Стирлинга двигатель: Sorry! This site is experiencing technical difficulties.

Содержание

Двигатель Стирлинга для автономного электроснабжения дома | Блог самостройщика

Вот уже более 200 лет известен так называемый двигатель внешнего сгорании, изобретенный Робертом Стирлингом:

Схема двигателя достаточно простая, в ней меньше деталей и узлов, в отличие от двигателя внутреннего сгорания. В его конструкции рабочее вещество (как правило, воздух) движется по замкнутому контуру и не является расходным веществом. Подводится только тепло в систему. В отличие от парового двигателя, турбины или ДВС, где в систему нужно подводить и отводить рабочее вещество (вода, пар, жидкое топливо). Двигатель Стирлинга может работать на любом источнике получения тепла: дрова, уголь, газ.

Схема двигателя Стирлинга:

И анимация процесса работы:

Больше подводится тепла – быстрее передвижения поршня и вращение вала. Так же эта схема внешнего сгорания может иметь достаточно высокий КПД – до 90%.

Если задать поиск по картинкам в интернете, Вы увидите лишь демонстрационные или настольные модели, модели-самоделки, которые в лучшем случае вращают небольшой генератор, способный заряжать разве что мобильный телефон.

Практически ни одной промышленной или серийной модели. Удалось все же найти английскую модель газового котла, работающие от природного газа с функцией выработки электроэнергии двигателем Стирлинга:

Источник: https://domolov.ru/kogeneracionnaya-ustanovka-mikrotec-so-stirlingom-whispergen-eu1-de.html

Называется WhisperGen (бесшумный генератор) Пишут, что в 2012г. в Европе было установлено до 400 таких установок. Стоимость: 1,5 тыс. Евро.

Другая модель:

Источник: http://www.bhkw-prinz.de/cleanergy-c9g-stirling-bhkw/2384

Источник: http://www.bhkw-prinz. de/cleanergy-c9g-stirling-bhkw/2384

Работает от газа. Электрическая мощность: от 2 до 9 кВт. Частота вращения двигатели 1500 об/мин. Вес: 470 кг. Стоимость: 4125 Евро (не известно на какую дату).

Но в основном, поиск Вам выдаст вот такие фотографии сувенирных моделей или самоделок:

Источник: https://youtu.be/CnHqGdNXVcY

Если сувениры – просто демонстрация этой схемы, то вторые – хоть могут вырабатывать электроэнергию с нагревом цилиндра свечкой или спиртовкой.

Можно приобрести себе такой сувенир:

Как такое возможно, что при универсальности (работе на различном топливе), простоте конструкции и при возможности масштабирования в размере — двигатель Стирлинга остается давно забытым двигателем, который так и не получил распространения?

В той же Англии в конце 19в. изготавливали промышленные образцы, которые использовали как водяные насосы:

Скрины с видео: https://youtu.

be/7DeGTGOp-1U

Скрины с видео: https://youtu.be/7DeGTGOp-1U

Это двигатель Стирлинга 1895г. Работает от дровяного котла, в котором можно сжигать и уголь. Информация про этот дошедший до нас экземпляр в ролике, взятом с передачи канала Discovery:

Минусов у такого двигателя только два: время на разогрев и большие габариты при небольшой мощности.

Судя по размерам, двигатель способен вращать не только насос, но и генератор (через ременную повышающую передачу). А это уже путь к автономности любого объекта в удаленных лесных районах.

Думаю, что монополизм в области энергоносителей не пустил в жизнь этот двигатель. Получать прибыль от продажи топлива для ДВС гораздо выгоднее, чем просто производить установки для автономного электро и теплоснабжения.

Недавно я выкладывал статью: Пиролизный газогенераторный котел для получения электричества

Но пиролиз для получения горючего (а тем более, очищенного от загрязнений) газа – это более сложный путь. И к тому же ресурс двигателя внутреннего сгорания сокращается. Двигатель Стирлинга аналогичных пиролизному котлу размеров для привода генератора – это конструкция проще. Может быть как привод для насоса, генератора, подъемного механизма.

В середине 20 в. еще не все удаленные деревни в нашей стране были с централизованным электричеством. Привод генераторов от двигателей Стирлинга решал бы их вопросы. Почему не выпускали такие установки? Хотя пиролизные котлы ставили на грузовики тысячами! Возможно, не знали или никто из инженеров не предложил. Или есть «подводные камни» в процессе работы таких установок?

Давайте предположим, что сложностей нет и возможно произвести двигатель Стирлинга, работающий от небольшого котла. Котел, допустим, на 20-30 кВт тепловой мощности для отопления дома. Часть тепла от отопительного котла отбираем на работу двигателя и привод электрогенератора. Пусть 5 кВт – этого достаточно для освещения и питания электроприборов.

На мой взгляд, идеальная схема. Установка бы пользовалась спросом для строительства баз отдыха в удаленных местах. Создание фермерских хозяйств без доступа к электросетям – тоже упрощается. Построив биогазовую установку, можно получить источник энергии для котла.

Про этот вариант я писал здесь: Установка для получения биогаза для отопления дома. Реальный пример

Установку можно сделать в разных габаритах: переносная для туризма, стационарная — для зданий. При желании можно большинство отопительных котлов оборудовать такими двигателями для привода генератора. Можно поставить на варочную панель дровяной печи. В холодный период будет экономия на электроэнергии. Либо использовать как резервный источник электричества. Что думаете – напишите в комментариях…

***

Фотография взята из открытых источников, с сервиса Яндекс.Картинки

Подписывайтесь на канал, добавляйте его в закладки браузера (Ctrl+D). Впереди много интересной информации.

Абсолютный рекорд в солнечной энергетике поставил двигатель Стирлинга

В ходе экспериментов, проведенных на испытательном полигоне солнечных энергоустановок Национальных лабораторий Sandia в штате Нью-Мексико (США) с участием компании Stirling Energy Systems (SES), был поставлен новый рекорд коэффициента преобразования солнечной лучистой энергии в промышленную электрическую — 31,25%. Предыдущий рекорд, зафиксированный в 1984 году, составлял 29,4%.

Рекордное значение было достигнуто на установке Serial #3, представляющей собой прототип одного из шести модулей солнечной электростанции на основе двигателей Стирлинга мощностью до 150 кВт.

Установка представляет собой поворотное вогнутое зеркало из 82 элементов, которое концентрирует солнечные лучи в фокальной плоскости, где располагается нагреватель механического двигателя «внешнего сгорания» системы Стирлинга.

В двигателе Стирлинга в качестве рабочего тела используется водород; сам двигатель опломбирован и не требует непрерывного технического обслуживания. Периодически нагреваясь и охлаждаясь, рабочее тело приводит в движение через кривошипно-шатунный механизм вал двигателя, который, в свою очередь, механически соединен с валом электрогенератора. Коэффициент полезного действия такой системы оказался рекордно высоким.

Новое поколение солнечных энергоустановок на базе двигателя Стирлинга отличается рядом усовершенствований. В первую очередь, они касаются системы зеркал. Новые зеркала выполнены на базе стекла с малым содержанием железа и с новым посеребрением, что позволило повысить коэффициент фокусировки солнечных лучей с ранее достигнутых 91% до 94%.

Зеркала имеют особую форму, защищенную патентом Sandia. Ее использование позволило уменьшить размеры пятна рассеяния в фокальной области до семи дюймов (менее 20 см) в диаметре.

Поставить рекорд помогла также безоблачная зимняя погода, установившаяся в день испытаний над штатом Нью-Мексико.

Благодаря ей температура холодильника тепловой машины составила 23 градуса Цельсия. В ходе испытаний, продолжавшихся 2 с половиной часа, полезная электрическая мощность машины составила 26,75 кВт.

В настоящее время компания SES готовится коммерциализировать свои разработки. Предполагается, что в Южной Калифорнии будут построены солнечные электростанции на базе двигателей Стирлинга из 70 тыс. модулей рекордной для данного вида электростанций совокупной электрической мощностью 1750 МВт.

Источник: CNews.ru

Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?: engineering_ru — LiveJournal

Как и большинство «виртуальных стирлингостроителей», заинтересовавшихся теоретическим КПД двигателя «Стирлинга», столкнулся с множеством вопросов и заново вспомнил (да и пересмотрел с практической точки зрения) законы термодинамики. В итоге, так до конца и не выяснил, почему же при таких хороших показателях в теории, все так плохо обстоит на практике.

Вот то, что смог нарыть в Интернет.

