностью от 1 до 100 кВт на основе свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания и линейным генератором для энергообеспечения сельских жителей Казахстана. Наша работа выполнена в рамках проекта «Микротепловая электростанция когерационного типа с рекуперацией тепла» (№ АР05131751).

Данный тип теплового двигателя был изобретен в 50 – е годы прошлого века в США фирмой «Санпауэр». Конструкция получилась настолько удачная из всего семейства Стирлингов, что инженеры НАСА разработали несколько вариантов для использования их на космических кораблях. Немецкие инженеры сделали ряд разработок для использования их в быту, он может работать как генератор, насос и термокомпрессор [7, C. 85].

Ранее были сформулированы ряд рекомендаций по использованию двигателя Стирлинга для энергообеспечения сельских потребителей , а также приводили основные результаты исследований. Компактная когенерационная энергетическая установка способна производить электрическую и тепловую энергию, при соотношении 1/5 кВт, с КПД 10-20% и 40-50%, соответственно по видам энергии. В перспективе проведение работы по совершенствованию конструкции и оптимизации параметров для достижения комплексного КПД около 90%. Данная установка будет производить тепловую энергию примерно в 5 раз больше, чем электрическую, так как тепловая энергия охлаждающей воды и отработанных газов используется для нужд теплоснабжения потребителей. Эффективность применения двигателя Стирлинга в когенерационных установках, по сравнению с ДВС, обусловлена особенностью его теплового баланса. На рисунке 1 показана компоновка многотопливной микроэлектростанции мощностью в 1 кВт с двигателем с внешним подводом теплоты, в трех возможных вариантах, основанных на использовании энергосберегающего эффекта «Тандыра». Данная установка производит 1 кВт/ч электрической энергии и 5-6 кВт/ч тепловой, что в полнее достаточно для небольшого сельского дома. Контур охлаждения работает в летнее время, а в холодное время года его заменяет система отопления жилого дома. Установка работает на аккумулирование электрической и тепловой энергии. Накопители позволяют добиться стабильности в ее работе и обеспечить пики максимальной нагрузки, а также сбалансировать объемы произведенной и потребляемой энергии при минимальных потерях. Установка монтируется в печь или «Тандыр», которую предварительно разжигают, возможна также работа установки в длительном режиме с поддержанием процесса горения топлива.

Установка состоит из: свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания 1; линейного генератора переменного тока на постоянных магнитах 2 и кабельной линии 3 с напряжением 220 В. Кабель подключается к преобразователю AC220/DC24В, для зарядки аккумулятора емкостью примерно 200 А/ч; система охлаждения (отопления) 4, чем эффективнее она работает тем выше КПД всей установки; нагреватель рабочего тела 5 из нержавеющей жаропрочной стали; система подвода воздуха 6; основание земли 7; кирпичная кладки из шамотного кирпича 8; трубопровод для системы охлаждения 9; колосниковая решетка 10; бетонное основание печи 11; теплоизоляция 12; обшивка 13; люк для чистки 14; дымоход для удаления продуктов горения 15.

Установка работает следующим образом, под действием высокой температуры от 300 до 700⁰ С силовая установка на основе свободнопоршневого двигателя внешнего сгорания 1 приводит в движение линейного генератора переменного тока на постоянных магнитах 2, выработанный ток по кабельной линии 3 с напряжением 220 В поступает на преобразователь переменного тока в постоянный AC220/DC24В который имеет контроллер заряда и осуществляет зарядку аккумуляторов минимальной емкостью 200 А/ч, желательно увеличить емкость аккумуляторов в 2-3 раза, для исключения дефицита электроэнергии и избежание аварийного отключения автономной системы при разрядке аккумулятора. Если в доме есть несколько мощных приемников, то необходимо отдельно рассчитать необходимое для их работы емкость. Постоянный ток может напрямую доставляться потребителям, например светодиодным электрическим лампам и частично инвертироваться для приводов холодильника и стиральной машины. Важным моментом эффективной работы установки является система охлаждения (отопления) 4, чем эффективнее она работает, тем выше КПД всей установки, поэтому желательно лучше охлаждать рабочее тело, чем повышать температуру нагревателя. Система охлаждения подключается через трубопроводы 9 и разделяется на прямой и обратный, в качестве охлаждающей жидкости может быть использован автомобильный антифриз. Для циркуляции охлаждающей жидкости используется электрический насос(помпа), а подключение системы отопления дома осуществляется через теплообменный аппарат. Для хранения излишек тепловой энергии необходим бак с тепловой изоляцией емкостью 200 – 500 литров.

Рис. 1 – Возможные варианты компоновки многотопливной электростанции мощностью в 1 кВт с двигателем с внешним подводом теплоты

 

Нагреватель рабочего тела 5 непосредственно воспринимает высокую температуру и должен быть выполнен из жаропрочной стали, для повышения эффективности он снабжен дополнительными трубчатыми нагревателями и внутренним регенератором. Для обеспечения процесса горения топлива печь или «Тандыр» должны быть оснащены системой подачи воздуха 6. Важным моментом является конструкция самой печи, главное ее казачество должно быть энергосбережение и сохранение тепла, поэтому теплоизоляции уделяется особое внимание.

Электрическая схема установки показана на рисунке 2, основная идея заключается в разделении нагрузки на переменную и постоянную. Это позволит избежать излишних преобразований и потерь, так как большинство современного бытового электрооборудования работает на постоянном токе, например, ноутбук или сотовый телефон. Светодиодные электрические лампы тоже могут работать на постоянном токе без драйвера. Переменный ток необходим только холодильнику, стиральной машине, микроволновой печи, поэтому для них предусматривается инвертор. Система выработки электрической энергии состоит из линейного синхронного генератора переменного тока 1, выполненного на постоянных магнитах, полупроводникового выпрямителя переменного тока 2, контроллера заряда аккумулятора с реле 3 и 5, аккумуляторной батареи 4, распределительного устройства 6 для разделения нагрузки на переменный ток с питанием от инвертора и на постоянный ток для питания нагрузки постоянного тока напрямую от аккумуляторной батареи.

Рис. 2 – Электрическая схема генерации

 

Для проведения исследований нами был разработан экспериментальный двигатель с внешним подводом теплоты, представленный на рисунке 3, мощность электрического генератора на постоянных магнитах составляет 100 Вт.

В качестве рабочего тела используется гелий с добавлением небольшого в процентном отношении воды, что позволяет создавать давление до 12 МПа.

Нами проведено компьютерное моделирование свободнопоршневого двигателя, полученные результаты помогут создать оптимальную конструкцию с максимально возможным КПД. Установлен ряд зависимостей влияющих на мощность связанных с температурой нагревателя и охладителя, диаметром и ходом поршней, фазой и другими параметрами.

Рис. 3 – Экспериментальная лабораторная установка мощностью 100 Вт

 

Отдельно проведены эксперименты, позволяющие построить диаграмму замкнутого теплового цикла Карно и рассмотреть зависимость давления и объема при различных положениях поршней. Результаты приведены на рисунке 4.

Риc. 4 – Зависимости основных параметров свободнопоршневого двигателя при его работе

 

Проведенные исследования позволяют найти оптимальные параметры конструктивных частей теплового двигателя. Точно установить геометрические размеры поршня и вытеснителя, а также величину их хода с оптимальным значением фазового сдвига.

Вывод. Использование двигателя с внешним подводом теплоты для многотопливной микроэлектростанции способной эффективно работать в условиях сельской местности Казахстана является весьма перспективным и требует всестороннего научнного исследования. Считаем, что наиболее перспективной конструкцией привода силового агрегата является свободнопоршневой двигатель с внешним подводом теплоты.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Бобылев А. В. Математическая модель свободнопоршневого двигателя Стирлинга / Бобылев А. В., Зенкин В. А. // Техника. Технологии. Инженерия. – 2017. – №1. – С. 22-27.
2. Веревкин М. Г. Метод комплексного теплового и конструкторского расчета термомеханического генератора // Известия ВУЗов. Серия «Машиностроение». – 2004. – № 10. – С.33–37.
3. Афанасьев В.А. Оценка КПД криогенного двигателя Стирлинга, входящего в состав газификатора сжиженного природного газа системы питания газовым потоком судового двигателя / Афанасьев В.А., Цейтлин А.М., Поляков П.Б. и др. // Вестник АГТУ. Серия «Морская техника и технология». – 2013. – №1. – С.78–83.
4. Горожанкин С.А. Комбинированные газотурбинные установки с двигателями Стирлинга / Горожанкин С.А., Савенков Н.В., Чухаркин А.В. // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета – 2015. – №2(219). – С.57-66.
5. Свидетельство о государственной регистрации прав на объект авторского права Республики Казахстан. Мини ТЭЦ с линейным генератором тока с рекуператором для утилизации отходов подверженных горению. / Мехтиев А.Д., Югай В.В. Алькина А.Д. и др. // № 0956; опубл.23.05.2016.
6. Свидетельство о государственной регистрации прав на объект авторского права Республики Казахстан. Альтернативная теплоэнергетическая установка когенерационного типа мини-ТЭЦ. / Булатбаев Ф.Н. Югай В.В., Алькина А.Д., Нешина Е.Г. // №2385; опубл.15.11.2016.
7. Жаукешов А. М. К выбору компонентов солнечной электростанции с двигателем Стирлинга // Вестник КазНУ. Серия «Физическая». – 2014. – №4(51). – С.85-89.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Bobylev A. V. Matematicheskaya model svobodnoporshnevogo dvigatelya Stirlinga [The mathematical model of Stirling’s free-piston engine] / Bobylev A. V., Zenkin V. A. // Tekhnologii. Inzheneriya [Bulletin of Equipment. Technologies. Engineering. Ser. Power engineering] – 2017 – no.1 – P.22-27. [in Russian]
2. Verevkin M. G. Metod kompleksnogo teplovogo i konstruktorskogo rascheta termomekhanicheskogo generatora [Method of complex thermal and design calculation of a thermomechanical generator]/ Verevkin M. G. // Izvestiya VUZov. Seriya «Mashinostroyeniye» [Bulletin of Proceedings of higher educational institutions. Ser. Mechanical engineering] – 2004 –10 – P.33-37. [in Russian]
3. Afanas’ev V. A. Otsenka KPD kriogennogo dvigatelya Stirlinga. vkhodyashchego v sostav gazifikatora szhizhennogo prirodnogo gaza sistemy pitaniya gazovym potokom sudovogo dvigatelya [Estimation of the efficiency of the cryogenic Stirling engine, which is part of the gasifier of liquefied natural gas, the gas-powered system of the marine engine]/ Afanas’ev V.A. // Vestnik AGTU. Seriya «Morskaya tekhnika i tekhnologiya» [Bulletin of vestnik of astrakhan state technical university. Ser. marine engineering and technologies] – 2013 –1 – P.78-83. [in Russian]
4. Gorozhankin S.A. Kombinirovannyye gazoturbinnyye ustanovki s dvigatelyami Stirlinga [Combined gas turbine units with Stirling engines]/ Gorozhankin S. A.// Nauchno-tekhnicheskiye vedomosti Sankt-Peterburgskogo politekhnicheskogo universiteta [Bulletin of The founder and publisher of the journal is the St. Petersburg State Polytechnical University] – 2015 – 2(219) – P.57-66. [in Russian]
5. Mekhtiev A.D.Mini TETs s lineynym generatorom toka s rekuperatorom dlya utilizatsii otkhodov podverzhennykh goreniyu. [Mini CHP with a linear current generator with a recuperator for recycling waste combustible] / Mekhtiev A.D., Yugay V.V. Al’kina A.D. and others, Certificate of state registration of rights to the object of copyright of the Republic of Kazakhstan – 0956 – 23.05.2016. [in Russian]
6. Bulatbaev F.N. Al’ternativnaya teploenergeticheskaya ustanovka kogeneratsionnogo tipa mini-TETs. [Alternative heat-power plant cogeneration type mini-CHP.] / Bulatbaev F.N., Yugay V.V., Al’kina A.D., amd others // Certificate of state registration of rights to the object of copyright of the Republic of Kazakhstan – 2385 – 15.11.2016. [in Russian]
7. Zhaukeshov A. M. K vyboru komponentov solnechnoy elektrostantsii s dvigatelem Stirlinga [To the selection of components of a solar power station with a Stirling engine] / Zhaukeshov A.M. // Vestnik KazNU. Seriya «Fizicheskaya» [Bulletin of herald of the Kazakh National University. Ser. Physical] – 2014 –4(51) – P.85-89. [in Russian]

Автобусная экскурсия в замок Стирлинг (Stirling Castle) в Эдинбурге

Часто задаваемые вопросы

Что произойдет после оплаты?

Сразу после оплаты заказа вы получите смс и письмо на электронную почту с уведомлением об оплате, организатор также получит уведомление. После подтверждения заказа организатором в следующем письме вам будет отправлен электронный билет/ваучер, который понадобится вам в день экскурсии. В нем содержится инструкция и информация о заказе: дата, время и место встречи, подробности о том, как узнать гида, номер телефона организатора.

Какие карты вы принимаете к оплате?

VISA, MasterCard и МИР. Платежи с некоторых виртуальных карт не принимаются системой. Подробнее о способах оплаты — тут.

А если я хочу оплатить заказ полностью на сайте?

В случаях, где необходим только депозит, полная оплата противоречит условиям бронирования, оговоренных с партнерами. Поэтому, если гость желает оплатить экскурсию или билет полностью, мы несем за собой право взимать комиссию в размере 10% от стоимости заказа в счет последующего перевода организаторам. Чтобы оформить полную оплату, обратитесь к менеджерам поддержки сайта.

Можно ли оплатить наличными на месте?

Произвести оплату наличными можно через терминалы и отделения Евросети и Связного, а также в нашем офисе в Санкт-Петербурге (карта, как найти наш офис). Для многих экскурсий и билетов доступен способ оплаты наличными на месте. В описании таких экскурсий стоит зеленая галочка с пометкой «Можно оплатить наличными». После оформления заказа вам необходимо выбрать данный способ оплаты в предложенном списке на странице оплаты заказа, нажать “забронировать” и получить подтверждение бронирования от организатора.

Как оплатить наличными через терминалы/кассы Евросети и Связного?

На странице оплаты необходимо выбрать способ оплаты “Наличными в Евросети/Связном” и продолжить бронирование. Далее вы перейдете на страницу, где необходимо указать номер телефона (заполняется автоматически, если вы ввели его при бронировании) и подтвердить данные и получить код платежа (приходит в виде смс). В салонах связи обратитесь к кассиру/воспользуйтесь терминалом и произведите оплату через Яндекс.Платежи, введя полученный код. Оплата поступает моментально, вы получаете квитанцию (сохраните ее) и на электронную почту.

Что значит “забронировать” экскурсию или билет?

Бронирование — подтверждение вашего участия. На Sputnik8.com подтвердить свое участие в экскурсии означает внести предоплату (полная или частичная, в зависимости от конкретных экскурсий и билетов). В случае, если для экскурсии или билета доступен способ оплаты наличными, вам необходимо выбрать данный способ оплаты в предложенном списке, нажать кнопку “забронировать” и получить подтверждение от организатора.

За сколько дней нужно бронировать экскурсию или билет?

Вы можете оставить заявку на экскурсию или билет тогда, когда вам будет удобно, но завершить бронирование необходимо не позднее того периода бронирования, который указан в описании интересующих вас экскурсии или билета. Если после бронирования вы захотите поменять дату, то это можно сделать без дополнительных затрат, если у гида есть свободное время или в группах есть места — просто договоритесь об этом с гидом. При приобретении входных билетов изменение даты заказа может быть невозможно. Уточняйте подробности у службы поддержки Sputnik8.com.

Как забронировать экскурсию или билет без оплаты?

Это можно сделать, если в описании экскурсии или билета стоит зеленая галочка с пометкой «Можно оплатить наличными». Оформите заказ на сайте через форму бронирования, на странице оплаты заказа необходимо выбрать способ оплаты «Наличными на месте» в предложенном списке, нажать кнопку “забронировать” и получить подтверждение от организатора.

Вернут ли мне деньги за отмененную (мной/организатором) экскурсию?

Это зависит от конкретного случая. Подробнее здесь.

Могу я получить телефон гида/адрес организатора?

Все необходимые контакты будут доступны после завершения бронирования на сайте. После подтверждения заказа организатором вам будет отправлен электронный билет/ваучер, который понадобится вам в день экскурсии. В нем содержится инструкция и информация о заказе: дата, время и место встречи, подробности о том, как узнать гида, номер телефона/адрес офиса организатора.

Как оплатить все заказы сразу?

Зайдите в личный кабинет. Отметьте галочками экскурсии, которые Вы хотите оплатить на сайте, нажмите кнопку “Оплатить отмеченные заказы” и завершите бронирование, внеся оплату.

Как воспользоваться скидкой?

Скидка применяется только при оплате онлайн. Чтобы воспользоваться скидкой, нужно на странице оплаты заказа в поле «Сертификат или код скидки» ввести полученный на почту код и нажать «Применить». Сумма к оплате пересчитается. Вам необходимо завершить бронирование, внеся предоплату. Подробнее о скидках здесь. Не нашли ответ на свой вопрос? Перейдите в раздел “Помощь”.

Двигатель стирлинга мощный

Мощный генератор 700 Вт на двигателе Стирлинга

Чаще всего в интернете на глаза попадаются двигатели Стирлинга «хоббийного» типа, от которых вы навряд ли получите какую-либо полезную мощность. Конечно же многие из этих проектов вдохновляют и даже удивляют. Но, тем не менее, многие из них имеют право на будущее в качестве генераторов различной мощности, пусть даже и очень незначительной. Именно поэтому многие стирлингостроители с волнение и завистью смотрят на более перспективные, серьёзные и мощные генераторы на двигателях Стирлинга.

SV-2 представляет собой двигатель Стирлинга альфа конфигурации с использованием воздуха в качестве рабочего тела. Рабочее давление составляет 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм или 11.8 атмосфер или 1,2 мегапаскаля). Объем составляет 127 кубиков. Механическая выходная мощность на валу равна 700 Вт при 1800 оборотов в минуту.

На Ютьюбе есть видео генератора, разработанного на основе автомобильного компрессора от кондиционера. Далее перевод рассказа Дэйва Кирка, который представил на YouTube свой проект SV-2 MKII альфа-стирлинг (V-Twin) генератора.

Вдохновленный MP1002C Philips

В середине 80-х, я имел удовольствие быть свидетелем испытаний генераторной установки  MP1002C Philips которая на самом деле реально работала. Опыт произвёл на меня глубокое впечатление, особенно в том, как спокойно Стирлинг завёлся и ожил. Максимум шума исходил от горелки (камеры сгорания), но в конечном итоге от двигателя Philips исходил очень приятный звуковой фон — всё, что нужно было заменить — были шумящие подшипники.

Как говорится в старой поговорке, «Он работал и работал, как швейная машинка Зингер»! В то время, мой опыт общения с двигателями Стирлинга состоял из проектирования нескольких моделек настольного размера, но, увидев и услышав работающий двигатель Philips, я захотел спроектировать, сделать дизайн и собрать двигатель такого же калибра … сделать нечто достаточно большое, что производило бы полезную ощутимую работу.

Выбор пал на конфигурацию «альфа» по следующим причинам

• Эта конструкция имеет самое большое отношение рабочего объёма к общему объему двигателя, что позволяет физически получить компактный двигатель.
• При конструировании альфы сдвиг фаз поршней составляет 90 градусов и поэтому достигается идеальный первичный баланс, что способствует более тихому ходу.
• С механической точки зрения и с точки зрения исполнения в «железе» он очень простой, поэтому его выгодно строить.

Наддув (нагнетание давления в Стирлинге)

Для получения значимых выходных мощностей необходимо повышать давление в рабочей зоне двигателя. Зная, что двигатель Philips работал при давлении 12 бар (175 фунтов на квадратный дюйм), я хотел бы получить двигатель, который был бы конструктивно прочным и компактным, чтобы работать на данных уровнях внутреннего давления рабочего газа. Рабочим телом был воздух, и выбран он был на основании практичности. Я хотел, чтобы в моём генераторе смазка осуществлялась маслом, так же как и в Стирлинге от Philips — эта функция в значительной степени способствует тихой работе и длительному сроку службы, который очень хочется получить в двигателе Стирлинга.

Читайте также:  Тепловой насос на базе двигателя стирлинга

Компрессор кондиционера от Chrysler

Примерно в это же время мне в руки попался холодильный компрессор и оказалось, что он идеально подходит в качестве основы для запланированного мной двигателя. Это был автоматический компрессор кондиционера RV-2 компании Chrysler. Кривошип разносил поршни на 90 градусов (дизайн V-твин), с диаметром цилиндра 58,7 мм и ходом поршня 33,4 мм.

В обоих цилиндрах в сочетании с правильной траекторией движения газа, рабочим объемом составил 127,8 куб.см, что составляет более чем вдвое больший объём по сравнению с MP1002C двигателя Philips. Являясь холодильным компрессором, конструкция была сделана основательно и с достаточным запасом прочности для такого сильного сжатия. Кроме того, этот компрессор содержал героторный масляный насос, который  под давлением смазывал края большим шатунным подшипникам. Каждый алюминиевый поршень имел одно компрессионное кольцо и соединены через алюминиевые шатуны Alcoa. Этот компрессор оказался самым оптимальным для моей задумки.

Компрессор кондиционера Chrysler RV-2

Годы разработки

На протяжение нескольких лет, я спроектировал и уже отработал все необходимые компоненты, для того, чтобы адаптировать компрессор к работе в двигателе Стирлинга. Я также сконструировал трубчатую несущую раму, которая являлась несущим основанием для двигателя. Рама стилизована под аналогичную используемую на генераторной установке Philips.

Головка нагревателя, вытеснитель и внутренний цилиндр выполнен из труб нержавейки 302 различных размеров. В роли регенератора использовал путанку из медной проволоки. Охладитель, расположенный со стороны сжатия двигателя, был изготовлен из алюминиевых трубок. Использовал небольшой генератор 200 Вт 12 вольт с ременным приводом, который изначально был куплен и предназначался для работы на садовом тракторе.

Вот этот двигатель, получивший название SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark I):

Генератор на базе двигателя Стирлинга SV-2 MK I (Stirling V-2 Mark 1)

Изначальные характеристики и рабочее тело

Двигатель заработал, но производительность его была далека от ожидаемой величины. Я пробовал использовать гелий в качестве рабочего тела, и это помогло, повлияв как на выходную мощность, так и на обороты, но при этом было слишком очевидно, что что-то было кардинально не правильно. Работа двигателя будет существенно лучше при поднятии давления до 2 бар и оборотах 2000 в минуту, отдавая примерно 50 Вт мощности на выходе уже с электрогенератора … дальнейшее изменение в большую или меньшую сторону скорости или давления приведёт к потере выходной мощности. Кроме того, блок цилиндров начнёт очень сильно греться через незначительное время после запуска, что является доказательством о завышенной теплопередаче вдоль корпуса двигателя.

Конфигурация двигателя. Пробы и ошибки

После долгих раздумий (и нескольких лет разочарования) я понял, что в этой конфигурации допущены ошибки. В первую очередь — в любом двигателе Стирлинга нагреватель, регенератор, и холодильник должны быть «моноблочные», то есть их размещают в непосредственной близости друг от друга. Это означает, что эти три термодинамические компоненты должны все находиться в стороне от вытеснителя двигателя, вместо того, чтобы «разбросать» их по всей цепи газового тракта, как я сделал на МК I. Такой грамотный дизайн очень важен для хорошей производительности и такая плотная моноблочная компоновка чётко прослеживается на всех двигателях Philips. Тот факт, что я расположил регенератор в тесном контакте с блоком двигателя способствовали утечке тепла вдоль всей длины двигателя — это явно плохое решение в конструкции Стирлинга.

Читайте также:  Трубчатые нагреватели в Стирлингах, как от них отказаться?

Несмотря на не оптимальную работу, я много узнал о расходе масла и о том как очищать перемещающуюся смазку в рабочем пространстве. Разобрался с техническими особенностями особой скруглённой формы вытеснителя, его прерывистых движений, уплотнительными кольцами и канавками для них и разделённой формы вытеснителя. Открытие безуглеродного состава синтетических масел с высокой температурной точкой вспышки также было очень полезно. Собственная конструкция отражателя пламени горелки на пропане также вызывал сомнение, но после нахождения некоторых старых публикаций на эту тему, успешная расчетная схема горелки наконец-то появилась и была успешно апробирована на трёх построенных экземплярах.

Конструкция самодельного кольца газовой пропановой горелки

Новый дизайн и появление MK II

В тот момент я понял, что была необходима большая модернизация для того, чтобы получить хороший и эффективный двигатель. Копаясь в моих технических справочниках и книгах, я внедрил модернизацию во все термодинамические компоненты в газовом контуре. Были переработаны: головка нагревательного цилиндра из нержавеющей стали 316, на которой нанесены рёбра внутренние и внешние, фольга для регенератора, ребристый охладитель, а также новый вытеснитель из нержавейки с тонкими стенками.

Ребристый снаружи и внутри нагреватель двигателя стирлинга из нержавейки

Мой друг и энтузиаст в стирлингостроении Джон Арчибальд, согласился подготовить чертежи из моих эскизов дизайна и используя свои навыки в качестве слесаря-механика, помочь с созданием некоторых из наиболее сложных частей. Потребовалось еще несколько лет, чтобы получить все новые компоненты, но в конце 2012 года, версия MK II двигателя была готова и была собрана.

Кулер с рёбрами для двигателя стирлинга

Пробный запуск генератора Стирлинга SV-2 MK II

Для SV-2 MK II был первый запуск в январе 2013 года и сразу было видно, что редизайн улучшил как ходовые качества, так и производительность. Двигатель стал работать довольно приятно, когда давление рабочего газа было поднято до  4 бар (3,95 атм. или 0,4 МПа), и при увеличении давления обороты увеличивались пропорционально. И замеры мощности не были сделаны в тот момент из-за не соответствующей геометрии горелки новой ребристой головке нагревателя.

Читайте также:  Калькулятор расчёта КПД цикла Стирлинга (Карно)

Собранный двигатель с генератором показан ниже:

Генератор на двигателе стирлинга МК-2 Генератор МК-2. Вид сзади

Водяное охлаждение стирлинга

Так как двигатель альфа имеет водяное охлаждение, то для циркуляции охлаждающей жидкости применён небольшой электрический гидронасос, запитываемый в дальнейшем от выходной мощности электрогенератора.

Дальнейшая разработка горелки

Новая горелка сейчас строится, она будет соответствовать ребристой геометрии головки нагревателя и будет выдавать более высокую теплоотдачу для предполагаемого вывода выходного вала 700 Вт на 1800 оборотов в минуту. Конструкция горелки должна быть готова к тестированию в следующем месяце или чуть позже, и должна быть полностью готова для исследования и раскрытия полного потенциала этого двигателя.

Сейчас нет планов и нет чертежей для этого генератора

У меня нет никаких планов ни производить этот двигатель ни продавать чертежи для изготовления его деталей. Это строго научный проект для демонстрации жизнеспособности данного изделия. Затруднения и издержки в изготовлении некоторых компонентов нивелировались выбором усреднённого хоббийного качества изготовления. Также, существуют компромиссы в использовании для данного двигателя элементов компрессора РВ-2, которые не будут присутствовать в идеальной конструкции. Если так и будет, то для повышения производительности это требует размещение всех термодинамических компонентов на основе собственной разработки —  то есть, спроектированный заново картер, поршни, шатуны и т.д. Только тогда это будет продукт, который сможет иметь определённый рыночный потенциал.

Пожалуйста, смотрите на мои новые видео YouTube, как прогрессирует развитие. Я искренне благодарю всех вас за проявленный интерес!

Дэйв Кирк

Кирк Двигатели, Inc.

Далее некоторые данные из самого видео.

Совсем недавно, полная реконструкция нагревателя, регенератора и холодильника была выполнена и ,были произведены новые компоненты. Этот вариант, SV-2 MKII включает в себя все тонкости, необходимые для достижения поставленных целей. Головка нагревателя сделана из заготовки стали 316 при помощи электроэрозионного процесса. Купол и фланец свариваются в месте. Как внутренние, так и наружные ребра использованы для усиления теплообмена с рабочей жидкостью.

Внешние рёбра нагревателя и сварочный шов Внутренние рёбра нагревателя и сварочный шов

Регенератор имеет корпус из нержавеющей стали 316 используя оберточную нержавеющую фольгу в виде материала регенератора. Толщина составляет 0,001 дюйма. Эта часть выполнена в виде цилиндрического контейнера. Торцевые экраны держат фольгу на месте.

Корпус регенератора

Охладитель сделан из 6061 Т-6 алюминиевого сплава также при помощи электроэрозионного  процесса. Внешнее кольцо образует обводный канал для охлаждающей жидкости. Нагреватель, регенератор и охладитель между собой объединены в «стек» и герметизированы при помощи кольцеобразных уплотнений. Обратите внимание на 1 кубический сантиметр, расположенный рядом.

Холодильник двигателя стирлинга с водяной рубашкой

Головка цилиндра зоны компрессии изготовлена из алюминиевой заготовки. Соединительный канал сделан из толстостенной медной трубы.

Компрессионный насос двигателя стирлинга

«Стек» укреплён 4-мя несущими болтами диаметром 0,313 на кольцеобразных хомутах. Такая конструкция минимизирует утечку тепла в глубину структуры двигателя.