1. Теоретический КПД, вроде бы, может быть равен КПД идеального цикла Карно (то есть максимально возможному, при определенной разнице температур),но при условии «идеального» регенератора, с коэффициентом теплопередачи 1,0. Вот тут неясно. В одних источниках пишут, что максимальный коэффициент 0,5, обосновывая тем, что тепло будет переходить от горячего тела к холодному, пока не сравняется их температура, то есть достигнет половины разницы температур горячего и холодного тела (тот самый коэффициент 0,5). Но в некоторых источниках упоминается коэффициент теплопередачи регенератора до 0,98, при этом не описывается, каким образом это достигается. Где правда, непонятно.
2. Альфа-стирлинг (два цилиндра с поршнями — горячий и холодный) имеет проблемы со смазкой горячего поршня. Тогда почему именно этот тип пользуется популярностью?
3. Бетта-стирлиг (один цилиндр, с вытеснителем в горячей части и поршнем в холодной) и гамма-стирлинг (два цилиндра — горячий с вытеснителем и холодный с поршнем) не имеют проблем со смазкой, так как трение о стенки только в холодном цилиндре, а вытеснитель имеет зазор от стенок цилиндра и не нуждается в смазке. То есть, такие двигатели могут работать с большой разницей температур, а значит с большим КПД. Но, почему-то, они считаются менее перспективными, чем альфа-стирлинги.

К тому же, важным показателем, влияющим на КПД, является время циклов (количество оборотов) – чем оно больше, тем лучше теплообмен и выше КПД. Но, при этом, наблюдается «гонка за оборотами», которую обосновать чем-то, кроме как маркетинговыми интересами довольно трудно. То есть, причина типа «потери в редукторе при низких оборотах» не выдерживает критики – такие потери исчисляются всего лишь процентами, а прирост КПД может быть выше 10-30%. Поэтому, создается ощущение, что разработчики гонятся больше за такими характеристиками, как удельная мощность и оборотистость, чтобы противопоставить «стирлинги» ДВС, а КПД приносят в жертву.

Но ведь можно оставить пока гонки с ДВС на транспорте и сосредоточится на стационарных двигателях Стирлинга, работая над повышением их КПД и удешевлением конструкции. Работающие на любом виде топлива, в том числе и на солнечной энергии, эти двигатели могут, в перспективе, конкурировать с солнечными батареями. И у них неплохие перспективы в области возобновляемой энергии, в том числе древесное топливо, которое за счет солнечной энергии «восстанавливается» за несколько десятилетий. И опять же, всеядность этих двигателей позволяет создавать электростанции (в том числе бытовые) комбинированного типа – пока есть солнце, работает от солнечной энергии, когда нет, то на твердом топливе.

Правда, достижение высокого КПД, это не единственное направление, за которое стоит бороться, двигатели Стирлинга имеют еще один недостаток – так как источник тепла находится за пределами объема двигателя, а рабочее тело (газ) имеет низкую теплопроводность, то получается, что в работе участвует только газ, находящийся у стенок цилиндра. А значит, что отношение роста мощности к увеличению объема цилиндра, находится в обратной квадратичной зависимости. То есть, чтобы увеличить мощность в 5 раз, надо увеличить объем цилиндра в 25 раз.
Именно поэтому, на заре «стирлингостроения» более-менее мощные двигатели были массивнее даже паровых машин при той же мощности. Сейчас эта проблема решается путем накачки двигателя газом под большим давлением, то есть увеличивается масса рабочего тела при том же объеме. Но этот путь тоже тупиковый – в двигателях больше пары литров, опять же, стоит та же проблема, квадратичное отношение роста объема к росту мощности. Да и проблемы с утечкой рабочего тела при давлениях в 100-200 атмосфер трудно решить.

На этом фоне, более перспективным видится другое решение – заставить работать весь газ внутри двигателя, независимо от объема. Такое решение, несмотря на простоту реализации было предложено только недавно (источник — http://zayvka2016131416.blogspot.ru/) — поставить насос или вентилятор, которые будут создавать потоки газа внутри двигателя. И, по аналогии с вентилятором, дующим на радиатор, будет увеличиваться скорость охлаждения стенок цилиндров рабочим газом двигателя и обеспечиваться максимальное участие этого газа в работе, независимо от размера цилиндра. По идее, это должно дать толчок развитию двигателей Стирлинга, так как позволяет создавать довольно простые и мощные варианты этих двигателей.
А если не гнаться за массогабаритными показателями автомобильных ДВС, то, может быть, скоро мы наконец то услышим о двигателях, работающих на дровах или солнечной энергии, с КПД 60-70%. И пусть они не смогут конкурировать по размерам с ДВС, но зато могут обеспечить выработку дешевой электроэнергии. А это, в свою очередь, может поспособствовать увеличению экономической целесообразности электромобилей. Ну, а в сочетании с получающими распространение пиролизными котлами, может привести к полной автономии в энергоснабжении жилья (особенно новых домов, для подключения которых к электросети и газопроводу требуется немалая сумма).

Вот как-то так. Буду рад услышать критику моих выкладок.

Двигатель Стирлинга и огурцы. Южноуральская панорама.

За свои достижения они получили путевки на российский научный семинар-школу «Академия юных». Она проходила в курортном городе Гагры в рамках национальной научно- исследовательской подготовки «Научные…

Челябинские школьники удивили своими изобретениями

За свои достижения они получили путевки на российский научный

семинар-школу «Академия юных». Она проходила в курортном городе Гагры в рамках национальной научно- исследовательской подготовки «Научные кадры будущего».

Открытие священника

Что такое ДВС — двигатель внутреннего сгорания — знает хоть в малейшей степени каждый. Понятно, как говорится, и ежу, что его принцип действия основан на термодинамическом цикле Карно. Но ДВС — ДВСу рознь! Есть еще двигатель внешнего сгорания, где в рабочем цилиндре ничего не горит — не взрывается, а тепло к герметически запакованному в нем рабочему телу (чаще всего это газ либо обыкновенная вода) подается извне! Он действует по термодинамическому циклу совершенно иному от привычного всем цикла Карно.

Что любопытно, совершенно безразлично в этом процессе — каков источник тепла: ядерная реакция, кусок сгоревшего угля, куча утилизируемого мусора, брикет сухого кизяка и даже… тепло руки человека! Любая, даже самая крошечная разница температур — способна стать источником для работы ДВС — «Двигателя великого Стирлинга», так для себя я расшифровал эту аббревиатуру.

Все гениальное просто, хотя простота эта требует колоссального напряжения ума и интуиции первооткрывателя. Еще и везение не помешает! Вот вам и опальный священник из Шотландии, Роберт Стирлинг, расстрига, совершивший технологическую революцию (английский патент № 4081 от 27 сентября 1816 года), открывший принципиально иной тип ДВС.

Герой этих строк, челябинский школьник из политехнического (девятиклассник — теперь он в десятом) лицея № 97 Иван Постников, как раз и удивил столичную академическую профессуру действующими моделями двигателей Стирлинга своей собственной конструкции. Причем не просто удивил, вот, мол, какой «Левша» с Урала в столицу прибыл, но и общался по части ДВС с корифеями двигателестроения вполне на равных!

— Двигатель Стирлинга работает весьма эффективно, с высоким КПД при любых разницах температур, — говорит Иван Постников. — В природе можно использовать естественные перепады температур: земля — воздух, вода — воздух, может быть, даже далекие небесные светила будут использоваться как источник энергии для работы двигателя Стирлинга.

По законам термодинамики

В далеком космосе экологически абсолютно безопасные двигатели Стирлинга конкурентов не имеют вовсе! Бесшумные, с высоким КПД, особых источников тепла не требующие, к качеству и типу горючего безразличные, единственное условие — некоторый перепад температур, иначе законы термодинамики не позволят получать энергию из «ничего». Кстати, в Интернете прошла информация, что подводные лодки стран Скандинавии уже снабжены бесшумными двигательными силовыми и подобными установкам по принципу их работы в термодинамическом цикле Стирлинга. Похожие субмарины на бесшумных двигателях Стирлинга уже есть в составе ВМС США, Великобритании, Кореи, Китая… На флоте же России субмарин с подобным двигателем, черпающим энергию для движения из разницы температур между глубинными слоями мирового океана, нет ни одной!

Про сверхактуальную работу Ивана можно сказать еще следующее: за короткое время он изготовил две действующие модели двигателей Стирлинга различных типов — бета и гамма типов. Первый при разнице температур в 180 градусов выдавал мощность в четыре Ватта при КПД в шесть процентов, а второй получился более удачным. Гамма — тип двигателя на разнице температур 60 градусов работал с мощностью в 24 ватта при КПД около двадцати процентов. Лиха беда — начало! Еще одна деталь — поиски школьника в области ДВС Стирлинга имеют прямой выход на конструкцию тепловых насосов, можно сказать, что они «близнецы-братья» с точки зрения законов термодинамики! А тепловые насосы качают энергию из окружающего пространства идеальнейшим образом без малейшей нагрузки на экологию и вдобавок из естественных возобновляемых самой матушкой- природой источников.