Кольцевые хомуты на двигателе стирлинга

Cпасибо

Мощный двигатель Стирлинга своими руками :

Двигатель Стирлинга, некогда известный, был надолго забыт из-за широкого распространения другого мотора (внутреннего сгорания). Но сегодня о нем слышно все больше. Может быть, у него есть шансы стать более популярным и найти свое место в новой модификации в современном мире?

История

Двигатель Стирлинга — это тепловая машина, которая была изобретена в начале девятнадцатого века. Автором, как понятно, был некий Стирлинг по имени Роберт, священник из Шотландии. Устройство представляет собой двигатель внешнего сгорания, где тело движется в замкнутой емкости, постоянно меняя свою температуру.

Из-за распространения другого вида мотора о нем почти забыли. Тем не менее, благодаря своим преимуществам, сегодня двигатель Стирлинга (своими руками многие любители сооружают его дома) снова возвращается.

Основное отличие от двигателя внутреннего сгорания заключается в том, что энергия тепла приходит извне, а не вырабатывается в самом двигателе, как в ДВС.

Принцип работы

Можно представить замкнутый воздушный объем, заключенный в корпусе, имеющем мембрану, то есть поршень. При нагревании корпуса воздух расширяется и совершает работу, выгибая таким образом поршень. Затем происходит охлаждение, и он вгибается снова. В этом состоит цикл работы механизма.

Немудрено, что термоакустический двигатель Стирлинга своими руками многие изготавливают в домашних условиях. Инструментов и материалов для этого требуется самый минимум, который найдется в доме у каждого. Рассмотрим два разных способа, как легко его создать.

Материалы для работы

Чтобы сделать двигатель Стирлинга своими руками, понадобятся следующие материалы:

• жесть;
• спица из стали;
• трубка из латуни;
• ножовка;
• напильник;
• подставка из дерева;
• ножницы по металлу;
• детали крепежа;
• паяльник;
• пайка;
• припой;
• станок.

Это все. Остальное — дело нехитрой техники.

Как сделать

Из жести готовят топку и два цилиндра для базы, из которых будет состоять двигатель Стирлинга, своими руками изготовленный. Размеры подбирают самостоятельно, учитывая цели, для которых предназначено это устройство. Предположим, что мотор делается для демонстрации. Тогда развертка главного цилиндра составит от двадцати до двадцати пяти сантиметров, не более. Остальные части должны подстраиваться под него.

На верху цилиндра для передвижения поршня делают два выступа и отверстия диаметром от четырех до пяти миллиметров. Элементы выступят в роли подшипников для расположения кривошипного устройства.

Далее делают рабочее тело мотора (им станет обычная вода). К цилиндру, который сворачивают в трубу, припаивают кружочки из жести. В них проделывают отверстия и вставляют трубки из латуни от двадцати пяти до тридцати пяти сантиметров в длину и диаметром от четырех до пяти миллиметров. В конце проверяют, насколько герметичной стала камера, залив ее водой.

Далее приходит черед вытеснителя. Для изготовления берут заготовку из дерева. На станке добиваются, чтобы она обрела форму правильного цилиндра. Вытеснитель должен быть немногим меньше диаметра цилиндра. Оптимальную высоту подбирают уже после того, как двигатель Стирлинга своими руками будет сделан. Потому на данном этапе длина должна предполагать некоторый запас.

Спицу превращают в шток цилиндра. По центру деревянной емкости делают отверстие, подходящее под шток, вставляют его. В верхней части штока необходимо предусмотреть место для шатунного устройства.

Затем берут трубки из меди длиной четыре с половиной сантиметра и диаметром два с половиной сантиметра. Кружок из жести припаивают к цилиндру. По бокам на стенках делают отверстие для сообщения емкости с цилиндром.

Поршень также подгоняют на токарном станке под диаметр большого цилиндра изнутри. Наверху подсоединяют шток шарнирным способом.

Сборку заканчивают и настраивают механизм. Для этого поршень вставляют в цилиндр большего размера и соединяют последний с другим цилиндром меньшего размера.

На большом цилиндре сооружают кривошипно-шатунный механизм. Фиксируют часть двигателя при помощи паяльника. Основные части закрепляют на деревянном основании.

Цилиндр наполняют водой и под низ подставляют свечку. Двигатель Стирлинга, своими руками сделанный от начала и до конца, проверяют на работоспособность.

Второй способ: материалы

Двигатель можно сделать и другим способом. Для этого понадобятся следующие материалы:

• консервная банка;
• поролон;
• скрепки;
• диски;
• два болта.

Как сделать

Поролон очень часто используют, чтобы сделать дома простой не мощный двигатель Стирлинга своими руками. Из него готовят вытеснитель для мотора. Вырезают поролоновый круг. Диаметр должен быть немного меньше, чем у консервной банки, а высота — чуть более половины.

По центру крышки проделывают отверстие для будущего шатуна. Чтобы он ходил ровно, скрепку сворачивают в спиральку и паяют к крышке.

Поролоновый круг посередине пронизывают тонкой проволокой с винтом и фиксируют его сверху шайбой. Затем соединяют кусок скрепки пайкой.

Вытеснитель вталкивают в отверстие на крышке и соединяют банку с крышкой путем пайки для герметизации. На скрепке делают маленькую петлю, а в крышке — еще одно, более крупное отверстие.

Жестяной лист сворачивают в цилиндр и спаивают, а потом прикрепляют к банке настолько, чтобы щелей не осталось совсем.

Скрепку превращают в коленчатый вал. Разнос при этом должен быть ровно девяносто градусов. Колено над цилиндром делают слегка больше другого.

Остальные скрепки превращаются в стойки для вала. Делается мембрана следующим образом: цилиндр оборачивают в пленку из полиэтилена, продавливают и крепят ниткой.

Шатун изготавливается из скрепки, которую вставляют в кусок резины, и готовую деталь прикрепляют к мембране. Длина шатуна делается такой, чтобы в нижней валовой точке мембрана была втянутой в цилиндр, а в высшей — вытянута. Таким же образом делается и вторая деталь шатуна.

Затем один приклеивают к мембране, а другой — к вытеснителю.

Ножки для банки можно также сделать из скрепок и припаять. Для кривошипа используют CD-диск.

Вот и готов весь механизм. Осталось лишь под него подставить и зажечь свечку, а затем дать толчок через маховик.

Заключение

Таков низкотемпературный двигатель Стирлинга (своими руками сооруженный). Конечно, в промышленных масштабах такие приборы изготавливаются совсем другим способом. Однако принцип остается неизменным: происходит нагрев, а затем охлаждение воздушного объема. И это постоянно повторяется.

Напоследок посмотрите эти чертежи двигателя Стирлинга (своими руками его можно сделать без особых навыков). Может быть, вы уже загорелись идеей, и вам захочется сделать что-либо подобное?

Электростанции на двигателе Стирлинга — простота, экономичность и экологическая безопасность

Экология потребления.Наука и техника:Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой и эффективностью.

Менее ста лет назад двигатели внутреннего сгорания пытались завоевать свое законное место в конкурентной борьбе среди прочих имеющихся машин и движущихся механизмов. При этом в те времена превосходство бензинового двигателя не являлось столь очевидным. Существующие машины на паровых двигателях отличались бесшумностью, великолепными для того времени характеристиками мощности, простотой обслуживания, возможностью использования различного вида топлива. В дальнейшей борьбе за рынок двигатели внутреннего сгорания благодаря своей экономичности, надежности и простоте взяли верх.

Дальнейшая гонка за совершенствования агрегатов и движущих механизмов, в которую в середине 20 века вступили газовые турбины и роторные разновидности двигателей, привела к тому, что несмотря на верховенство бензинового двигателя были предприняты попытки ввести на «игровое поле» совершенно новый вид двигателей — тепловой, впервые изобретенный в далеком 1861 году шотландским священником по имени Роберт Стирлинг. Двигатель получил название своего создателя.

ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА: ФИЗИЧЕСКАЯ СТОРОНА ВОПРОСА

Для понимания, как работает настольная электростанция на Стирлинге, следует понимать общие сведения о принципах работы тепловых двигателей. Физически принцип действия заключается в использовании механической энергии, которая получается при расширении газа при нагревании и его последующем сжатии при охлаждении. Для демонстрации принципа работы можно привести пример на основе обычной пластиковой бутыли и двух кастрюль, в одной из которых находится холодная вода, в другой горячая.

При опускании бутылки в холодную воду, температура которой близка к температуре образования льда при достаточном охлаждении воздуха внутри пластиковой емкости ее следует закрыть пробкой. Далее, при помещении бутыли в кипяток, спустя некоторое время пробка с силой «выстреливает», поскольку в данном случае нагретым воздухом была совершена работа во много раз большая, чем совершается при охлаждении. При многократном повторении опыта результат не меняется.

Первые машины, которые были построены с использованием двигателя Стирлинга, с точностью воспроизводили процесс, демонстрирующийся в опыте. Естественно механизм требовал усовершенствования, заключающееся в применении части тепла, которое терял газ в процессе охлаждения для дальнейшего подогрева, позволяя возвращать тепло газу для ускорения нагревания.

Но даже применение этого новшества не могло спасти положение дел, поскольку первые «Стирлинги» отличались большими размерами при малой вырабатываемой мощности. В дальнейшем не раз предпринимались попытки модернизировать конструкцию для достижения мощности в 250 л.с. приводили к тому, что при наличии цилиндра диаметром 4,2 метра, реальная выходная мощность, которую выдавала электростанция на Стирлинге (Stirling) в 183 кВт на деле составляла всего 73 кВт.

Все двигатели Стирлинга работают по принципу цикла Стирлинга, включающего в себя четыре основные фазы и две промежуточные. Основными являются нагрев, расширение, охлаждение и сжатие. В качестве стадии перехода рассматриваются переход к генератору холода и переход к нагревательному элементу. Полезная работа, совершаемая двигателем, строится исключительно на разнице температур нагревающей и охлаждающей частей.

СОВРЕМЕННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ СТИРЛИНГА

Современная инженерия различает три основных вида подобных двигателей:

• альфа-стирлинг, отличие которого в двух активных поршнях, расположенных в самостоятельных цилиндрах. Из всех трех вариантов данная модель отличается самой высокой мощностью, обладая самой высокой температурой нагревающегося поршня;
• бета-стирлинг, базирующийся на одном цилиндре, одна часть которого горячая, а вторая холодная;
• гамма-стирлинг, имеющий кроме поршня еще и вытеснитель.

Производство электростанции на Стирлинге будет зависеть от выбора модели двигателя, что позволит учесть всю положительные и отрицательные стороны подобного проекта.

ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ

Благодаря своим конструктивным особенностям данные двигатели обладают рядом преимуществ, но при этом не лишены недостатков.

Настольная электростанция Стирлинга, купить которую невозможно в магазине, а только у любителей, самостоятельно осуществляющих сбор подобных устройств, относятся:

• большие размеры, которые вызваны потребностью к постоянному охлаждению работающего поршня;
• использование высокого давления, что требуется для улучшения характеристик и мощности двигателя;
• потеря тепла, которая происходит за счет того, что выделяемое тепло передается не на само рабочее тело, а через систему теплообменников, чей нагрев приводит к потере КПД;
• резкое снижение мощности требует применения особых принципов, отличающихся от традиционных для бензиновых двигателей.

Наряду с недостатками, у электростанций, функционирующих на агрегатах Стирлинга, имеются неоспоримые плюсы:

• любой вид топлива, поскольку как любые двигатели, использующие энергию тепла, данный двигатель способен функционировать при разнице температур любой среды;
• экономичность. Данные аппараты могут стать прекрасной заменой паровым агрегатам в случаях необходимости переработки энергии солнца, выдавая КПДна 30% выше;
• экологическая безопасность. Поскольку настольная электростанция кВт не создает выхлопного момента, то она не производит шума и не выбрасывает в атмосферу вредных веществ. В виде источника получения мощности выступает обычное тепло, а топливо выгорает практически полностью;
• конструктивная простота. Для своей работы Стирлинг не потребует дополнительных деталей или приспособлений. Он способен самостоятельно запускаться без использования стартера;
• повышенный ресурс работоспособности. Благодаря своей простоте, двигатель может обеспечить не одну сотню часов беспрерывной эксплуатации.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СТИРЛИНГА

Мотор Стирлинга чаще всего применяется в ситуациях, когда требуется аппарат для преобразования тепловой энергий, отличающийся простотой, при этом эффективность прочих видов тепловых агрегатов существенно ниже при аналогичных условиях. Очень часто подобные агрегаты применяются в питании насосного оборудования, холодильных камер, подводных лодок, батарей, аккумулирующих энергию.

Одним из перспективных направлений области использования двигателей Стирлинга являются солнечные электростанции, поскольку данный агрегат может удачно применяться для того, чтобы преобразовывать энергию солнечных лучей в электрическую. Для осуществления этого процесса двигатель помещается в фокус зеркала, аккумулирующего солнечные лучи, что обеспечивает перманентное освещение области, требующей нагрева. Это позволяет сфокусировать солнечную энергию на малой площади. Топливом для двигателя в данном случае служит гелии или водород. опубликовано econet.ru 

Понравилась статья? Тогда поддержи нас, жми:

Калькулятор расчета мощности Двигателя Стирлинга

domolov | 11.03.2016 | Двигатель Стирлинга | Зависимость числа Била от температуры нагревателя.

Для удобства оценки мощности предполагаемого двигателя Стирлинга вашему вниманию предлагается калькулятор. Расчёт основан на уравнении с числом Била. Также была добавлена зависимость мощности от температурных параметров газа в горячей и холодной части двигателя (рассчитать КПД цикла Стирлинга). Расчёт ведётся для одного рабочего поршня. Если их 2, 3 и т.д., то необходимо просто умножить полученное значение мощности на это количество. Если у вас двойная гамма (один рабочий поршень и 2 вытеснителя), то нужно полученную мощность умножить на 2.

По умолчанию в калькулятор введены значения абстрактного двигателя с рабочим объёмом 98 куб.см и средним давлением цикла 0,2МПа (200КПа) или 2 атмосферы. Температуры рабочего тела в горячей и холодной зоне соответственно 650 и 65 градусов по шкале Цельсия.

Расшифровка поля Качество изготовления двигателя внешнего сгорания:

— На коленке — низкое качество из подручных средств, несоблюдение размеров, типов материалов, несбалансированность механики. В общем чуть лучше чем стирлинг из пивных банок. — Гаражное — подразумевает наличие хоббийных технологий, небольшой парк станков, доступность выбора некоторых качественных материалов, старание соблюдение размеров и некоторых законов физики ))) — Качественное — это исследовательский тип разработок, который использует хоть и качественные технологии, но всё же направлен на снижение себестоимости за счёт ухода от сверх идеального качества. Можно также рассматривать технологии до 80-х годов прошлого века. — Профессиональное — самое передовое автоматизированное производство, производственная культура и новые материалы сегодняшнего дня.

Ну а для тех, кто не прочитал ни одной книжки по Стирлингам предлагаю начать с инфографики.

А кому интересны данные темы, предлагаю подписаться на новые статьи (в правом сайтбаре).

Читайте также:  Двигатель стирлинга своими руками. Осторожно с амбициями! Конфигурации двигателя Стирлинга

— обновлено 30 марта 2013 г. Конфигурации двигателя Стирлинга

— обновлено 30 марта 2013 г.

Глава 2а — Двигатели Альфа Стирлинга

Механические конфигурации двигателей Стирлинга обычно делится на три группы, известные как Alpha , Бета , и Гамма договоренности. Двигатели Alpha имеют два отдельных поршня. цилиндры, которые соединены последовательно нагревателем, регенератором и кулер. В двигателях Beta и Gamma используются поршневые вытеснители. приспособлений, двигатель Beta имеет как вытеснитель, так и поршень в системе рядных цилиндров, в то время как двигатель Gamma использует отдельные цилиндры.

Движок Alpha концептуально простейший Однако конфигурация двигателя Стирлинга страдает недостатком что и горячий, и холодный поршни должны иметь уплотнения, чтобы удерживать рабочий газ. Есть ряд механических механизмов, которые позволяют этот тип двигателя для правильной работы с правильной фазировкой два поршня. Отличная анимация движка V-type Alpha разработан Ричардом Уилером ( Zephyris ) из Википедия показан ниже:

Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, проектировал и производство малых авиадвигателей с 1970-х гг., в том числе чрезвычайно инновационный дизайн Alpha.Он является изобретателем классической Росс. Двигатель с коромыслом, а также сбалансированный механизм «Rocker-V», оба показаны ниже.

Обратитесь к восхитительной книге Энди Росса: Making Двигатели Стирлинга (Ross Experimental, 1993). Двигатель D-90 Yoke Drive Alpha Stirling описан в его Книга будет использована в качестве основного примера этого веб-ресурса. В Университет Огайо, у нас есть лаборатория модель приводного двигателя Д-90 Хомут, который нагревается электрически для точного определения тепла входная мощность. Мэтт Кевени сделала анимационный показ четко принципы работы Росс коромысло-рычажный механизм . Этот оригинальный механизм передачи движения двойного поршня в вращательное движение минимизирует боковые силы поршня, как правило встречался на штатном коленчатом механизме.

Совсем недавно Энди Росс придумал сбалансированный Конструкция механизма Rocker-V. Он опубликовал статью о модели. Локомотив кульминации, который он построил с использованием небольшого (20 куб. См) Rocker-V двигатель, и позволил мне сохранить копию этой статьи « A Локомотив кульминации класса А «.Число из них Rocker-V двигатель s были построены студентами для Старший Класс Design в Университете Огайо в 2001 году, и также будет использоваться в качестве примера этого веб-ресурса. Один из Многие видео Энди Росса на YouTube демонстрируют уникальное сбалансированное двойной V Двигатель Alpha , который позволяет избежать использования секция теплообменника, протянувшаяся поперек В.

Холодный Energy, Inc из Боулдера, штат Колорадо, имеют разрабатывает низкотемпературные (150 ° C — 400 ° C) Alpha Stirling системы двигатель / генератор с 2006 г. (См. их Продукт История развития) .Это включало полная система когенерации солнечной энергии и тепла для домашнего использования из них эвакуированных трубчатые солнечные тепловые коллекторы , тепловые систем хранения, горячей воды и обогревателей, а также SolarHeart Двигатель / генератор Стирлинга. В настоящее время они концентрируясь на системах утилизации отходящего тепла (См .: Cool Обзор двигателя Energy ThermoHeart 25 кВт ) с использованием четырехцилиндрового двигателя Alpha, как описано в документе представлен на 2016 Международная конференция по двигателям Стирлинга, автор команда Cool Energy: 25 кВт Низкотемпературный двигатель Стирлинга для рекуперации тепла, солнечной энергии и биомассы Приложения ).

Многоцилиндровые двигатели Alpha Stirling

Движок Alpha можно также объединить в компактная многоцилиндровая конфигурация, обеспечивающая чрезвычайно высокую удельная выходная мощность. Принципиальная схема этой конфигурации показано ниже. Обратите внимание, что четыре цилиндра соединены между собой, поэтому что пространство расширения одного цилиндра соединено с пространство сжатия соседнего цилиндра через последовательно соединенные нагреватель, регенератор и охладитель. Поршни обычно приводятся в движение наклонная шайба, приводящая к синусоидальному возвратно-поступательному движению имеющий разность фаз 90 градусов между соседними поршнями.

Пример 4-цилиндрового двигателя Alpha с наклонной шайбой показано ниже. Этот двигатель был первоначально разработан Stirling. Тепловые двигатели (позже STM Корпорация , однако, больше не в рабочем состоянии).

Во время 1970-е годы — NV Philips из Голландии и Ford Motor Company разработан экспериментальный автомобильный двигатель — четырехцилиндровый двигатель с наклонной шайбой, как показано на следующей фотографии:

Это двигатель Ford-Philips 4-215 используется в качестве примера в книга И.Уриэли и Д.М. Берховиц — Двигатель цикла Стирлинга Анализ (Адам Хильгер, 1984), страницы 25 — 31. Это будет один из тематические исследования этого учебного ресурса, и поскольку книга отсутствует print, эти страницы были добавлены сюда для удобства: Ford-Philips.pdf .

Уильям Бил из Sunpower, Inc придумала интересный конфигурация, сочетающая в себе четырехцилиндровый свободнопоршневой двигатель Alpha с выходным каскадом газовой турбины, как показано на следующей схеме диаграмма:

Четыре цилиндра физически скомпонованы с 90 степень разности фаз с каждым поршнем, подключенным к газу компрессор.Затем газовые компрессоры используются для привода газовой турбины. расширитель, как показано. Главное преимущество этой системы — обещание высокой удельной мощности и, самое главное, высокой надежности и срок службы из-за отсутствия сильно нагруженных движущихся частей, так как на подшипники скольжения отсутствуют боковые нагрузки.

На эскизе показаны газовые компрессоры одностороннего действия для простота, однако реальная машина будет использовать двойное действие компрессоров так, чтобы на турбине было восемь импульсов газа для каждый цикл четырехцилиндровой машины.

______________________________________________________________________________________

Анализ машины цикла Стирлинга Израиль Уриэли под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Соединенные Штаты Лицензия

Двигатели Стирлинга

Двигатели Стирлинга

Оригинальный двигатель Стирлинга был разработан в 1816 году Робертом Стирлингом в качестве альтернативы раннему паровому двигателю, который имел тенденцию к взрыву.Однако его практическое использование ограничивалось бытовыми приложениями малой мощности. Двигатель Стирлинга отличается высоким КПД (до 40%), бесшумной работой и легкостью, с которой он может использовать практически любой источник тепла, в данном случае солнечное тепло. Эта совместимость с возобновляемыми источниками энергии стала важной из-за опасений по поводу зависимости США от нефти, углеродного следа и последствий изменения климата. Двигатель Стирлинга представляет собой безводную технологию CSP.

За прошедшие годы было разработано множество различных версий двигателя Стирлинга.Сначала будет объяснено простейшая версия — движок Alpha Sterling. Позже будет объяснена более современная версия, конфигурация Siemans с четырьмя цилиндрами. Есть также несколько промежуточных версий.

Двигатель Альфа Стирлинга

Двигатель Alpha Stirling содержит два поршня в отдельных цилиндрах, один горячий и один холодный. Горячий цилиндр расположен внутри высокотемпературного теплообменника, а холодный цилиндр расположен внутри низкотемпературного теплообменника.Рабочий газ (обычно водород) внутри обоих цилиндров контактирует с горячими стенками цилиндра, которые нагреваются от внешнего источника. Температура газа повышается примерно до 650ºC.

1. Горячий газ (красный) расширяется и толкает горячий поршень до конца его хода в цилиндре. Расширение газа продолжается в холодном цилиндре (синий), который находится на 90 ° позади горячего поршня в своем цикле, извлекая больше энергии из горячего газа.	2.Теперь в обоих цилиндрах общий объем газа находится на максимальном уровне. Поршень горячего цилиндра начинает перемещать большую часть газа в холодный цилиндр, где он охлаждается и давление падает.
3. Почти весь газ сейчас в холодном баллоне и охлаждение продолжается. Холодный поршень, приводимый в движение импульсом маховика (или других поршневых пар на том же валу), сжимает оставшийся газ в горячем цилиндре.	4. Общий объем газа достигает минимального объема, и теперь он начинает расширяться в горячем цилиндре, где его снова нагревают.Расширяющийся горячий газ заставит горячий поршень совершить рабочий ход, поскольку полный цикл начинается заново.

Упрощенный двигатель Стирлинга в работе

Добавить регенератор

В настоящем двигателе Sterling много энергии теряется при передаче газа между двумя цилиндрами. Следовательно, главное новшество, названное «регенератором», также изобретенное Робертом Стирлингом, используется для экономии энергии и повышения эффективности.Регенератор представляет собой внутренний теплообменник и временный накопитель тепла, расположенный между горячим и холодным цилиндрами, так что рабочая жидкость проходит через него сначала в одном направлении, а затем обратно в другом. Его функция — удерживать часть тепла внутри системы, которое в противном случае было бы выброшено в атмосферу. Это происходит при промежуточных температурах между минимальной и максимальной температурами цикла. Первичный эффект регенерации заключается в значительном увеличении теплового КПД за счет «рециркуляции» внутреннего тепла, которое в противном случае могло бы уйти из двигателя.Типичная конструкция регенератора представляет собой набор тонких металлических проволочных сеток с низким сопротивлением потоку и с осями проволоки, перпендикулярными потоку газа, чтобы уменьшить проводимость в этом направлении. Топ

Двигатель Стирлинга Сименс

Двигатель Alpha можно упаковать в небольшую многоцилиндровую конфигурацию, что обеспечивает очень высокую выходную мощность. Слева представлена ​​принципиальная схема конфигурации «Сименс». Конфигурация Сименс не использует два отдельных поршня, а использует переднюю и заднюю стороны одного поршня, называемого поршнем двойного действия.В поршне двустороннего действия пространство расширения передней стороны одного поршня соединено с пространством сжатия задней стороны соседнего поршня через проточный нагреватель, регенератор и охладитель. Конфигурация Сименс включает четыре цилиндра, каждый с поршнем двустороннего действия, сдвинутым по фазе на 90 градусов по фазе со следующим цилиндром. В Конфигурация Siemens значительно повышает эффективность двигателя по сравнению с исходной альфа-конфигурацией. В этих двигателях силовой поршень соединен с коленчатым валом вторым шатуном, который сам находится в другом маленьком цилиндре, чтобы исключить боковые силы от коленчатого вала, оказывающие давление на стенки цилиндров двигателя.Такое расположение называется «крейцкопф». Между траверсой и поршнем используется уплотнение, чтобы отделить зону высокого давления от зоны низкого давления. Это позволяет поверхностям крейцкопфа оставаться смазанными в зоне низкого давления, предотвращая засорение системы двигателя высокого давления.

Верх

Двигатель Стирлинга — Три различных типа двигателей Стирлинга

Инженеры

классифицируют двигатели Стирлинга на три различных типа.Двигатель типа Alpha основан на соединении между собой силовых поршней нескольких цилиндров для перемещения рабочего газа, при этом цилиндры удерживаются при разных температурах. В двигателях Стирлинга типа Beta и Gamma используется поршень вытеснителя для перемещения рабочего газа вперед и назад между горячим и холодным теплообменниками в одном цилиндре.

Alpha Stirling
Alpha Stirling содержит два отдельных силовых поршня в отдельных цилиндрах, один «горячий» поршень и один «холодный» поршень.Горячий поршневой цилиндр расположен внутри более высокотемпературного теплообменника, а холодный поршневой цилиндр расположен внутри низкотемпературного теплообменника.

Этот тип двигателя имеет очень высокое отношение мощности к объему, но имеет технические проблемы из-за обычно высокой температуры «горячего» поршня и долговечности его уплотнений.

Beta Stirling
Beta Stirling имеет единственный силовой поршень, расположенный в том же цилиндре на том же валу, что и поршень буйка.

Поршень буйка имеет неплотную посадку и не извлекает энергию из расширяющегося газа, а только служит для перемещения рабочего газа из горячего теплообменника в холодный теплообменник. Когда рабочий газ проталкивается к горячему концу цилиндра, он расширяется и толкает силовой поршень.

Когда его толкают к холодному концу цилиндра, он сжимается, и импульс машины, обычно усиливаемый маховиком, толкает силовой поршень в другую сторону, чтобы сжать газ.В отличие от альфа-типа, бета-тип позволяет избежать технических проблем, связанных с горячим перемещением уплотнений.

Gamma Stirling
Gamma Stirling — это просто бета-версия Стирлинга, в которой силовой поршень установлен в отдельном цилиндре рядом с поршневым цилиндром буйка, но по-прежнему соединен с тем же маховиком. Газ в двух цилиндрах может свободно течь между ними и оставаться единым корпусом. Эта конфигурация обеспечивает более низкую степень сжатия, но механически проще и часто используется в многоцилиндровых двигателях Стирлинга.

Другие типы
Изменения в конфигурации механических двигателей Стирлинга продолжают интересовать инженеров и изобретателей. Примечательно, что некоторые ищут роторный двигатель Стирлинга; цель здесь состоит в том, чтобы преобразовать мощность цикла Стирлинга непосредственно в крутящий момент, цель, аналогичная той, которая привела к конструкции роторного двигателя внутреннего сгорания. Практический двигатель еще не построен, но был выпущен ряд концепций, моделей и патентов.

Существует также область двигателей с циклом Стирлинга со «свободным поршнем», в том числе с жидкостными поршнями и с диафрагмами в качестве поршней.

Альтернативой механическому двигателю Стирлинга является насос флюидайна, в котором через гидравлический поршень используется цикл Стирлинга. В самом простом виде он содержит рабочий газ, жидкость и два обратных клапана. Работа, производимая флюидином, идет на перекачку жидкости.

Недавняя разработка двигателей Стирлинга — термоакустический двигатель Стирлинга, который выглядит как бета-двигатели Стирлинга, но без вытеснителя.