Еще один нюанс, двигатели Стирлинга, которые работают в паре с обычным ДВС либо электродвигателем, могут достигать совершенно невероятного уровня их КПД, например в городском транспорте, и все это без какой-либо дополнительной нагрузки на окружающую среду. Фактически получается, что челябинский школьник в одиночку совершает исследования и изобретения уровня солидного НИИ! Его научный руководитель — преподаватель физики высшей категории политехнического лицея № 97 Дина Михайловна Михайлова. Честь ей и хвала за такого ученика, поразившего московскую профессуру! Все награды Ивана Постникова перечислить просто невозможно, главное, что он занял прочное место в лидерах России среди изобретателей в рамках международных и региональных форумов «Шаг в будущее». Кроме того, он еще и кандидат в мастера спорта по шахматам и не только, еще и по хоккею, играет в числе второй пятерки молодежной сборной команды «Сигнал». Короче говоря, никакой он не «ботаник».

Глобус за гидропонику

Другой мой собеседник школьник-изобретатель Роман Тестов, закончивший девятый класс гимназии № 23 имени Луценко в Челябинске, завоевал международный Гран-при «Хрустальный Глобус» за научно-исследовательскую работу «Методы беспочвенного выращивания растений. Гидропоника». Почвы для выращивания в разработке Романа не требуется вовсе, специально подобранный химический раствор снабжает растения всем необходимым.

Огурцы, а именно их выбрал юный изобретатель для своего многолетнего эксперимента, в его квартире — лаборатории побивают все рекорды.

Как в скорости роста, так и в урожайности. Но может возникнуть закономерный вопрос: неужто в России земельки стало так мало и уже необходимо всем нам задумываться уже о выращивании высоких урожаев без самой малейшей толики природной землицы!? Роман, получивший вполне впечатляющие ответы на эти вопросы в ходе многолетних экспериментов на огурцах у себя дома, стал своего рода Мичуриным семейного масштаба.

Теперь еще и «Хрустальный Глобус» за эти многолетние разработки, как знак международного признания находок в науке самородка из Челябинска. Сама установка Романа до
изумления проста, а значит, надежна. Для примера несколько цифр, в одних и тех же световых и температурных условиях почвенные традиционные семена огурцов на шестой день после высева давали ростки в шесть сантиметров, а опытные гидропонные аж до 25 сантиметров!

Но не следует думать, что все эти «научные огурцы» шли прямым ходом на семейный стол. Ничуть не бывало! Каждый огурчик с домашней гидропоннной «грядки» шел не в тарелки, а на священный алтарь науки. Роман их высушивал и проводил многие другие биотехнологические манипуляции, чтобы точно определить сухую массу своего урожая, его влагонасыщенность и в конечном итоге полезность такого огурца — спринтера, выросшего безо всякой почвы.

Эти исследования весьма перспективны не только для космических полетов, где без помощи гидропоники никак не обойтись. Они необходимы каждому, кто собрался завести круглогодичный огородик у себя на кухне.

фото автора

СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ | Наука и жизнь

Ограниченные запасы углеводородного топлива и высокие цены на него заставляют инженеров искать замену двигателям внутреннего сгорания. Российский изобретатель предлагает простую конструкцию двигателя с внешним подводом теплоты, который рассчитан на любой вид топлива, даже на нагрев солнечными лучами. Создатель проекта двигателя Виталий Максимович Нисковских — конструктор, широко известный специалистам-металлургам не только в нашей стране, но и за рубежом. Он автор более 200 изобретений в области оборудования по разливке стали, один из основателей отечественной школы проектирования машин непрерывного литья криволинейных заготовок (МНЛЗ). Сегодня 36 таких машин, изготовленных под руководством В. М. Нисковских на Уралмаше, работают на металлургических комбинатах России, а также в Болгарии, Македонии, Пакистане, Словакии, Финляндии, Японии. Роторный двигатель внешнего сгорания состоит из двух цилиндров, соединенных двумя ветками трубопроводов — высокого и низкого давления (для наглядности роторы разнесены, хотя в действительности они находятся на одном валу).

‹

›

В 1816 году шотландец Роберт Стирлинг изобрел двигатель с внешним подводом теплоты. Широкого распространения изобретение в то время не получило — слишком сложной была конструкция по сравнению с паровой машиной и появившимися позже двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Однако в наши дни вновь возник острый интерес к двигателям Стирлинга. Постоянно появляется информация о новых разработках и попытках наладить их массовое производство. Например, на голландской фирме «Филипс» построили несколько модификаций двигателя Стирлинга для большегрузных автомобилей. Двигатели внешнего сгорания ставят на судах, на небольших электростанциях и ТЭЦ, а в перспективе собираются оснащать ими космические станции (там их предполагают использовать для привода электрогенераторов, поскольку двигатели способны работать даже на орбите Плутона).

Двигатели Стирлинга имеют высокий кпд, могут работать с любым источником теплоты, бесшумны, в них не расходуется рабочее тело, в качестве которого обычно применяют водород или гелий. Двигатель Стирлинга мог бы успешно использоваться на атомных подводных лодках.

В цилиндры работающего двигателя внутреннего сгорания вместе с воздухом обязательно заносятся частицы пыли, вызывающие износ трущихся поверхностей. В двигателях с внешним подводом теплоты такое исключено, поскольку они абсолютно герметичны. Кроме того, смазка не окисляется и требует замены значительно реже, чем в ДВС.

Двигатель Стирлинга, если его использовать как механизм с внешним приводом, превращается в холодильный агрегат. В 1944 году в Голландии образец такого двигателя раскрутили с помощью электромотора, и температура головки цилиндра вскоре понизилась до -190°С. Подобные устройства успешно используют для сжижения газов.

И все же сложность системы кривошипов и рычагов в поршневых двигателях Стирлинга ограничивает их применение.

Проблему можно решить, заменив поршни роторами. Основная идея изобретения состоит в том, что на общем валу установлены два рабочих цилиндра разной длины с эксцентриковыми роторами и подпружиненными разделительными пластинами. Полость нагнетания (условно — сжатия) малого цилиндра соединена с полостью расширения большого цилиндра через канавки в разделительных пластинах, трубопровод, теплообменник-регенератор и нагреватель, а полость расширения малого цилиндра — с полостью нагнетания большого цилиндра через регенератор и холодильник.

Двигатель работает следующим образом. В каждый момент времени из малого цилиндра в ветвь высокого давления поступает некоторый объем газа. Чтобы заполнить полость нагнетания большого цилиндра и при этом сохранить давление, газ нагревают в регенераторе и нагревателе; его объем увеличивается, и давление остается постоянным. То же, но «с обратным знаком» происходит в ветви низкого давления.

Из-за разницы в площадях поверхности роторов возникает результирующая сила F=∆p(S_б—S_м), где ∆p — разность давлений в ветвях высокого и низкого давлений; S_б — рабочая площадь большого ротора; S_м — рабочая площадь малого ротора. Эта сила вращает вал с роторами, и рабочее тело непрерывно циркулирует, последовательно проходя через всю систему. Полезный рабочий объем двигателя равен разности объемов двух цилиндров.

См. в номере на ту же тему

А. ДУБРОВСКИЙ — Классический четырехтактный…

Двигатель Стирлинга

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
26897 2

Важным новым источником механической энергии для привода автомобиля является двигатель Стирлинга. Он почти неизвестен, существуют только его прототипы [2], поэтому можно дать лишь беглое описание его принципа действия и конструкции. В первоначальном виде он существовал как тепловая расширительная машина, в цилиндре которой рабочее тело, например, воздух, перед сжатием охлаждался, а перед расширением — нагревался. Схема и принцип действия такого двигателя показаны на рис. 1.

Рис. 1. Схема и принцип действия двигателя Стирлинга:

1 — цилиндр; 2 — охлаждающая рубашка; 3 — рабочий поршень; 4 — вытеснитель; 5 — шток вытеснителя.

В верхней части цилиндра 1 имеется водяная охлаждающая рубашка 2, а дно цилиндра постоянно нагревается пламенем. В цилиндре размещен рабочий поршень 3 уплотненный поршневыми кольцами и соединенный шатуном с коленчатым валом (на рисунке коленчатый вал не показан). Между дном цилиндра и рабочим поршнем находится поршень-вытеснитель 4, который перемещается в цилиндре с большим зазором. Заключенный в цилиндре воздух через этот зазор перекачивается вытеснителем 4 либо к днищу рабочего поршня, либо к нагреваемому дну цилиндра. Вытеснитель приводится в движение штоком 5, проходящим через уплотнение в поршне, и приводимым эксцентриковым механизмом, который вращается с углом запаздывания около 90° по сравнению с механизмом привода рабочего поршня.