Alpha Stirling двигатель.| Скачать научную диаграмму

Контекст 1

… из основных конструкций двигателей Стирлинга с умеренным перепадом температур являются альфа-дизайн, бета-дизайн и гамма-дизайн. Двигатели Стирлинга конструкции Alpha имеют два поршня, которые отвечают за термодинамические процессы цикла Стирлинга. В этой конфигурации не используется поршень вытеснителя, скорее, имеется горячий и холодный цилиндры, причем горячий поршень отвечает за расширение, а холодный поршень отвечает за сжатие рабочего газа, как показано на рисунке 2.Одним из преимуществ двигателя Альфа Стирлинга является простота включения регенератора в его конструкцию 2. Регенератор может заполнить мертвое пространство, соединяющее горячий и холодный цилиндры, увеличивая эффективность двигателя. Двигатели Стирлинга бета-типа, показанные на рисунке 2 (b), имеют конфигурацию поршневого буйка. В этой конструкции поршень вытеснителя отвечает только за перемещение рабочего газа между горячей и холодной областями цилиндра, в то время как силовой поршень сжимает и расширяет рабочий газ.Бета-конфигурации выгодны, потому что их конструкция более компактна и позволяет использовать более высокую степень сжатия 10. По словам Уэста, бета-двигатели Стирлинга могут быть единственной практичной конструкцией для высокотемпературных двигателей. Уэст также заявляет, что бета-двигатели имеют более высокую степень сжатия, чем гамма-конфигурации, что является выгодной характеристикой. Одним из недостатков бета-двигателей Стирлинга является сложность их конструкции. Поскольку поршни находятся в одном цилиндре, шатун поршней буйка может быть расположен через центр силового поршня и его шатун.Двигатели с гамма-конфигурацией, показанные на рисунке 2 (c), теоретически являются наиболее эффективной конструкцией двигателя Стирлинга 1. Эта конструкция включает два отдельных цилиндра, один из которых содержит поршень буйка, а другой — силовой поршень. Эти цилиндры соединены, что позволяет легко установить регенератор. Простота движков в стиле Gamma делает их идеальным первым движком, который нужно спроектировать и изготовить 2. Сравнение этих трех типов конфигураций двигателя Стирлинга с умеренной температурой показано в таблице 1.Гамма-конфигурация Стирлинга была выбрана для настоящего исследования из-за ее механически эффективного устройства и простоты конструкции и изготовления 2. Двигатель Стирлинга изначально рассчитывался с использованием программы Matlab, разработанной Saremi. 12 …

Контекст 2

… конструкция Двигатели Стирлинга имеют два поршня, которые оба отвечают за термодинамические процессы цикла Стирлинга. В этой конфигурации не используется поршень вытеснителя, скорее, имеется горячий и холодный цилиндры, причем горячий поршень отвечает за расширение, а холодный поршень отвечает за сжатие рабочего газа, как показано на рисунке 2.Одним из преимуществ альфа-двигателя Стирлинга является простота включения регенератора в его конструкцию (Дарлингтон и Стронг, 2005). …

Контекст 3

… двигатели конфигурации, показанные на рисунке 2 (c), теоретически являются наиболее эффективной конструкцией двигателя Стирлинга (Kongtragool and Wongwises, 2003). Эта конструкция включает два отдельных цилиндра, один из которых содержит поршень буйка, а другой — силовой поршень. …

Контекст 4

… Добавление веса к тросу, расположенному над этим маховиком, увеличивает тормозное усилие на двигателе, тем самым передавая восходящее усилие на противовес, расположенный на электронных весах. Схема и фактическая экспериментальная установка динамометрического станка с тормозом каната и приборной панели показаны на рисунках 20 и 21 соответственно. При установке постоянной рабочей температуры по мере приложения грузовых нагрузок частота вращения двигателя уменьшается, а крутящий момент увеличивается. …

Контекст 5

…. данные используются для экстраполяции выходной мощности двигателя в течение дня по результатам испытаний мощности. Устройство для испытаний на солнечную энергию показано на рисунке 20 без устройства баланса массы. Такое расположение исключено, чтобы исключить осложнения, связанные с ориентацией двигателя под разными углами для выравнивания по отношению к солнцу (Рисунок 22). …

Контекст 6

… Схема проверки солнечной энергии показана на Рисунке 20 без схемы баланса массы. Такое расположение исключено, чтобы исключить осложнения, связанные с ориентацией двигателя под разными углами для выравнивания по отношению к солнцу (Рисунок 22).5.2 Приборы для проверки характеристик двигателя …

Контекст 7

… цифровой тахометр используется для измерения частоты вращения двигателя, как показано на рисунке 23. Этот тахометр работает с светом, отражающимся от отражающей полосы на маховике. …

Контекст 8

… рабочая температура двигателя измеряется с помощью пирометра, как показано на рисунке 24. Это бесконтактный индикатор температуры, который работает путем измерения количества излучения, испускаемого поверхностью. ….

Контекст 9

… электронные весы, используемые в этом тесте для измерения силы, создаваемой двигателем, показаны на рисунке 25. Шкала представляет собой A&D EP-41KA с точностью до 1 г. …

Контекст 10

… детали были созданы с точной геометрией пустоты в двигателе для применения материала воздуха с использованием моделирования CFD. Окончательную упрощенную модель двигателя Стирлинга можно увидеть на рисунке 26. …

Контекст 11

… Сам процесс моделирования требует выполнения нескольких шагов, прежде чем можно будет получить точные результаты с помощью решения CFD. В следующих разделах подробно описана процедура настройки вычислительного моделирования солнечного двигателя Стирлинга для достижения наилучших возможных результатов, как показано в блок-схеме на рисунке 27. …

Контекст 12

… обозначение материала определяет влияние трения и теплопередачи на внутреннюю жидкость. Твердые материалы были назначены двигателю, как показано на рисунке 28.Созданные в САПР объемы, представляющие внутренний объем жидкости двигателя Стирлинга, также должны быть назначены командой материалов, жидкости. …

Контекст 13

… завершение моделирования, результаты давления были взяты из CFD для последующей обработки. Результаты представлены в графической форме на Рисунках 32 и 34. Они показывают профиль давления внутри цилиндров в НМТ и ВМТ хода поршня буйка. …

Контекст 14

…. интенсивность солнечного излучения напрямую влияет на разницу температур двигателя. На Рисунке 42 показано, что с увеличением интенсивности света увеличивается и разница температур, а следовательно, и мощность двигателя. Это происходит из-за того, что концентратор получает больше солнечного излучения, что приводит к более высокой температуре фокальной точки и, следовательно, более высокой температуре вытеснителя. …

Контекст 15

… из-за того, что концентратор получает больше солнечного излучения, что приводит к более высокой температуре фокальной точки и, следовательно, более высокой температуре вытеснителя.На Рисунке 42 видно, что есть несколько точек, выходящих за рамки общей тенденции. Во время тестирования присутствовали рассеянные облака. …

Контекст 16

… конструкция Двигатели Стирлинга имеют два поршня, которые оба отвечают за термодинамические процессы цикла Стирлинга. В этой конфигурации не используется поршень вытеснителя, скорее, имеется горячий и холодный цилиндры, причем горячий поршень отвечает за расширение, а холодный поршень отвечает за сжатие рабочего газа, как показано на рисунке 2.Одним из преимуществ альфа-двигателя Стирлинга является простота включения регенератора в его конструкцию (Дарлингтон и Стронг, 2005). …

Контекст 17

… двигатели конфигурации, показанные на рисунке 2 (c), теоретически являются наиболее эффективной конструкцией двигателя Стирлинга (Kongtragool and Wongwises, 2003). Эта конструкция включает два отдельных цилиндра, один из которых содержит поршень буйка, а другой — силовой поршень. …

Контекст 18

… Добавление веса к тросу, расположенному над этим маховиком, увеличивает тормозное усилие на двигателе, тем самым передавая восходящее усилие на противовес, расположенный на электронных весах. Схема и фактическая экспериментальная установка динамометрического станка с тормозом каната и приборной панели показаны на рисунках 20 и 21 соответственно. При установке постоянной рабочей температуры по мере приложения грузовых нагрузок частота вращения двигателя уменьшается, а крутящий момент увеличивается. …

Контекст 19

…. данные используются для экстраполяции выходной мощности двигателя в течение дня по результатам испытаний мощности. Устройство для испытаний на солнечную энергию показано на рисунке 20 без устройства баланса массы. Такое расположение исключено, чтобы исключить осложнения, связанные с ориентацией двигателя под разными углами для выравнивания по отношению к солнцу (Рисунок 22). …

Контекст 20

… Схема проверки солнечной энергии показана на Рисунке 20 без устройства баланса массы. Такое расположение исключено, чтобы исключить осложнения, связанные с ориентацией двигателя под разными углами для выравнивания по отношению к солнцу (Рисунок 22).5.2 Приборы для проверки характеристик двигателя …

Контекст 21

… цифровой тахометр используется для измерения частоты вращения двигателя, как показано на рисунке 23. Этот тахометр работает с светом, отражающимся от отражающей полосы на маховике. …

Контекст 22

… рабочая температура двигателя измеряется с помощью пирометра, как показано на рисунке 24. Это бесконтактный индикатор температуры, который работает путем измерения количества излучения, испускаемого поверхностью. ….

Контекст 23

… электронные весы, используемые в этом тесте для измерения силы, создаваемой двигателем, показаны на рисунке 25. Шкала представляет собой шкалу A&D EP-41KA с точностью до 1 г. …

Контекст 24

… детали были созданы с точной геометрией пустоты в двигателе для применения материала воздуха с использованием моделирования CFD. Окончательную упрощенную модель двигателя Стирлинга можно увидеть на рисунке 26. …

Контекст 25

… Сам процесс моделирования требует выполнения нескольких шагов, прежде чем можно будет получить точные результаты с помощью решения CFD. В следующих разделах подробно описывается процедура настройки вычислительного моделирования солнечного двигателя Стирлинга для достижения наилучших возможных результатов, как показано в блок-схеме на рисунке 27. …

Контекст 26

… обозначение материала определяет влияние трения и теплопередачи на внутреннюю жидкость. Твердые материалы были назначены двигателю, как показано на рисунке 28.Созданные в САПР объемы, представляющие внутренний объем жидкости двигателя Стирлинга, также должны быть назначены командой материалов, жидкости. …

Контекст 27

… завершение моделирования, результаты давления были взяты из CFD для последующей обработки. Результаты представлены в графической форме на Рисунках 32 и 34. Они показывают профиль давления внутри цилиндров в НМТ и ВМТ хода поршня буйка. …

Контекст 28

…. интенсивность солнечного излучения напрямую влияет на разницу температур двигателя. На Рисунке 42 показано, что с увеличением интенсивности света увеличивается и разница температур, а следовательно, и мощность двигателя. Это происходит из-за того, что концентратор получает больше солнечного излучения, что приводит к более высокой температуре фокальной точки и, следовательно, более высокой температуре вытеснителя. …

Контекст 29

… из-за того, что концентратор получает больше солнечного излучения, что приводит к более высокой температуре фокальной точки и, следовательно, более высокой температуре вытеснителя.На Рисунке 42 видно, что есть несколько точек, выходящих за рамки общей тенденции. Во время тестирования присутствовали рассеянные облака. …

Границы | Эксергетический анализ и оптимизация двигателя Стирлинга альфа-типа с использованием алгоритма неявной фильтрации

Введение

Двигатель Стирлинга был изобретен преподобным Робертом Стирлингом около 200 лет назад, в то время двигатель привлек некоторое внимание и получил коммерческое использование (Stirling, 1816). Однако в то время быстрое развитие двигателя внутреннего сгорания быстро затмило двигатель Стирлинга.В последние годы интерес к двигателю Стирлинга возобновился, особенно с ростом интереса к технологиям возобновляемых источников энергии. Двигатели Стирлинга готовы сыграть ключевую роль в этой отрасли, поскольку они бесшумны, работают на разных видах топлива, производят мало загрязняющих веществ и эффективны (Thombare and Verma, 2008). Кроме того, двигатель Стирлинга классифицируется как цикл класса Рейтлингера, что означает, что он теоретически может достичь эффективности Карно (Senft, 1998). Текущая неопределенность относительно доступности ископаемого топлива в будущем и неминуемая угроза изменения климата означает, что необходимо использовать новые источники энергии (Ellabban et al., 2014). Двигатель Стирлинга является основным кандидатом для использования с возобновляемыми источниками энергии, поскольку двигатель работает по замкнутому термодинамическому циклу, который может использовать любой источник тепла. Двигатель Стирлинга также был назван наиболее экономически жизнеспособным преобразователем солнечной энергии в диапазоне 5–100 кВтэ (Kongtragool and Wongwises, 2003).

Существует множество различных подходов к моделированию двигателя Стирлинга, и существует несколько различных порядков моделей (Dyson et al., 2004). Эти модели имеют разную сложность, и было проведено несколько исследований, в которых анализируются, сравниваются и обсуждаются различные доступные модели.Первоначально двигатели Стирлинга моделировались с изотермическими рабочими пространствами; однако в последнее время рабочие пространства моделируются как имеющие конечную скорость теплопередачи или как адиабатические. Анализ, проведенный Финкельштейном, был первым в своем роде и представлял собой крупный прогресс в анализе двигателей Стирлинга, когда он рассматривал неизотермические рабочие пространства (Финкельштейн, 1960). Впоследствии Уриэли и Берховиц разработали идеальную адиабатическую модель. Эта модель более точно предсказывает рабочие характеристики, поскольку в реальных двигателях Стирлинга цилиндры не предназначены для передачи тепла (Berchowitz and Urieli, 1984).В этих моделях различные потери оцениваются количественно и включаются в анализ для прогнозирования мощности реального двигателя, работающего в определенных условиях (Walker, 1980). В самом последнем исследовании была разработана модель с политропными рабочими пространствами (Babaelahi and Sayyaadi, 2015). Значительная часть исследований по оптимизации цикла Стирлинга переместилась в сторону численного моделирования, которое в прошлом было слишком затратным с точки зрения вычислений для использования в целях оптимизации. Однако благодаря обширной работе, выполненной Берховицем и Уриэли (1984), модели были значительно ускорены, и более чем через 30 лет скорость вычислений также резко возросла.Имитация двигателя Стирлинга, которая изначально занимала 10 минут, теперь занимает секунды. Было проведено несколько исследований, направленных на прогнозирование и оптимизацию работы двигателя с использованием численных моделей. Исследование, проведенное Timoumi et al. (2008) представили новую модель цикла Стирлинга. Представленная модель была использована для оптимизации двигателя Стирлинга GPU-3 и двигателя на солнечных батареях со средним перепадом температур (Tlili et al., 2008). Исследование, проведенное Campos et al. (2012) использовали аналогичную модель для максимизации безразмерной эффективности двигателя в заданных условиях.Также было проанализировано влияние изменения параметров на производительность, и было обнаружено, что характеристики двигателя устойчивы к изменениям некоторых параметров. Senft использовал классический анализ Шмидта и провел анализ с целью найти оптимальную геометрию двигателя Стирлинга (Senft, 2002). Другие исследования также были направлены на анализ неидеальной адиабатической модели второго порядка с использованием многоцелевого подхода оптимизации (Toghyani et al., 2014). Анализ оптимизировал двигатель с точки зрения эффективности и перепада давления, представлена ​​граница Парето оптимальных решений.

Было проведено несколько исследований, в которых методология эксергетического анализа применялась к идеальным моделям цикла Стирлинга. Исследование, проведенное Martaj et al. (2006) применили методы эксергетического, энергетического и энтропийного анализа к циклу Стирлинга для оптимизации производительности. Те же авторы в отдельном исследовании проанализировали и оптимизировали двигатель Стирлинга с низким перепадом температур при работе в установившемся режиме (Martaj et al., 2007). де Бур (2003) показал важность включения перепада давления в свой анализ регенератора двигателя Стирлинга, где он доказал, что максимально достижимый КПД для двигателя с циклом Стирлинга составляет половину КПД Карно.Анализ Wu et al. (1998) сформулировали критерии для оптимизации площади теплопередачи в нагревателе и охладителе. Точно так же Костя и Фейдт (1998) провели анализ необратимости и влияния площади теплообменника на характеристики двигателя Стирлинга. Эти анализы и оптимизации обычно начинаются с сильно идеализированных моделей цикла Стирлинга, что проблематично, поскольку они не обязательно точно моделируют цикл Стирлинга. Было проведено несколько исследований, посвященных плотности мощности двигателя Стирлинга.Кроме того, было замечено, что коэффициент мертвого объема оказывает значительное влияние на производительность, особенно когда предполагается адиабатическое рабочее пространство (Wills and Bello-Ochende, 2016). Эффекты мертвого объема также упоминались некоторыми авторами как отрицательно влияющие на выходную мощность двигателей Стирлинга (Kongtragool and Wongwises, 2006; Puech and Tishkova, 2011). В этих исследованиях проанализировано, как мертвый объем отрицательно влияет на КПД цикла и выходную мощность. Несколько исследований были направлены на оптимизацию удельной мощности двигателя Стирлинга, поскольку размер двигателя представляет экономический интерес (Erbay and Yavuz, 1997, 1999).Эти анализы позволили оптимизировать устройство с точки зрения максимальной удельной мощности, так как это привело к созданию двигателей с хорошей удельной мощностью и высоким КПД.

Было проведено множество исследований по оптимизации энергетических циклов с использованием методологии эксергетического анализа. Где эксергия определяется как энергия, доступная для выполнения работы. Теорема Гуи-Стодола, которая описывает взаимосвязь между обратимой работой W˙rev, необратимой работой W˙irrev, генерацией энтропии S˙gen и температурой окружающей среды T ₀ (Bejan, 1996), может быть представлена ​​ниже как уравнение.1.

W˙rev − W˙irrev = W˙lost = T0S˙gen. (1)

Разработка этого уравнения была крупным достижением в термодинамике того времени, и это выражение показывает, что скорость генерации энтропии прямо пропорциональна скорости, с которой разрушается работа. При использовании этой методологии подчеркивается важность оптимизации системы в целом, а не отдельных компонентов (Bejan, 2006). Это делается, поскольку распространение необратимости по всей системе, а не ее минимизация в отдельных компонентах, приводит к действительно оптимизированной системе.

В этой статье представлен новый подход к моделированию потерь и оптимизации двигателя Стирлинга альфа-типа, который включает применение методологии эксергетического анализа к идеальной адиабатической модели цикла Стирлинга. Модель учитывает необратимость из-за передачи тепла через конечную разность температур, перепадов давления и кондуктивные потери на тепловых мостиках. Представленная модель используется с алгоритмом неявной фильтрации для оптимизации двигателя Стирлинга объемом 1000 см ³ для получения максимальной мощности с четырьмя различными типами сетки регенератора и фиксированным потреблением энергии.При анализе предполагается, что рабочая жидкость представляет собой идеальный газ, и в нагревателе и охладителе предполагается конечная теплоемкость, количество трубок нагревателя и охладителя также фиксировано.

Физическая модель

В этом разделе представлена ​​методология, использованная для оптимизации двигателя Стирлинга типа ³ alpha 1000 см для достижения максимальной производительности при фиксированном потреблении энергии. Предполагается, что рабочая жидкость представляет собой сжатый воздух, который ведет себя как идеальный газ. Предполагается, что нагреватель и охлаждающая внешняя жидкость имеют конечную теплоемкость, и в этом анализе используются четыре различных типа сеток регенератора.

Описание модели

Схема двигателя Стирлинга альфа-типа, используемого в анализе, представлена ​​на рисунке 1. На этой диаграмме показаны рабочая частота f , объем V , а также длина нагревателя, охладителя и регенератора L .

Рисунок 1 . Схема двигателя Стирлинга альфа-типа.

Выражения для объемов пространства сжатия и расширения представлены уравнениями 2 и 3. Уравнение. 2 рассчитывается объем в пространстве сжатия V _c с использованием зазора V _ccl , рабочего объема V _{c, развертки} и угла поворота кривошипа θ.

Vc = Vccl + Vc, свипирование 21 + cosθ. (2)

Точно так же уравнение. 3 рассчитывает объем в пространстве расширения с использованием зазора V _ecl , рабочего объема V _{e, развертки} , угла поворота кривошипа θ и разности фаз α.

Ve = Vecl + Ve, развертка21 + cosθ + α. (3)

Уравнения необходимы для определения объемов теплообменников из геометрических переменных. Уравнения 4–9 представляют собой уравнения для объема V и площади A охладителя, нагревателя и регенератора соответственно.

Уравнения 4 и 5 определяют объем V _k и площадь поверхности A _k в охладителе. Эти уравнения используют количество охлаждающих трубок N _k , длину охладителя L _k и диаметр охлаждающей трубки D _k .

Уравнения 6 и 7 определяют объем V _h и площадь поверхности A _h нагревателя. Эти уравнения используют количество нагревательных трубок N _h , длину нагревателя L _h и диаметр нагревательной трубки D _h .

Уравнения 8 и 9 определяют объем V _r и площадь поверхности A _r в регенераторе. Эти уравнения используют пористость сетки ε , длину регенератора L _r , диаметр регенератора D _r и гидравлический диаметр d _hyd .

На рис. 1 показаны различные параметры двигателя. Для моделирования двигателя некоторые переменные фиксированы, и в таблице 1 приведены эти переменные и их значения.Значения выбраны на основе идеализированной модели двигателя Стирлинга, а количество нагревательных и охлаждающих трубок было выбрано на основе реальных двигателей Стирлинга (Timoumi et al., 2008). Количество нагревательных трубок намного меньше, чем количество охлаждающих трубок; это связано с тем, что снижение температуры рабочей жидкости в охладителе в большей степени влияет на характеристики двигателя, чем повышение температуры рабочей жидкости в нагревателе. Другая причина, по которой в нагревателе меньше трубок, заключается в том, что в реальных двигателях Стирлинга через нагреватель могут протекать продукты сгорания.В зависимости от источника топлива это может привести к загрязнению теплообменника, поэтому расстояние между трубками важно для облегчения очистки. Через охладитель обычно протекает вода, а это значит, что он не засоряется так же быстро, как нагреватель.

Таблица 1 . Таблица фиксированных параметров.

Наряду с этими фиксированными параметрами при оптимизации используются четыре различных типа сетки. Типы сеток и их свойства можно увидеть в Таблице 2.

Математическая модель

В следующем разделе представлены и описаны уравнения, используемые для моделирования двигателя Стирлинга альфа-типа, который оптимизирован в данном исследовании.Сначала представлены модель и идеальная адиабатическая модель цикла Стирлинга. После этого представлены и объяснены уравнения, описывающие теплопередачу, трение потока и потери от теплового моста. Наконец, вводятся уравнения эксергии и скорости генерации энтропии и описывается метод решения.

Описанная модель предполагает конечную теплоемкость нагревателя и охладителя. Диаграмма температуры отсека показывает различные термодинамические свойства и температуру в каждом отсеке, как показано на Рисунке 2.

Рисунок 2 . Последовательно подключенный компонент и температурная диаграмма цикла Стирлинга.

Рисунок 2 используется как средство графического отображения и определения различных термодинамических свойств в отсеках двигателя и потоков энергии. Показанные свойства: давление P , температура T и объем V . Это камеры сжатия c , охладитель k , регенератор r , нагреватель h и пространство расширения e .Интерфейсы отсеков — это пространство сжатия и охладителя cb, интерфейс охладителя и регенератора, интерфейс регенератора и нагревателя и интерфейс нагревателя и пространства расширения. Все уравнения, представленные в этом разделе, можно понять, используя диаграмму и зная, что R — это постоянная идеального газа, C _p — удельная теплоемкость при постоянном давлении, C _V — удельная теплоемкость при постоянном объеме теплота и γ — отношение удельных теплоемкостей.

Идеальная адиабатическая модель

Идеальная адиабатическая модель была разработана Уриэли и Берховицем как средство более точного моделирования реального цикла Стирлинга. Во время разработки этих моделей итерационные схемы требовали слишком много времени для решения, чтобы сделать модель полезной при оптимизации геометрии двигателя Стирлинга. Однако благодаря достижениям в вычислениях и улучшенным моделям решения принимаются за секунды, а не за минуты, что делает эти числовые модели подходящими для целей оптимизации.

Полный вывод уравнений не представлен, но уравнения перечислены и кратко объяснены. Чтобы увидеть полный вывод уравнений, см. Книгу Уриэли и Берховица (Berchowitz and Urieli, 1984) или онлайн-ресурсы, поддерживаемые Уриэли (2017).

Идеальная адиабатическая модель предполагает незначительное изменение давления в двигателе. Следовательно, уравнение. 10 описывает давление P во всех моторных отсеках.

P = mRVcTc + VkTk + VrTr + VhTh + VeTe.(10)

Предполагая, что общая масса рабочей жидкости в устройстве является суммой масс рабочей жидкости в каждом компоненте, получаем уравнение. 11.

Предполагая, что масса рабочего тела остается постоянной, получаем уравнение. 12.

0 = dme + dmh + dmr + dmk + dmc. (12)

Для охладителя, регенератора и нагревателя предполагается, что объем и температура постоянны. Следовательно, дифференциал масс определяется уравнениями 13–15.

Подставляя уравнения 13–15 в уравнения. 12 и перестановка, дает уравнение.16.

dme + dmc + dPRVkTk + VrTr + VhTh = 0. (16)

Применение математического выражения для первого закона к обобщенной ячейке рабочего пространства дает уравнение. 17.

CvdmT = dQ − dW + Cpm˙inTin − m˙outTout. (17)

Перестановка уравнения. 17, чтобы дать изменение массы в пространствах сжатия и расширения, получаем уравнения 18 и 19.

dme = 1RTebPdVe + 1γVedP, (18) dmc = 1RTcbPdVc + 1γVcdP. (19)

Подставляя уравнения 18 и 19 в уравнение. 16 и перестановка дает уравнение. 20.

dP = −γPdVeTeb + dVcTcbVcTcb + γVkTk + VrTr + VhTh + VeTeb.(20)

Определение разницы температур в пространствах сжатия и расширения дает уравнения 21 и 22.

dTc = TcdPP ​​+ dVcVc − dmcmc, (21) dTe = TedPP + dVeVe − dmeme. (22)

Массовые потоки через границы отсеков определяются уравнениями 23–26.

m˙kb = m˙cb − dmk, (24)

Условные температуры, которые зависят от направления потока жидкости в нагревателе и охладителе, представлены уравнениями 27 и 28.

если m˙cb> 0, тогда Tcb = TcelseTcb = Tk, (27) ifm˙eb> 0thenTeb = ThelseTeb = Te.(28)

Уравнения энергии, описывающие тепло, поглощаемое и отводимое в охладителе, регенераторе и нагревателе, представляют собой уравнения 29–31.

dQk = CvRVkdP − Cpm˙cbTcb − m˙kbTk, (29) dQr = CvRVrdP − Cpm˙kbTk − m˙hbTh, (30) dQh = CvRVhdP − Cpm˙hbTh − m˙ebTeb. (31)

Уравнения энергии, которые описывают выходную работу цикла, — это уравнения 32 и 33.

Потери потока

При расчете перепада давления Δ P в теплообменниках используется подход с коэффициентом трения Рейнольдса f _r , поскольку это приводит к изменению знака падения давления при изменении направления потока (Berchowitz and Urieli, 1984) .Коэффициент трения Рейнольдса определяется как коэффициент трения Дарси f _D , умноженный на число Рейнольдса Re.

Уравнение 34 используется для расчета перепада давления Δ P , где используются вязкость μ, скорость газа u , объем V , площадь потока A _{, расход} и гидравлический диаметр d _hyd .

ΔP = −frμvV2Aflowdhyd2. (34)

Уравнение 35 представляет собой коэффициент трения Дарси f _D в регенераторе и рассчитывается с использованием максимального числа Рейнольдса Re _max (Tanaka et al., 1990).

В случае охладителя и нагревателя для расчета коэффициента трения Дарси используется соотношение однонаправленного гладкого потока в трубе f _D (Joseph and Yang, 2010). Эти соотношения относятся к потоку в турбулентном режиме, как это видно из уравнений 36 и 37.

fD = 0,351Re − 0,255 (3,050 Отношения теплопередачи

Уравнения 38 и 39 предназначены для числа Нуссельта Nu и эффективности ε регенератора (Tanaka et al., 1990).

Числа = 0,33, Средние 0,67, (38)

Уравнение 40 — это соотношение Гниелинского, которое используется для расчета числа Нуссельта в нагревателе и охладителе (Гниелински, 1975). Затем это, в свою очередь, используется для расчета коэффициента теплопередачи h в нагревателе и охладителе.

Nu = hDk = fD / 8Re − 1000Pr1 + 12,7fD / 81 / 2Pr2 / 3−1 (3000 Предполагая, что общий коэффициент теплопередачи U в нагревателе и охладителе равен коэффициенту теплопередачи h внутри трубок, это, в свою очередь, используется для вычисления количества единиц передачи (NTU), рассматривается как уравнение.41.

Это используется для вычисления NTU в нагревателе и охладителе, который, в свою очередь, используется для вычисления эффективности ε в нагревателе и охладителе, как видно из уравнения. 42.

Проводящие потери на тепловые мосты

Потери на кондуктивные тепловые мосты Q˙cond включены в анализ, поскольку тепло передается между горячей и холодной частями двигателя (Ahmadi et al., 2016). Уравнение 43 количественно определяет теплопроводные потери от теплового моста, которые рассчитываются с использованием теплопроводности регенератора k _cond , площади проводимости A _cond , длины регенератора L _r и температуры нагревателя T _ч и более низкая температура T _k .

Q˙cond = kcondAcondLrTh − Tk. (43)

Анализ эксергии

Определение эксергии двигателя дает уравнение. 44. Это уравнение используется для расчета выходной мощности W˙net с использованием входящей эксергии X˙in, выходящей эксергии X˙out и коэффициента необратимости İ, который равен T0S˙gen, total.