В положении а поршень находится в НМТ (нижняя мертвая точка) и охлаждаемый стенками цилиндра воздух заключен между ним и вытеснителем. В следующей фазе б вытеснитель движется вверх, а поршень остается в НМТ. Воздух между ними выталкивается через зазор между вытеснителем и цилиндром к дну цилиндра и при этом охлаждается стенками цилиндра. Фаза в является рабочей, в течение которой воздух нагревается горячим дном цилиндра, расширяется и выталкивает оба поршня вверх к ВМТ (верхняя мертвая точка).

После совершения рабочего хода вытеснитель возвращается в нижнее положение к дну цилиндра и выталкивает воздух через зазор между стенками цилиндра в камеру под поршнем, воздух при этом охлаждается стенками. В положении г холодный воздух подготовлен к сжатию, и рабочий поршень движется от ВМТ к НМТ. Поскольку работа, затрачиваемая на сжатие холодного воздуха, меньше работы, совершаемой при расширении горячего воздуха, то возникает полезная работа. Аккумулятором энергии, необходимой для сжатия воздуха, служит маховик.

В описанном исполнении двигатель Стирлинга имел низший КПД, так как теплоту, содержащуюся в воздухе после совершения рабочего хода, необходимо было отводить в охлаждающую жидкость через стенки цилиндра. Воздух в течение одного хода поршня не успевал охлаждаться в достаточной степени, и требовалось увеличить время охлаждения, вследствие чего частота вращения двигателя также была небольшой. Термический КПД, который зависит, как говорилось ранее, от разницы максимальной и минимальной температур рабочего цикла, был также небольшим. Теплота отработавшего воздуха отводилась в охлаждающую воду и полностью терялась.

Рис. 2. Схема двигателя Стирлинга с регенератором и ромбическим кривошипно-шатунным механизмом:

1 — вытеснитель; 2 — рабочий поршень; 3 — радиатор; 4 — регенератор; 5 — подогреватель с форсункой; 6 — трубки подогревателя; 7 — вход воздуха в подогреватель; 8 — выход отработавших газов из подогревателя.

Двигатель Стирлинга был значительно усовершенствован фирмой «Филипс» («Philips» – Нидерланды). Прежде всего, был применен внешний регенератор теплоты, через который осуществлялась перекачка воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю под действием вытеснителя. Последовательно к регенератору во внешнем контуре был подключен радиатор. Регенератор аккумулирует теплоту воздуха, поступающего после расширения в холодную камеру. При течении воздуха в обратном направлении аккумулятор вновь отдает ему теплоту. Тем самым возрастает разница максимальной и минимальной температур цикла и теплоту необходимо отводить системой охлаждения. Радиатор, размещенный за регенератором, отводит только часть этой теплоты, остальная сохраняется в аккумуляторе и используется вновь. Вследствие этого не только улучшается КПД двигателя, но и увеличивается его максимальная частота вращения, что влияет на мощность и удельную массу двигателя. Теплота отработавших газов подогревателя используется для повышения температуры свежего воздуха, подаваемого в его камеру сгорания. Описанная конструктивная схема двигателя показана на рис. 2.

Поршень 2 является рабочим, он передает давление воздуха на кривошипно-шатунный механизм, а вытеснитель 1 предназначен для перемещения воздуха из верхней части цилиндра в нижнюю. В положении а воздух из пространства между двумя поршнями поступает через радиатор 3 и регенератор 4 в трубки подогревателя 6 и затем в верхнюю часть цилиндра. Трубки подогревателя размещены в камере сгорания, куда свежий воздух для сгорания подается по каналам 7 и затем, проходя через теплообменник, поступает в зону распылителя форсунки 5; отработавшие газы из подогревателя отводятся через выпускной трубопровод 8.

В положении а воздух сжат и при движении в верхнюю часть цилиндра нагревается сначала в регенераторе, а затем в подогревателе. В положении б весь воздух вытеснен из пространства между двумя поршнями и выполняет работу, перемещая оба поршня в нижнее положение. В положении в после совершения работы рабочий поршень остается в нижнем положении, а вытеснитель 1 начинает выталкивать воздух из верхней части цилиндра в пространство между поршнями через регенератор, в котором воздух отдает значительную часть своей теплоты, и радиатор, где воздух охлаждается еще глубже. В последней фазе цикла г воздух охлажден и вытеснен из верхней части цилиндра в пространство между поршнями, где происходит его сжатие.

Сжатие холодного воздуха, поступление его через регенератор и радиатор в верхнюю часть цилиндра, последующее расширение и охлаждение воздуха представляют рабочий цикл. В цилиндре сохраняется постоянная масса воздуха, поэтому цилиндр работает без выхлопа. Для подогрева можно использовать любой источник тепла. В рассмотренной схеме применен котел на жидком топливе; содержание вредных веществ зависит от полноты сгорания топлива в камере сгорания котла. Поскольку при этом создается режим непрерывного сгорания при относительно низкой температуре и большом избытке воздуха, можно достичь полного сгорания и небольшого содержания вредных веществ.

Преимущество двигателя Стирлинга заключается также в том, что он может работать не только на разнообразных топливах, но дает возможность применять различные виды источников теплоты. Это означает, что работа двигателя не зависит от наличия атмосферы. Он может одинаково хорошо работать в замкнутом пространстве как на подводных лодках, так и на спутниках. При использовании теплового аккумулятора с LiF теплота подводится к двигателю по теплопроводу, как это показано на рис. 3.

Рис. 3. Соединение теплового аккумулятора тепла с головкой цилиндра двигатели Стирлинга:

1 — резервуар с LiF; 2 — жидкий натрий; 3 — нагревательная спираль; 4 — теплоизоляция.

В нижней части рис. 2 показан ромбический механизм привода, который управляет движением обоих поршней. Для привода используются два коленчатых вала, соединенных парой шестерен и вращающихся в противоположных направлениях. Концы штока вытеснителя 1 и пустотелого штока поршня 2 через отдельные шатуны соединены с обоими коленчатыми валами. Если кривошипы обоих коленчатых валов находятся в верхнем положении и движутся из положения а в положение б, то шатуны рабочего поршня 2 находятся вблизи ВМТ и он немного перемещается около ВМТ. Шатуны вытеснителя, перемещающегося в этой фазе цикла, движутся вниз и поршень также движется с наибольшей скоростью из положения а в положение б.

Противоположное направление вращения двух коленчатых валов позволяет разместить на них противовесы, необходимые для уравновешивания сил инерции первого порядка и их моментов от возвратно-поступательно движущихся масс, которые существуют у одноцилиндрового и рядных двигателей.

Ромбический механизм имеет еще и то преимущество, что шатуны симметрично передают усилия от штоков поршней на коленчатые валы, а в подшипниках и уплотнениях поршней не возникают боковые силы. Последнее очень важно, так как для работы двигателя с хорошим КПД необходимо высокое рабочее давление.

У обычных кривошипно-шатунных механизмов при высоком давлении на поршень и больших углах отклонения шатуна возникают большие боковые силы, действующие на поршень и являющиеся причиной больших потерь на трение и большого износа. При применении крейцкопфа или же ромбического механизма это отрицательное явление устраняется и можно достичь хорошего уплотнения поршней.

Чтобы штоки не передавали большие усилия на коренные и шатунные подшипники коленчатых валов, под рабочим поршнем поддерживается противодавление, равное среднему рабочему давлению в цилиндре, оно составляет около 20 МПа.

Зависимость индикаторного КПД η_i от удельной литровой мощности N_уд одноцилиндрового двигателя Стирлинга мощностью 165 кВт показана на рис. 4. Температура в подогревателе равна 700 °C, охлаждающей жидкости — 25 °C. Рабочее давление газа составило 11 МПа.

Рис. 4. Зависимость индикаторного КПД η_i двигателя Стерлинга от его удельной литровой мощности при различных видах рабочего тела. Цифры на кривых — частота вращения двигателя в мин^-1.

На диаграмме показаны зависимости для трех видов рабочего тела: воздуха, гелия и водорода. Точки с числами на кривых обозначают соответствующую частоту вращения (в мин^-1). Видно, что наибольшие значения КПД достигаются при низких значениях удельных мощностей. Заметно также большое различие показателей двигателя при использовании вместо воздуха водорода.

Рис. 5. Уплотнение штока поршня:

C — насосное кольцо; R — регулятор давления.

Высокое давление рабочего тела, действующее в двигателе Стирлинга, требует наличия толстых стенок картера и цилиндра. При применении водорода в качестве рабочего тела масло не должно попадать в рабочее пространство и поэтому необходимо иметь высокогерметичное уплотнение штока поршня. Хорошо зарекомендовало себя цилиндрическое диафрагменное уплотнение в сочетании с масляной подушкой (рис. 5). Диаметры d и d₂ выбраны так, чтобы объем масла под диафрагмой сальника не изменялся при перемещении штока. Маслосъемное поршневое кольцо C выполняет функцию насосного элемента, а регулятор R поддерживает давление масла под диафрагмой на уровне среднего давления газа в цилиндре.

Схематический поперечный разрез двигателя Стирлинга с ромбическим механизмом приведен на рис. 6. Это двигатель первого поколения, имеющий картер с высоким избыточным давлением. Двигатель Стерлинга постоянно совершенствуется и его четырехцилиндровая модель второго поколения уже имеет поршень двойного действия. Соединение горячей верхней камеры одного цилиндра с холодной камерой под поршнем соседнего цилиндра позволяет достичь необходимого изменения объема без отдельного поршня-вытеснителя. У четырехцилиндрового двигателя сдвиг между кривошипами поршней соседних цилиндров составляет 90°, что весьма нежелательно.

Рис. 6. Схематический разрез одноцилиндрового двигателя Стерлинга:

1 — выход воздуха из подогревателя; 2 — кольцевая камера сгорания; 3 — горячая камера цилиндра; 4 — вход воздуха в подогреватель; 5 — поршень-вытеснитель; 6 — цилиндр; 7 — камера сжатия (холодная камера) цилиндра; 8 — шток поршня-вытеснителя; 9 — рабочий поршень; 10 — шток рабочего поршня; 11 — траверса рабочего поршня; 12 — шатун рабочего поршня; 13 — шатун поршня-вытеснителя; 14 — траверса поршня-вытеснителя; 15 — топливная форсунка; 16 — горелка; 17 — подогреватель; 18 — трубки подогревателя; 19 — ребра цилиндра; 20 — регенератор; 21 — трубки радиатора; 22 — камера противодавления; 23 — противовес; 24 — приводная шестерня; 25 — коленчатый вал.

Схема соединения соседних цилиндров с таким расположением кривошипов показана на рис. 7. Соединительные трубопроводы связывают горячую камеру, подогреватель, регенератор, радиатор и холодную камеру. Два коленчатых вала вращаются в одном направлении и связаны с поршнями через крейцкопфный механизм. В нижней части рис. 7 на диаграммах жирной линией обозначены фазы цикла, соответствующие положениям 1—4 поршней. Для привода поршней используется или четырехопорный коленчатый вал (двигатели шведской фирмы «Юнайтед Стирлинг») или же наклонная шайба (двигатель «Филипс 4-215DA»).

На рис. 7 показаны последовательные этапы 1—2 — сжатие холодного газа в холодной камере; 2—3 — перемещение сжатого воздуха в горячую камеру — рабочий ход; 3—4 — расширение-охлаждение газа при поступлении в холодную камеру — рабочий ход; 4—1 — перемещение газа в холодную камеру.

Рис. 7. Схема работы двигателя Стерлинга с поршнем двойного действия:

А — горячая камера; Б — подогреватель; В — регенератор; Г — радиатор; Д — холодная камера.

В рядном двигателе соединительный канал между четвертым и первым цилиндрами имеет большую длину и объем, поэтому используются двигатели с V-образным или звездообразным расположением цилиндров. В обоих случаях все четыре цилиндра расположены близко друг от друга, а их верхние части (головки) образуют группы, обогреваемые общим котлом. Теплоизоляция такой конструкции также отличается простотой.

Фирма «Филипс» внесла в двигатель Стерлинга много интересных изменений. Для первых регенераторов использовались мелкие сита из тонкой медной проволоки, в дальнейшем они были заменены блоком из пористой керамики. Материал регенератора должен иметь большую удельную теплоемкость и выдерживать резкие изменения температуры. Поэтому регенератор должен быть разделен на несколько меньших элементов. Пористый материал легко аккумулирует и отдает теплоту и позволяет благодаря этому обеспечить работу двигателя с частотой вращения до 4000 мин-1.

Рис. 8. Изменение крутящего момента по углу поворота коленчатого вала в четырехцилиндровом бензиновом двигателе (А) и двигателе Стирлнига с поршнем двойного действия (Б) [3]

Мощность двигателя зависит от среднего рабочего давления. У двигателя «Филипс» это давление составляло около 20 МПа. Чтобы избежать прижатия поршня к стенке цилиндра, был применен уже упомянутый ромбический механизм и, кроме того, под рабочим поршнем была образована камера, в которой поддерживалось среднее рабочее давление газа. В этих условиях кривошипно-шатунный механизм испытывает нагрузки вследствие небольших отклонений от этого давления, а также действие инерционных сил, поскольку давление газов в цилиндре меняется незначительно. На рис. 8 приведены мгновенные значения относительного крутящего момента M_τ/M_ср двигателя Стирлинга и дизельного двигателя за один оборот коленчатого вала [3].

Значительные трудности возникают при регулировании мощности двигателя Стирлинга. Изменение мощности, происходящее в результате изменения количества подаваемого в подогреватель топлива, незначительно. Более заметного результата можно добиться при изменении давления или количества рабочего тела. Этот способ регулирования мощности используется в автомобильном двигателе Стирлинга. Для уменьшения мощности часть газа из цилиндров перепускается в резервуар низкого давления; для увеличения мощности газ подается в цилиндры из резервуара высокого давления, куда он предварительно перекачивается специальным компрессором из резервуара низкого давления. У двигателей с поршнем двойного действия для снижения мощности газ перепускается из верхней части поршня в нижнюю через специальный канал. Переход от полной мощности к холостому ходу длится 0,2 с; обратный процесс занимает около 0,6 с.

Чтобы потери на трение газа при прохождении его через узкие каналы регенератора и радиатора были небольшими, применяют гелий, а также пытаются использовать водород. Для уменьшения размеров и массы четыре цилиндра с поршнями двойного действия в двигателе второго поколения размещаются как показано на рис. 9. Вместо коленчатого вала применен привод с помощью наклонных шайб. Наличие высокого давления газов по обе стороны поршня обеспечивает передачу на приводную шайбу только небольшой разницы давлений. Поскольку в двигателе Стирлинга вся отводимая теплота передается в охлаждающую жидкость, то радиатор этого двигателя должен быть в 2 раза больше, чем у обычных двигателей внутреннего сгорания.

Рис. 9. Четырехцилиндровый бесшатунный двигатель Стирлинга с поршнем двойного действия и вращающейся наклонной шайбой

Рис. 10. Четырехцилиндровый рядный двигатель Стирлинга с ромбическим кривошипно-шатунным механизмом

В качестве примера рассмотрим два автомобильных двигателя Стирлинга. Четырехцилиндровый двигатель первого поколения с ромбическим механизмом, изображенный на рис. 10, имеет диаметр цилиндра 77,5 мм, ход поршня 49,8 мм (рабочий объем 940 см³), развивает мощность 147 кВт при 3000 мин^-1 и среднем давлении в цилиндре порядка 22 МПа. Температура головки цилиндра поддерживается около 700 °C, а охлаждающей жидкости — на уровне 60 °C. Масса сухого двигателя составляет 760 кг. Холодный пуск и прогрев двигателя до достижения температуры головки цилиндра 700 °C длятся около 20 с. При температуре воды 55 °C индикаторный КПД двигателя на испытательном стенде достиг 35 %. Удельная мощность 156 кВт/дм³, а удельная масса на единицу мощности 5,2 кг/кВт.

Схематический разрез двигателя Стирлинга второго поколения модели «Филипс 4-215 DA», предназначенного для легкового автомобиля, изображен на рис. 9. Двигатель имеет примерно такие же размеры и массу, как и обычный бензиновый двигатель, и его мощность равна 127 кВт. Четыре цилиндра с поршнями двойного действия расположены вокруг оси приводного вала с наклонной шайбой. Котел подогревателя, общий для всех четырех цилиндров, имеет одну форсунку. На автомобиле «Форд Торино» (США) расход топлива с этим двигателем был на 25 % ниже, чем с бензиновым V-образным 8-цилиндровым двигателем. Содержание NOx в отработавших газах системы подогрева благодаря применению их рециркуляции было намного меньше установленной нормы.

Диаметр цилиндра двигателя «Филипс 4-215 DA» — 73 мм, ход поршня 52 мм. Мощность двигателя 127 кВт при частоте вращения 4000 мин^-1. Температура в подогревателе (температура головок цилиндров) равна 700 °C, а охлаждающей жидкости — 64 °C.

Рис. 11. Четырехцилиндровый V-образный двигатель Стирлинга фирмы «Юнайтед Стирлинг»:

1 — подогреватель; 2 — трубки подогревателя; 3 — теплообменник; 4 — генератор; 5 — радиатор.