W˙net = X˙in − X˙out − İ. (44)

Математическое определение второго закона с точки зрения угла поворота коленчатого вала θ дает уравнение. 45.

dSdθ = ∑i1TidQdθi + ∑indmdθs − ∑outdmdθs + dSgendθ. (45)

Следовательно, определение генерации энтропии за цикл S _gen и предположение, что массовый расход dmdθ через теплообменники постоянный, дает уравнение.46. ​​

Sgen = ∫ 2π0 dmdθsout − sindθ − QT. (46)

Определение разницы в энтропии между входящим и выходящим газом S _out — S _в дает уравнение. 47.

sout − sin = CplnToutTin − RlnPoutPin. (47)

Подставляя уравнение. 47 в 46 дает энтропию, генерируемую за цикл Sgen, которая является уравнением. 48.

Sgen = ∫ 2π0 dmdθCp lnToutTin − R lnPoutPindθ − QT. (48)

Таким образом, скорость генерации энтропии S˙gen определяется как Eq. 49.

S˙gen = fSgen = 12π∫ 2π0 m˙ Cp lnToutTin− R lnPoutPindθ − Q̇T.(49)

Поскольку поток меняет направление генерации энтропии из-за падения давления, можно записать уравнение. 50.

S˙gen, ΔP = R2π∫ 2π0 m˙lnPoutPindθ. (50)

Уравнение скорости генерации энтропии в нагревателе S˙gen, h определяется как Ур. 51.

S˙gen, h = ChlnTh2 − εhTh2 − ThTh2 + R2π∫02πm˙hlnPebPhbdθ + Q˙loss, hT0. (51)

Уравнение скорости генерации энтропии в охладителе S˙gen, k определяется как уравнение. 52.

S˙gen, k = CklnTK1 + εkTk − TK1TK1 + R2π∫02πm˙klnPkbPcbdθ + Q˙loss, kT0. (52)

Использование определения эффективности ε для определения температур на выходе из регенератора рассматривается как уравнение.53.

εr = Thb − TkTh − Tk = Th − TkbTh − Tk. (53)

Следовательно, уравнение для скорости генерации энтропии в регенераторе S˙gen, r определяется как уравнение. 54.

S˙gen, r = Cp4πlnTkbThbTkTh∫02πm˙rdθ + R2π∫02πm˙rlnPhbPkbdθ + Q˙loss, rT0. (54)

Предполагая, что скорость генерации энтропии в пространствах расширения и сжатия пренебрежимо мала по сравнению со скоростью генерации энтропии в теплообменниках S˙gen, e = S˙gen, c = 0, общая скорость генерации энтропии S˙gen, total можно рассчитать, суммируя скорости генерации энтропии в нагревателе S˙gen, h, регенераторе S˙gen, r и охладителе S˙gen, k, как видно из уравнения.55.

S˙gen, всего = S˙gen, h + S˙gen, r + S˙gen, k. (55)

Определение целевой функции путем подстановки уравнений 51, 52 и 55 в уравнение. 55 и предполагая, что все теплообменники являются полностью адиабатическими, получаем уравнение. 56.

WNET = ChεhTh2-че-T0ChlnTh2Th2-εhTh2-че-CkεkTk-TK1-T0CklnTK1TK1 + εkTk-TK1-T0ChlnTh2-εhTh2-ThTh2 + R2π∫02πm˙hlnPebPhbdθheater-T0Cp4πlnTkbThbTkTh∫02πm˙rdθ + R2π∫02πm˙rlnPhbPkbdθregenerator-T0CklnTK1 + εkTk − TK1TK1 + R2π∫02πm˙klnPkbPcbdθcooler. (56)

Уравнение 56 — это целевая функция, которая дает выходную мощность двигателя.Эта функция используется для оптимизации геометрии двигателя Стирлинга.

Метод решения

Решение получено с использованием трех итерационных циклов. Внешний цикл вычисляет ввод энергии; средний цикл вычисляет разность температур для адекватной теплопередачи в охладителе, а внутренний цикл вычисляет решение уравнений идеальной адиабатической модели. Средний контур принимает значения массового расхода и энергии из внутреннего контура и использует их для вычисления температуры газа в нагревателе и охладителе.Затем это значение сравнивается с предыдущей итерацией, и, если оно находится в пределах указанного допуска, сходимость достигнута. Внутренний цикл вычисляет решение идеальной адиабатической модели, поскольку решения в замкнутой форме не существует и, следовательно, требуется итерационный метод. Чтобы быстро и эффективно найти решение, в анализе используются два разных итерационных метода. Метод Рунге – Кутта используется для первых четырех итераций, а после этого используется метод Адамса – Башфорта.Это сокращает время вычислений, поскольку метод Адамса – Башфорта не требует вычисления промежуточных шагов, а использует только ранее вычисленные производные, что приводит к большей вычислительной эффективности (Faires and Burden, 2010). Эта схема работает до тех пор, пока не будет достигнута сходимость между начальной и конечной температурами в пространствах сжатия и расширения. Как только эта сходимость достигается, массовые расходы и значения энергии используются во внешнем контуре для расчета температуры нового нагревателя и более холодного газа.Эта схема работает во внешнем контуре, который изменяет рабочую частоту двигателя до тех пор, пока не будет получена желаемая подводимая энергия.

Алгоритм оптимизации

Чтобы оптимизировать геометрию и рабочую частоту двигателя Стирлинга, задача изначально формулируется как задача минимизации ограниченных ограничений. Стандартная форма такой задачи — формула. 57.

где

Минимизируемая функция — уравнение. 57, которая является целевой функцией для чистой выходной мощности двигателя.Эта оптимизация достигается за счет минимизации отрицательных результатов работы. Однако уравнения, описанные в предыдущем разделе, демонстрируют несколько характеристик, которые делают оптимизацию целевой функции непригодной для классических алгоритмов на основе градиента. Проблемы, которые делают эту функцию непригодной для схем оптимизации на основе градиента, перечислены ниже:

1. Функция прерывистая.

2. Функция негладкая.

3. Имеется некоторый числовой шум.

4. О функциональном пространстве известно немного.

5. Оценка каждой функции стоит дорого.

Описанная функция обладает этими характеристиками, поэтому требуется специальный алгоритм. Алгоритм выбора — схема неявной фильтрации, первоначально разработанная профессором Келли и его коллегами (Kelley, 1999, 2011). Этот алгоритм был разработан для проблем с шумом, когда производная информация слишком трудна для получения или является неточной. В своей простейшей форме метод, разработанный Келли, представляет собой алгоритм наискорейшего спуска с разностными градиентами, которые постепенно уменьшаются по мере того, как решение приближается к минимуму.Используемый квазиньютоновский метод представляет собой обновление Бройдена – Флетчера – Шенно – Гольдфарба. Это обновление позволяет быстро и эффективно аппроксимировать обратный гессиан.

Результаты и обсуждение результатов

Процедура анализа и оптимизации позволила найти оптимальную геометрию и частоту вращения двигателя, обеспечивающие максимальную выходную мощность при фиксированном тепловложении. Оптимизированными переменными являются общая длина теплообменника, коэффициент мертвого объема, длина регенератора, длина трубки нагревателя, длина трубки охладителя, отношение объема пространства сжатия к объему пространства расширения, разность фаз и рабочая частота.

Производительность и эффективность работы

Рисунок 3 представляет собой график зависимости максимальной выходной мощности сети, минимальной общей скорости необратимости и поглощенной энергии от температуры на входе нагревателя для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 3 . Максимальная выходная мощность сети, минимальная общая степень необратимости и поглощенная энергия в зависимости от температуры на входе нагревателя для типов ячеек WN50 (A) , WN100 (B) , WN150 (C) и WN200 (D) .

Рисунок 3 показывает, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель максимальная полезная мощность увеличивается, а минимальная степень необратимости уменьшается. Причина в том, что оптимальная рабочая частота двигателя снижается с увеличением температуры на входе в нагреватель, что снижает показатель необратимости. Также видно, что оптимальная длина регенератора увеличивается вместе с эффективностью регенератора, что снижает необратимость теплопередачи в регенераторе. Это наиболее ярко проявляется в сетке WN200, поскольку эта сетка является самой тонкой сеткой, что обеспечивает наибольшую площадь теплопередачи на единицу объема, тогда как WN50 предлагает самую низкую площадь теплопередачи на единицу объема.

На рис. 4 показан график зависимости максимальной выходной мощности сети и максимального теплового КПД от температуры на входе нагревателя.

Рисунок 4 . Максимальная полезная мощность (A) и максимальная тепловая эффективность (B) в зависимости от температуры на входе нагревателя.

График максимальной эффективности, показанный на рисунке 4B, следует из графика максимальной выходной мощности сети, показанного на рисунке 4A. Из этих рисунков видно, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель увеличивается максимальная полезная мощность и максимальный КПД.Также можно увидеть, что сетка WN200 обеспечивает более высокую производительность, чем сетка других типов. В то время как WN50 дает худшую производительность. Причина этого в том, что сетка WN200 является самой тонкой сеткой, которая дает наибольшую площадь поверхности на единицу объема, что приводит к сетке, которая дает наименьшую степень необратимости в регенераторе. Сетка WN200 также дает самый маленький регенератор с точки зрения пустого объема, что означает, что больший доступный мертвый объем может быть отведен нагревателю и охладителю.Это дает более крупные трубы нагревателя и охладителя, имеющие большую площадь поверхности и меньший перепад давления, это приводит к более низким показателям необратимости этих компонентов и в сочетании с повышенной производительностью регенератора дает более высокую общую производительность двигателя.

Размещение тома

Рисунок 5 представляет собой график зависимости оптимального отношения мертвого объема от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 5 . Оптимальное соотношение мертвого объема в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рис. 5 показано, что оптимальный коэффициент мертвого объема уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Причина этого в том, что с увеличением разницы температур между нагревателем и охладителем оптимальное соотношение мертвого объема уменьшается. В случае идеальной адиабатической модели существует оптимальный коэффициент мертвого объема для максимальной выходной мощности сети, и по мере того, как коэффициент мертвого объема стремится к единице, эффективность цикла увеличивается до эффективности Карно (Wills and Bello-Ochende, 2016). Эти две разные проектные точки играют неотъемлемую часть в оптимизации цикла Стирлинга, поскольку оптимальное соотношение мертвого объема — это когда чистый выходной объем и эффективность уравновешиваются мертвым объемом, что дает оптимальную геометрию двигателя для минимального уровня необратимости. .При дальнейшем рассмотрении результатов можно сделать вывод, что существуют проектные точки, которые обеспечивают более низкие коэффициенты необратимости. Однако распределение объема не является близким к оптимальному, что снижает общую производительность двигателя. Следовательно, степень необратимости необходимо минимизировать, а также оптимизировать распределение объема.

Рисунок 6 представляет собой график зависимости оптимального отношения рабочего объема от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 6 . Оптимальное соотношение рабочего объема в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рис. 6 показано, что оптимальное соотношение рабочего объема уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого в том, что соотношение температур нагревателя и охладителя увеличивается с увеличением температуры на входе в нагреватель. При анализе идеальной модели оптимальное отношение рабочего объема пространства сжатия к рабочему объему пространства расширения всегда меньше единицы и уменьшается с увеличением соотношения температур нагревателя и охладителя. Это связано с тем, что по мере увеличения соотношения температур нагревателя и охладителя часть тепла, передаваемого из охладителя, уменьшается, поэтому требуется меньше работы по сжатию, поскольку эта величина работы прямо пропорциональна тепловой нагрузке в охладителе.Это дает меньшее пространство для сжатия по сравнению с пространством расширения, поскольку уменьшает входную работу пространства сжатия по сравнению с выходом работы пространства расширения.

Геометрия теплообменника

Размер теплообменников существенно влияет на производительность двигателя Стирлинга. На следующих графиках показаны оптимальные значения геометрии теплообменника при различных температурах на входе в нагреватель, которые соответствуют оптимальным характеристикам двигателя при фиксированной подводимой теплоте.

Рисунок 7 представляет собой график зависимости оптимальной длины регенератора от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 7 . Оптимальная длина регенератора в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рис. 7 показано, что оптимальная длина регенератора увеличивается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Также можно видеть, что сетка типа WN200 дает самый короткий регенератор, а сетка WN50 дает самый длинный регенератор. Причина этого в том, что сетка WN200 предлагает наибольшую площадь поверхности на единицу объема, а сетка WN50 дает наименьшую площадь поверхности на единицу объема.Следовательно, оптимальная длина сетки для типа сетки WN200 значительно короче, чем для типа сетки WN50. Это значительно влияет на производительность двигателя, поскольку регенератор меньшего размера имеет меньший объем пустот, а это означает, что большая часть доступного мертвого объема может быть отведена охладителю и нагревателю, увеличивая производительность этих компонентов. Более короткий регенератор также дает меньший перепад давления, что приводит к увеличению оптимальной рабочей частоты, что означает, что в единицу времени выполняется больше циклов, что обеспечивает более высокую выходную мощность.

Рисунок 8 представляет собой график зависимости оптимальной эффективности регенератора от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сеток.

Рисунок 8 . Оптимальная эффективность регенератора в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 8 показывает, что сетка WN200 обеспечивает максимальную оптимальную эффективность регенератора, причина этого в том, что сетка WN200 является самой мелкой сеткой и, следовательно, дает наибольшую площадь теплопередачи на единицу объема. Это положительно сказывается на характеристиках двигателя, поскольку более высокая эффективность регенератора снижает необратимость теплопередачи, тем самым уменьшая общий коэффициент необратимости.Сетка WN200 также дает самый низкий перепад давления из всех типов ячеек, это означает, что двигатель с сеткой типа WN200 будет работать с более высокой частотой, что увеличивает производительность двигателя. Причина более низкого падения давления заключается в том, что сетка типа WN200 обеспечивает более широкий и более короткий оптимальный регенератор, тем самым уменьшая перепад давления по сравнению с сеткой WN50, которая длиннее.

Рисунок 9 представляет собой график зависимости оптимальной длины и диаметра трубы охладителя от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 9 . Оптимальная длина охлаждающей трубки (A), и диаметр (B) в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 10 представляет собой график зависимости оптимальной длины и диаметра трубки нагревателя от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов ячеек.

Рисунок 10 . Оптимальная длина трубки нагревателя (A) и диаметр (B) в зависимости от температуры на входе нагревателя.

Рисунок 11 представляет собой график зависимости оптимальной эффективности нагревателя и оптимальной эффективности охладителя от температуры на входе нагревателя для четырех различных типов сетки.