Шведская фирма «Юнайтед Стерлинг» создала свой двигатель Стирлинга таким образом, чтобы можно было в наибольшей степени использовать детали, серийно выпускаемые автомобильной промышленностью. Используются обычный коленчатый вал и шатун, который совместно с крейцкопфом преобразует во вращательное движение вала поступательное движение поршня двойного действия. Разрез этого четырехцилиндрового V-образного двигателя изображен на рис. 11. Ряды цилиндров расположены под небольшим углом, головки цилиндров образуют общую группу, подогреваемую одной горелкой.

Предполагаемая удельная масса этого двигателя равна 2,4 кг/кВт, что можно сравнить с показателями очень хорошего малоразмерного высокооборотного дизеля. Удельная масса двигателей Стирлинга уменьшилась с 6,1–7,3 кг/кВт до 4,3 кг/кВт и постоянно снижается.

Производство двигателя Стирлинга требует технологии, совершенно отличной от технологии производства двигателей внутреннего сгорания, что будет тормозить его внедрение в производство. Однако разработки таких двигателей продолжаются, поскольку традиционные бензиновый и дизельный двигатели не будут отвечать перспективным требованиям необходимой чистоты отработавших газов, а созданные двигатели Стирлинга дают основание надеяться, что эту проблему удастся решить. Так как изменение давления газов в цилиндре двигателя Стирлинга носит плавный характер, то он работает стабильно и тихо, напоминая паровую машину. Однако большое количество отводимой теплоты требует новых решений в области систем охлаждения.

Большой прогресс в двигателях Стирлинга достигнут при создании двигателя «Филипс 4-215 DA». Двигатель предназначен для применения в легковых автомобилях и занимает в них столько же места, сколько и обычный бензиновый V-образный двигатель равной мощности. Масса двигателя «Филипс 4-215 DA» равна 448 кг и при максимальной мощности 127 кВт его удельная масса составляет 3,5 кг/кВт. Индикаторный КПД этого двигав теля при использовании е качестве рабочего тела водорода под давлением 20 МПа равен 35 %.

Холодный пуск двигателя длится 15 с, расход топлива автомобилем в условиях городского движения на 25 % меньше, чем в случае обычного бензинового двигателя. Регулирование мощности двигателя производится изменением количества и давления рабочего тела.

Плотность водорода в 14 раз ниже плотности воздуха, а его теплоемкость также в 14 раз выше теплоемкости воздуха. Это положительно сказывается на гидравлических потерях, особенно в регенераторе, и в целом ведет к росту КПД двигателя (см. рис. 4).

Опубликовано 24.03.2014

Сноски

↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 22 — 23 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
↺ В настоящий момент двигатели Стирлинга используются на солнечных электростанциях. – Прим. icarbio.ru
↺ В книге – опечатка либо дизельный, либо бензиновый двигатель. – Прим. icarbio.ru

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Существуют ли альтернативы современным автомобильным двигателям и почему они не в ходу, давайте размебёмся, рассмотрим плюсы и минусы, один из таких двигателей – это двигатель Стирлинга. Основными преимуществами двигателя Стирлинга по сравнению с двигателем Отто, дизельным двигателем или паровым двигателем являются:

1. Простота технического обслуживания;
2. Они тише привычных нам двигателей внутренного сгорания;
3. Двигатели Стирлинга обеспечивают лучшую производительность, чем альтернативные двигатели внутреннего сгорания;
4. Большая универсальность топлива.

Простота обслуживания. Двигатель Стирлинга является двигателем внешнего сгорания, это означает, что тепло передается рабочей жидкости через теплообменник; отсутствие прямого контакта между горючей газовой смесью и всеми движущимися механическими частями снижает износ, необходимость смазки и последующего технического обслуживания двигателя Стирлинга.

Меньший шум. Двигатель Стирлинга также не имеет клапанов или взрывов, поэтому он конструктивно проще. Генерируемые вибрации легче контролировать и гораздо менее шумные, чем двигатель внутреннего сгорания.

Лучшая производительность двигатель Стирлинга является единственным, способным приблизиться к теоретической максимальной производительности, известной как производительность Карно, на самом деле, он теоретически достигает ее, поэтому, насколько это касается производительности теплового двигателя, это лучший вариант.

Двигатель Стирлинга обеспечивает хорошую реакцию на низкие температуры. Этот альтернативный двигатель лучше работает с холодными температурами окружающей среды, в отличие от внутреннего сгорания, которые легко запускаются при теплой температуре, но с проблемами в холодных температурах.

Универсальность топлива. Двигатель Стирлинга может работать с любым источником тепла, например, сжигая древесину, уголь, газ, биогаз, жидкое топливо и даже солнечную энергию, ядерную энергию: есть примеры, которые используют некоторые из упомянутых источников. В отличие от этого, двигатели внутреннего сгорания ограничены использованием бензина в двигателе Оtto или дизельного топлива в дизельном двигателе.

Основными недостатками двигателя Стирлинга по сравнению с альтернативным двигателем внутреннего сгорания являются следующие:
1. Больший объем и больший вес
2. Более высокая экономическая стоимость двигателя
3. Двигатель Стирлинга имеет более медленный старт
4. Более опасный

Более объемные и тяжелые. Внешнее сгорание, которое требует теплообменник как в горячих, так и в холодных точках, делает двигатель Стирлинга обычно более громоздким и тяжелым, чем обычный двигатель внутреннего сгорания с той же выходной мощностью.

Высокая стоимость. Двигатели Стирлинга требуют впускных и выпускных теплообменников, которые содержат высокотемпературную рабочую жидкость и должны выдерживать коррозионное воздействие источника тепла и атмосферы. Это предполагает использование материалов, которые значительно улучшают работу машины.

Медленный старт. Присущая двигателю внешнего сгорания тепловая инерция замедляет его запуск. По этой причине двигатель Стирлинга не подходит для автомобилей, узлов и агрегатов, требующих быстрого запуска или быстрого изменения скорости.

Более опасный. Смесь воздуха и смазочных горючих жидкостей внутри двигателя может производить взрывоопасные смеси из-за кислорода, содержащегося в воздухе, опасность, которая усиливается в двигателях высокого давления. Задача решалась с использованием восстановительных (водород) или нейтральных (гелий, азот) рабочих газов или без использования обычных смазочных материалов.

Миниатюрная модель авто на базе двигателя Стирлинга

R93 — Автопортал Краснодарского края: Автообзоры

Твитнуть

Класснуть

Анимированные двигатели — двухцилиндровый двигатель Стирлинга

Двухцилиндровый двигатель Стирлинга

Двигатель Стирлинга — один из моих любимых. Это было изобретено в 1816 году преподобным Робертом Стирлингом из Шотландии. Стерлинг — это очень простой двигатель, и его часто выставляли как безопасную альтернативу на пар, так как нет риска взрыва котла. Это пользовались некоторым успехом в промышленных приложениях, а также в небольших приборы, такие как вентиляторы и водяные насосы, но его затмило появление недорогих электродвигателей.³ Однако, поскольку он может работать на любом источнике тепла, теперь он подает надежды. для двигателей на альтернативном топливе, солнечной энергии, геотермальной энергии и т. д.

Двигатели Стирлинга имеют полностью закрытую систему, в которой рабочий газ (обычно воздух, но иногда гелий или водород) попеременно нагревается и охлаждается путем перемещения газа в места с различной температурой внутри система.

В двухцилиндровом (или альфа в конфигурации ³ ) Стирлинга, один цилиндр остается горячим, а другой – холодным.В На этой иллюстрации нижний левый цилиндр нагревается за счет сжигания топлива. Другой цилиндр охлаждается воздухом, циркулирующим через радиатор. (так называемые охлаждающие ребра).

Цикл Стирлинга можно рассматривать как четыре различных фазы: расширение, перенос, сжатие и перенос.

Расширение

Большая часть газа в системе только что попала в горячую цилиндр. Газ нагревается и расширяется, толкая оба поршня внутрь.

Трансфер

Газ расширился (в данном примере примерно в 3 раза).Большая часть газа (около 2/3) все еще находится в горячем цилиндре. Импульс маховика переносит коленчатый вал на следующие 90 градусов, передавая основную часть газ в холодный баллон.

Сжатие

Большая часть расширившегося газа переместилась в холодный цилиндр. Это охлаждается и сжимается, вытягивая оба поршня наружу.

Трансфер

Сжатый газ все еще находится в холодном баллоне. Маховик импульс переносит кривошип еще на 90 градусов, переводя газ в обратно к горячему цилиндру, чтобы завершить цикл.