Рисунок 11 . Оптимальная эффективность нагревателя (A) и эффективность охладителя (B) в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рисунках 9 и 10 показано, что длина и диаметр трубок охладителя и нагревателя уменьшаются с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого в том, что при повышении температуры на входе в нагреватель оптимальная рабочая частота уменьшается; тем самым уменьшая массовый расход рабочей жидкости через теплообменники.Из-за этого уменьшения скорости потока падение давления в регенераторе уменьшается, что приводит к увеличению длины регенератора и уменьшению диаметра, это увеличивает эффективность регенератора, что снижает степень необратимости регенератора. Это уменьшает мертвый объем, который может быть отнесен к другим теплообменникам, поскольку объем пустот в регенераторе увеличивается с увеличением длины регенератора, а оптимальный коэффициент мертвого объема также уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Следовательно, трубы охладителя и нагревателя уменьшаются в длине и диаметре по мере уменьшения доступного мертвого объема и увеличения пустотного объема регенератора. Это приводит к уменьшению площади поверхности теплообменника, что влияет на характеристики теплопередачи.

Рисунок 11 показывает, что эффективность охладителя и нагревателя уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого снижения эффективности заключается в том, что оптимальная частота вращения двигателя уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель, это снижает коэффициент теплопередачи в нагревателе, а площадь поверхности в нагревателе также уменьшается по мере уменьшения оптимального отношения мертвого объема и пустого объема. регенератора увеличивается.Это уменьшает NTU в нагревателе, что приводит к снижению эффективности.

При сравнении рисунков 9–11 видно, что охладитель имеет большую площадь поверхности и большую эффективность, чем нагреватель, и это связано с тем, что трубок холоднее, чем трубок нагревателя. Это указано, поскольку производительность охладителя оказывает гораздо более заметное влияние на производительность двигателя, чем нагреватель. Понижение температуры рабочей жидкости в охладителе имеет сравнительно большее влияние на эффективность, чем повышение температуры рабочей жидкости в нагревателе, что можно легко проиллюстрировать, просто проанализировав выражение для КПД Карно.

Рабочая частота

Это исследование отличается от многих других исследований, поскольку рассчитывается оптимальная рабочая частота двигателя, тогда как в других исследованиях рабочая частота указывается. Этот подход позволяет оптимизировать рабочую частоту с другими переменными, чтобы обеспечить оптимальную производительность двигателя.

Рисунок 12 представляет собой график зависимости оптимальной рабочей частоты от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сеток регенератора.

Рисунок 12 .Оптимальная рабочая частота в зависимости от температуры на входе нагревателя.

Рисунок 12 показывает, что оптимальная рабочая частота уменьшается с увеличением температуры на входе нагревателя. Причина этого в том, что по мере увеличения температуры на входе нагревателя количество энергии, поглощаемой за цикл, увеличивается, таким образом, требуемая рабочая частота для поглощения указанной входной энергии уменьшается. График также показывает, что сетка типа WN200 дает более высокую оптимальную рабочую частоту, чем сетка типа WN50.Разница в рабочей частоте для каждого типа сетки заключается в том, что число Рейнольдса в регенераторе для данного массового расхода больше для сетки типа WN50, чем для типа сетки WN200. Это приводит к тому, что оптимальная рабочая частота выше для типа ячейки WN200, поскольку оптимальное число Рейнольдса в регенераторе находится на более высокой рабочей частоте для типа ячейки WN200, чем для типа ячейки WN50. Эта повышенная рабочая частота также увеличивает производительность нагревателя и охладителя по мере увеличения массового расхода.

Этот результат также показывает, почему машины большего размера будут работать лучше, поскольку машины большего размера будут поглощать больше энергии за цикл и, таким образом, допускать более низкие рабочие частоты и, таким образом, меньшую степень необратимости регенератора. Этот эффект будет особенно заметен в случае более низких температур на входе в нагреватель, так как здесь рабочая частота высока, и ее уменьшение резко улучшит характеристики двигателя.

Разность фаз

Рисунок 13 представляет собой график зависимости оптимальной разности фаз от температуры источника нагревателя.

Рисунок 13 . Оптимальная разность фаз в зависимости от температуры на входе в нагреватель.

На рис. 13 показана оптимальная разница фаз в зависимости от температуры на входе в нагреватель для четырех типов разностной сетки. График показывает, что существует оптимальная разность фаз для каждой температуры на входе в нагреватель и что оптимальная уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель. График показывает, что оптимальное отличается от оптимального π / 2 rads, которое является оптимальным, полученным при анализе идеального цикла.Причина этой разницы в том, что разность фаз сильно влияет на массовые потоки, проходящие через устройство, а также на минимальный и максимальный объемы двигателя, тем самым влияя на характеристики двигателя.

Заключение

Этот анализ и оптимизация двигателя Стирлинга 1000 см ³ альфа с конечной теплоемкостью в нагревателе и охладителе и фиксированным потреблением энергии представляет собой новый анализ и оптимизацию геометрии двигателя Стирлинга с использованием методологии эксергетического анализа с неявный алгоритм фильтрации.Эта модель может использоваться разработчиками двигателя Стирлинга в качестве начальной процедуры оптимизации для поиска оптимальных или почти оптимальных проектных точек перед более сложным моделированием и экспериментами. Анализ показывает значительное влияние, которое выбор сетки регенератора оказывает на производительность двигателя и размер оптимального регенератора при заданных размерах сетки. Оптимизация показывает, что сетка WN200 обеспечивает лучшую производительность двигателя среди проанализированных типов сетки. Анализ показал, что оптимальная длина регенератора увеличивается, а оптимальная рабочая частота двигателя уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Оптимальные объемные соотношения, оптимальная геометрия теплообменника и фазовый угол также представлены вместе с обсуждением тенденций, наблюдаемых в оптимальных переменных. Что касается будущей работы, подход эксергетического анализа необходимо использовать с более сложными многомерными моделями двигателей Стирлинга. Кроме того, необходимо учитывать внешние эффекты теплопередачи в нагревателе и охладителе, эти эффекты включают влияние толщины трубы и коэффициента теплопередачи на внешней стороне трубок. Эти эффекты следует учитывать, поскольку они могут повлиять на температуру рабочей жидкости нагревателя и охладителя и, таким образом, на характеристики двигателя.

Авторские взносы

JW разработал модель, провел анализ и написал рукопись. TB-O задумал анализ и отредактировал рукопись.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Авторы выражают благодарность Кейптаунскому университету и Национальному исследовательскому фонду (NRF) за финансовую помощь в выполнении этой работы.Высказанные мнения и сделанные выводы принадлежат авторам и не обязательно приписываются NRF и UCT.

Финансирование

Эта работа финансировалась Национальным исследовательским фондом (NRF) и Кейптаунским университетом (UCT). Высказанные мнения и сделанные выводы не обязательно приписываются NRF и UCT.

Список литературы

Ахмади, М. Х., Мохаммад, А., и Мехди, М. (2016). Исследование влияния проектных параметров на выходную мощность и тепловой КПД двигателя Стирлинга с помощью термодинамического анализа. Внутр. J. Low Carbon Technol. 11, 141–156. DOI: 10.1093 / ijlct / ctu030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бабаэлахи М. и Сайяди Х. (2015). Новая тепловая модель, основанная на политропном численном моделировании двигателей Стирлинга. Прил. Энергия 141, 143–159. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2014.12.033

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бежан, А. (1996). Минимизация генерации энтропии: новая термодинамика устройств конечных размеров и процессов с конечным временем. J. Appl. Phys. 79, 1191–1218. DOI: 10.1063 / 1.362674

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бежан, А. (2006). Передовая инженерная термодинамика . Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья.

Google Scholar

Berchowitz, D., and Urieli, I. (1984). Анализ двигателя цикла Стирлинга, альтернативные источники энергии . Бристоль: Адам Хильгер.

Google Scholar

Кампос, М. К., Варгас, Дж. В. К., и Ордонез, Дж.С. (2012). Термодинамическая оптимизация двигателя Стирлинга. Energy 44, 902–910. DOI: 10.1016 / j.energy.2012.04.060

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Костя М. и Фейдт М. (1998). Влияние изменения общего коэффициента теплопередачи на оптимальное распределение теплопроводности или площади поверхности теплопередачи в двигателе Стирлинга. Energy Convers. Manag. 39, 1753–1761. DOI: 10.1016 / S0196-8904 (98) 00063-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

де Бур, П.К. Т. (2003). Максимально достижимая производительность двигателей и холодильников Стирлинга. J. Heat Transfer 5, 911–915. DOI: 10,1115 / 1,1597618

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дайсон, Р. В., Уилсон, С. Д., и Тью, Р. С. (2004). «Обзор вычислительных методов анализа Стирлинга», в 2nd International Energy Conversion Engineering Conference (Providence: American Institute of Aeronautics and Astronautics), 511–531. DOI: 10.2514 / 6.2004-5582

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эллаббан, О., Абу-Руб, Х., и Блаабьерг, Ф. (2014). Возобновляемые источники энергии: текущее состояние, перспективы на будущее и технологии, позволяющие использовать их. Обновить. Поддерживать. Energy Rev. 39, 748–764. DOI: 10.1016 / j.rser.2014.07.113

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрбай, Л. Б., и Явуз, Х. (1997). Анализ теплового двигателя Стирлинга в условиях максимальной мощности. Energy 22, 645–650. DOI: 10.1016 / S0360-5442 (96) 00159-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрбай, Л.Б., и Явуз, Х. (1999). Оптимизация необратимого теплового двигателя Стирлинга. Внутр. J. Energy Res 23, 863–873. DOI: 10.1002 / (SICI) 1099-114X (199908) 23:10 <863 :: AID-ER523> 3.0.CO; 2-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фейрес, Дж., И Бёрден, Д. (2010). Численный анализ . Бостон: Брукс Коул.

Google Scholar

Финкельштейн, Т. (1960). «Обобщенный термодинамический анализ двигателей Стирлинга», в Техническом документе .Детройт: SAE International. DOI: 10.4271 / 600222

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гниелинский, В. (1975). «Новые уравнения тепломассопереноса в турбулентном потоке в трубах и каналах», в Технический отчет NASA STI / Recon A , Берлин, Vol. 75, 8–16.

Google Scholar

Джозеф Д. Д. и Ян Б. Х. (2010). Корреляция коэффициентов трения для ламинарного, переходного и турбулентного течения в гладких трубах. Physica D 239, 1318–1328.DOI: 10.1016 / j.physd.2009.09.026

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Келли, К. Т. (1999). Итерационные методы оптимизации . Роли: СИАМ.

Google Scholar

Келли, К. Т. (2011). Неявная фильтрация . Роли: СИАМ.

Google Scholar

Kongtragool, B., и Wongwises, S. (2003). Обзор двигателей Стирлинга на солнечных батареях и низкотемпературных двигателей Стирлинга. Обновить. Поддерживать.Energy Rev. 7, 131–154. DOI: 10.1016 / S1364-0321 (02) 00053-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Kongtragool, B., и Wongwises, S. (2006). Термодинамический анализ двигателя Стирлинга, включая мертвые объемы горячего пространства, холодного пространства и регенератора. Обновить. Energy 31, 345–359. DOI: 10.1016 / j.renene.2005.03.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартадж Н., Гросу Л. и Рошель П. (2006). Эксергетический анализ и оптимизация конструкции двигателя Стирлинга. Внутр. J. Energy 3, 45–67. DOI: 10.1504 / IJEX.2006.008325

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пуэч П., Тишкова В. (2011). Термодинамический анализ двигателя Стирлинга, включая мертвый объем регенератора. Обновить. Energy 36, 872–878. DOI: 10.1016 / j.renene.2010.07.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сенфт, Дж. Р. (1998). Теоретические пределы производительности двигателей Стирлинга. Внутр. J. Energy Res 22, 991–1000.DOI: 10.1002 / (SICI) 1099-114X (199809) 22:11 <991 :: AID-ER427> 3.0.CO; 2-U

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стирлинг, Р. (1816 г.). Воздушный двигатель Стирлинга и регенератор тепла . Патент Соединенного Королевства 4081.

Google Scholar

Танака М., Ямасита И. и Чисака Ф. (1990). Характеристики потока и теплопередачи регенератора двигателя Стирлинга в колеблющемся потоке. JSME Int. J. 33, 283–289.

Google Scholar

Томбаре, Д.Г., и Верма, С. К. (2008). Технологические разработки в двигателях цикла Стирлинга. Обновить. Поддерживать. Energ. Rev. 12, 1–38. DOI: 10.1016 / j.rser.2006.07.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тимуми Ю., Тлили И. и Насралла С. Б. (2008). Оптимизация производительности двигателей Стирлинга. Обновить. Energy 33, 2134–2144. DOI: 10.1016 / j.renene.2007.12.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тлили И., Тимуми Ю. и Насралла С.Б. (2008). Анализ и рассмотрение конструкции двигателя Стирлинга с разницей средней температуры для солнечной энергетики. Обновить. Energy 33, 1911–1921. DOI: 10.1016 / j.renene.2007.09.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тогьяни, С., Касаэян, А., и Ахмади, М. Х. (2014). Многоцелевая оптимизация двигателя Стирлинга неидеальным адиабатическим методом. Energy Convers. Manag. 80, 54–62. DOI: 10.1016 / j.enconman.2014.01.022

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уриэли, И.(2017). Анализ машины Стирлинга . Огайо: Университет Огайо.

Google Scholar

Уокер, Г. (1980). Двигатели Стирлинга . Оксфорд: Издательство Оксфордского университета.

Google Scholar

Уиллс, Дж. А., и Белло-Оченде, Т. (2016). «Теоретический термодинамический анализ и оптимизация двигателя Стирлинга с точки зрения мертвого объема», 4-я Южноафриканская конференция по солнечной энергии (SASEC2016), (Стелленбош).

Google Scholar

Ву, Ф., Chen, L., Wu, C., and Sun, F. (1998). Оптимальная производительность необратимого двигателя Стирлинга с несовершенной регенерацией. Energy Convers. Manag. 39, 727–732. DOI: 10.1016 / S0196-8904 (97) 10036-X

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Произошла ошибка при настройке вашего пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файлах cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

IRJET — Запрошенная вами страница не найдена на нашем сайте

IRJET приглашает статьи по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май-2021)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, Май 2021 Публикация продолжается …

Обзор статей

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своего Система менеджмента качества.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, май 2021 г. Публикация продолжается … Документы

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, май 2021 г. Публикация продолжается … Документы

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, май 2021 г. Публикация продолжается … Документы

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, май 2021 г. Публикация продолжается … Документы

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, май 2021 г. Публикация продолжается … Документы

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, май 2021 г. Публикация продолжается … Документы

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.

Проверить здесь

---

IRJET получил сертификат регистрации ISO 9001: 2008 для своей системы менеджмента качества.

---

IRJET приглашает специалистов по различным инженерным и технологическим дисциплинам, научным дисциплинам для Тома 8, выпуск 5 (май 2021 г.)

Отправить сейчас

---

IRJET Vol-8, выпуск 5, май 2021 г. Публикация продолжается … Документы

---

IRJET получил «Импакт-фактор научного журнала: 7,529» за 2020 год.