Этот двигатель также оснащен регенератором , показанным камерой содержащие зеленые линии штриховки. Регенератор изготовлен из материал, хорошо проводящий тепло и имеющий большую площадь поверхности, обычно представляет собой сетку из близко расположенных тонких металлических пластин. Когда горячий газ перенесенный в холодный цилиндр, он сначала проходит через регенератор, где часть тепла осаждается. Когда холодный газ передается обратно, это тепло утилизируется; таким образом, регенератор «предварительно нагревает» и «предварительно охлаждает» рабочий газ, значительно улучшая эффективность.³

Бета-двигатели Стирлинга — обновлено 30.12.2011

Глава 2b — Двигатели Стирлинга бета-типа

Конфигурация Beta представляет собой классический двигатель Стирлинга. конфигурации и пользовался популярностью с момента своего создания до сегодня. Оригинальный двигатель Стирлинга по его патентному чертежу 1816 г. показывает бета-аранжировку. Фотография Роберта Стерлинга, оригинальный патентный рисунок, а также анимированная модель Стирлинга двигатель хорошо показан на интересном сайте Robert Сер . Из рисунка ниже мы видим, что в отличие от машины «Альфа», двигатель «Бета» имеет один силовой поршень и вытеснитель, идеальная цель которого — «вытеснить» рабочего газа при постоянном объеме и перемещать его между расширительными и пространства сжатия через охладитель последовательного расположения, регенератор и обогреватель. В реальных двигателях рычажный механизм, приводящий в движение поршень и вытеснитель переместят их так, что газ сожмется в то время как он находится в основном в прохладном пространстве сжатия и расширяется в то время как в пространство горячего расширения.Это хорошо видно на соседнем анимация, созданная Ричардом Уилером ( Zephyris ) из Википедия .

Подробное описание идеальной бета-машины цикл представлен в Engineering Термодинамика — Глава 3b веб-ресурс. См. также анимацию машины Beta от Matt. Кевени — Одноместный Цилиндр двигателя Стирлинга , ясно показывает принцип работы.

Помимо оригинального двигателя Стирлинга, важным ранний бета-двигатель — это машина Леманна, на которой Густав Шмидт сделал первый разумный анализ двигателей Стирлинга в 1871 году. Энди Росс построил небольшую рабочую копию из Lehmann машина , а также модель воздушный двигатель , оба одноцилиндровые Бета-конфигурации.

Рольф Мейер из Philips, Голландия, разработал свой знаменитыйnvibrationless ромбический водить двигатели Beta в начале 1960-х.В 1965 г. Исследовательская лаборатория General Motors разработала ромбический привод мощностью 7,5 кВт. Двигатель/генератор Стирлинга ГПА-3 (наземная энергоустановка) для США Армия. Он описан и проанализирован в книге И.Уриели и Д. М. Берховиц — Анализ двигателя с циклом Стирлинга (Адам Хилгер, 1984), стр. 30–40, а так как эта книга больше не издается, эти сюда для удобства добавлены страницы: Rhombic-GPU-3. pdf . Энди Росс построил несколько небольших воздушных двигателей с ромбическим приводом — см. его книга: Изготовление Двигатели Стирлинга (Экспериментальный Росс, 1993).

Еще один интересный сайт — Stirling. Лодки с двигателем by Andrew Зал , описывающий лодки, приводимые в основном Двигатели типа Beta, построенные моделистами в Соединенном Королевстве.

Свободнопоршневые двигатели Стирлинга

Вероятно, самые изобретательные двигатели Стирлинга. изобретены свободнопоршневые двигатели, изобретенные и разработанные Уильямом Бил в Университете Огайо в конце 1960-е годы. Легенда гласит, что во время обучения ромбическому приводу двигатель, он вдруг понял, что «этот двигатель будет работать, если мы просто выбрасываем это сложный приводной механизм — Эврика!».Затем он создал компанию Санпауэр , которая была лидером в разработке свободнопоршневых двигателей Stirling. двигателей и криокулеров по сей день. Большинство двигателей Sunpower являются бета-версиями и не используют механическую систему связи. Главный аспект бесплатного поршневой машине заключается в том, что выходная мощность может быть получена за счет линейный генератор переменного тока, что позволяет всей системе быть герметичным запечатанный. По сути, это единственная конфигурация Стирлинга, которой удалось достичь. коммерциализация в любых количествах.Это в основном потому, что он избегает фатальные недостатки кривошипа, снова и снова доказываемые годами быть почти непреодолимым — уплотнение и смазка.

С 1974 Солнечная сила разработал свободнопоршневые двигатели/генераторы Стирлинга. мощностью от 35 Вт _e до 7,5 кВт _e . Рассмотрим, например, двигатель/генератор EG-1000, работающий на газе. и был разработан для производства электроэнергии (1 кВт _e) а также для обеспечения горячей водой частного дома. Рабочий газ используется гелий, который имеет то преимущество, что имеет низкую молекулярную вес и высокая теплопроводность по сравнению с воздухом, что позволяет значительное уменьшение размеров. Этот двигатель показан на рисунке ниже вместе с упрощенной схематической диаграммой.

Линейный электрический генератор (на чертеже не показан) выше схема) состоит из мощных редкоземельных магнитов в поршень, разрезающий магнитную цепь и катушки в цилиндре. Это производит 240 вольт на 50 герц — предназначен для работы в Европе, и способна производить более одного киловатта выходная электрическая мощность при КПД около 90%.

Горячая вода обеспечивается за счет работы охлаждающая вода при температуре 50°С.

Солнечная сила Свободнопоршневой двигатель/генератор Стирлинга ЭГ-1000

На этой фотографии мы видим Солнечную силу. Демонстрация ЭГ-1000 с использованием пеллет из опилок в качестве топлива, и генерируя более 1000 Вт электроэнергии на световую панель. Этот было сделано на Ярмарке устойчивого развития в торгово-выставочном центре Афин. Огайо, 2001 год. крупным планом фотография базовой системы есть показано. Обратите внимание на радиатор замкнутого цикла и вибрационный насос, используемые в система водяного охлаждения.

Обратите внимание, что с 1995 г. Технология EG-1000 использовалась компанией British Gas для разработки ТЭЦ (комбинированной Heat and Power) – двигатель/генератор мощностью 1 кВт в настоящее время производства Микроген Engine Corporation (см. к их истории и Двигатель интернет страницы).

Ан чрезвычайно интересная система двигателя со свободным поршнем, разработанная Уильямом Beale — это свободный цилиндр . водяной насос .В этом двигателе тяжелый внутренняя масса обеспечивает силу реакции, приводящую в движение цилиндр, который непосредственно подключен к водяному насосу. Это встроенная сила регулировка и реагирует на нагрузку автоматически. Все остальные двигатели для этого требуется трансмиссия и сложные механизмы управления. Кроме того, я не знаю другой механической тепловой машины. который работает от бесконечной нагрузки до нуля без остановки или разрушая себя.
Еще одна привлекательная функция бесплатного цилиндровой системы заключается в том, что она может быть изготовлена из недорогих легкодоступные компоненты.Фактически, весь корпус насоса может быть изготавливаются из обычных труб и арматуры из ПВХ. Надежность, простота и низкая стоимость этого двигателя делают его в высшей степени подходящим для применения в развивающихся странах, а в 1970-х гг. тщательно протестированы как в полевых условиях, так и в лаборатории (см. презентация 1979 года Уильяма Била A Двигатель Стирлинга со свободным цилиндром для водяных насосов на солнечной энергии ).

Два интересных свободных поршневых двигателя Стирлинга также были исследованы холодильные установки – дуплексный газовый холодильник с огнем, имеющий только три движущихся части, один силовой поршень и два вытесняющих поршня (см. статью Л.Б. Пенсвик и И.Уриэли – Дуплекс Машины Стирлинга (I. Преобразование энергии Инженерная конференция, 1984 г.), и газовый свободнопоршневой CO2. система охлаждения (см. статью Д.М.Берховиц и Йонг-Рак Кван – Герметик Газовый жилой тепловой насос ).

Sunpower также участвовала в производстве Криогенные охладители цикла Стирлинга для сжижения кислорода. Над лет Sunpower превратила Афины, штат Огайо, в очаг Стирлинга. деятельность машинного цикла, которая теперь включает в себя три НИОКР/производство компании.В 2013 году Sunpower была приобретена компанией AMETEK, Inc в Пенсильвании, однако продолжается занимается разработкой машины с циклом Стирлинга в Афинах, штат Огайо. Глава 3 книги И.Уриэли и Д.М.Берховица – Двигатель с циклом Стирлинга Анализ (Адам Хилгер, 1984) полностью посвящен анализу Свободнопоршневые машины, и, поскольку эта книга больше не издается, Глава добавлена сюда в четырех частях для удобства: Свободный поршень(1).pdf , Свободный поршень(2). pdf , Свободный поршень(3).пдф , Свободный поршень(4).pdf . См. также статью Р.В.Редлиха и Д.М.Берховица – Линейный динамика свободнопоршневых двигателей Стирлинга (ИмечЭ 1985), а также к конспектам лекций по инженерии Г. Уокера и Дж. Р. Сенфт — Бесплатно Поршневые двигатели Стирлинга (Springer-Verlag 1985, в настоящее время доступна в виде электронной книги).

Интересно документ, описывающий хронологию разработки Free Piston Технологию двигателя Стирлинга представил Дэвид. Берховиц в Международная конференция по двигателям Стирлинга 2018 г. (см.: A Личная история в разработке современного двигателя Стирлинга ).

НАСА Исследовательский центр Гленна был вовлечен в разработке свободнопоршневых двигателей Стирлинга для полетов в дальний космос с середины 1970-х гг. Один из их экспериментальных юниты недавно установили рекорд времени выполнения более 110 000 часов, постоянно работая на полной мощности с тех пор, как 2003, и до сих пор работает без каких-либо признаков ухудшения производительности. Совсем недавно они сосредоточились на Kilopower. Реактор с использованием технологии Стирлинга (KRUSTY) для мощностью до 10 кВт – см. также National Управление ядерной безопасности и их ютуб видео .

Стерлинг Технология (обратите внимание на недавнее название компании изменение: Комбинированная энергия Technology ) — дочерняя компания Sunpower. и изначально формировался для того, чтобы продолжить развитие и изготовление 3,5 кВт СТ-5 Воздушный двигатель . Этот большой двигатель типа Beta использует кривошипно-шатунный механизм для получения правильной фазировки буйка, сжигает топливо из биомассы (например, гранулы из опилок или рисовую шелуху) и может работает как когенерационная установка в сельской местности.
В настоящее время Stirling Technology работает с Microgen Двигательная корпорация , международная компания, производящая свободнопоршневой двигатель/генератор MEC мощностью 1 кВт.Компания Stirling Technology разработала многотопливную горелку для двигателя. и сотрудничает с Microgen для внедрения различных систем в рынок.

Общее охлаждение (В настоящее время Стерлинг Ultracold ) был побочным продуктом Sunpower и была основана в 1995 году Дэвид Berchowitz в основном для разработки Свободнопоршневые охладители цикла Стирлинга для домашнего холодильника Приложения. Эти системы, помимо того, что они значительно эффективнее обычных парокомпрессионных холодильников, имеют дополнительное преимущество компактных портативных устройств, использующих гелий в качестве рабочая жидкость (а не хладагенты ГФУ, такие как R134a, имеющие Потенциал глобального потепления 1300).Схематическая диаграмма, за которой следует анимированная схема типичного кулера (оба любезно предоставлены Global Охлаждение) показаны ниже:

В Университет Огайо у нас есть демонстрация Global Cooling Stirling Кулер показан ниже. Обычно она достигает -90°C, однако, поскольку ледяной шар покрывает всю секцию регенератора, мы замечаем, что температура поднялась до -43°С.

Совсем недавно Global Cooling решила сконцентрироваться их усилия по разработке систем, в которых практически нет конкурентные системы — охлаждение от -40°C до -80°C, и они учредила новое название компании: Stirling Ультрахолодный .
Обновить — 2021: Стерлинг Ультранизкая температура Ultracold (ULT) Морозильники отвечают сегодняшним беспрецедентным задачам развертывания COVID-19. Обратитесь к Walgreens Пример вакцины против COVID-19 , а также Стерлинг Ultracold объединяется с Biolife Solutions .

____________________________________________________________________________________

Анализ машины цикла Стирлинга, проведенный Израилем Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

Прозрачный двигатель Стирлинга | Двигатели Стирлинга | Тепловые насосы

Прозрачная машина Стирлинга идеально подходит для количественных исследований циклических термодинамических процессов и особенно для понимания цикла Стирлинга. Встроенный генератор имеет двухступенчатый ременный шкив и оснащен возможностью переключения для работы встроенной лампы, внешних нагрузок или демонстрации процессов теплового насоса или холодильника.Включает в себя встроенный двигатель-генератор и спиртовую горелку. Топливо не включено; пожалуйста, используйте денатурат, т.е. денатурат.
См. также эксперимент UE2060250.

Характеристики:

Встраиваемые розетки для измерения температуры
Световой барьер на маховике
Соединение для измерения давления
Строка для измерения хода силового поршня и определения объема
Поршневой цилиндр и поршень из термостойкого стекла
Крышки силового цилиндра, маховика и коробки передач из акрилового стекла

Экспериментальные темы:

Тепловые двигатели и тепловые насосы
Взаимозависимость температуры газа, давления, объема
Исследование диаграмм давление-объем (pV) и циклов Карно
Преобразование механической энергии в электрическую
КПД двигателя и термодинамические потери

Технические характеристики
Мощность: 1 – 4 Вт
Холостой ход: 1000 об/мин
Маховик: диаметр 140 мм.

Силовой цилиндр: диам. 25 мм.
Ход силового поршня: 24 мм
Объем газа: 32 см³ – 44 см³
Мотор-генератор: макс. 12 В пост. тока, 0,43 А
Ременный шкив: двухступенчатый (диаметр 30 мм, диаметр 19 мм)

Китай разрабатывает самый мощный в мире двигатель Стирлинга

Ракетные эсминцы Hohhot (бортовой номер 161) и Wuhan (бортовой номер 169) вместе с ракетным фрегатом Hengyang (бортовой номер 568) в боевом строю в неизвестном районе моря во время 4-дневных морских учений реального боя 2 сентября 2020 г.Все боевые корабли приданы флотилии морских эсминцев командования Южного театра военных действий НОАК. Фото: eng.chinamil.com.cn

В качестве последнего примера усилий Китая по разработке внутри страны высококачественных двигателей различных типов можно отметить недавний крупный прорыв в создании самого мощного в мире двигателя Стирлинга, типа теплового двигателя. с приложениями в энергетике и подводных силовых установках.

Базовый прототип первого в Китае крупнокалиберного двигателя Стирлинга, разработанный Научно-исследовательским институтом № 711 Китайской государственной судостроительной корпорации (CSSC), успешно прошел недавние эксплуатационные испытания.Прототип работал с номинальной мощностью 320 киловатт с КПД преобразования энергии 40 процентов, что делало его самым мощным двигателем Стирлинга, известным в мире, говорится в пресс-релизе CSSC, опубликованном во вторник в его аккаунте WeChat.

Успех прототипа является важной вехой и крупным прорывом, достигнутым Китаем в ключевых технологиях и мастерстве при разработке таких двигателей, и заложил основу для разработки двигателей Стирлинга мегаваттного класса в будущем, говорится в сообщении CSSC.

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневую силовую машину с замкнутым циклом, которая получает тепло от внешних источников, поясняется в пресс-релизе, отмечая, что двигатель может быть объединен с любым источником тепла, будь то традиционная или ядерная энергия, во многих конфигурациях.

Двигатель Стирлинга мегаваттного класса имеет прочную структуру, простую систему, быстрый запуск и модульную конфигурацию. Это будут существенные преимущества двигателя Стирлинга, заявил CSSC.

При использовании вместе с реактором на быстрых нейтронах с натриевым охлаждением двигатель Стирлинга может устранить риск реакции натрия с водой, что делает его очень безопасным выбором.

Двигатель может иметь ряд модификаций в зависимости от потребности в электроснабжении, в диапазоне от 100 киловатт до нескольких мегаватт, и очень подходит для превращения в портативный генератор энергии с микрореактором, используемый в особых условиях, таких как острова и районы пустыни Гоби, говорится в пресс-релизе.

По словам наблюдателей, двигатель Стирлинга также известен своим применением в двигателях подводных лодок.

Шведские подводные лодки класса Gotland оснащены воздухонезависимыми двигательными установками (AIP) с двигателем Стирлинга, что позволяет им избегать выхода на поверхность для зарядки аккумуляторов и, таким образом, увеличивает продолжительность подводного плавания с дней до недель, согласно статье, опубликованной Saab. , материнская компания Kockums, которая строила подводные лодки.

Двигатель Стирлинга тихий и не вибрирует, поэтому вибрации не распространяются на корпус, что делает подводную лодку бесшумной в воде и поэтому ее трудно найти, согласно статье.

В пресс-релизе CSSC не упоминалось о потенциальном применении китайского двигателя Стирлинга на подводных лодках.

Китай сталкивался с недостатками при разработке двигателей различных типов, но прорыв в отечественном двигателе Стирлинга является лишь одним из примеров быстрого прогресса страны в области двигателей в последние годы, сообщил в среду Global Times китайский военный эксперт, пожелавший остаться неназванным.

На выставке Airshow China 2021 Китай представил истребитель-невидимку J-20, оснащенный двигателями отечественной разработки, и объявил, что два типа двигателей, разработанных в стране, проходят испытания для большого транспортного самолета Y-20.

Во многих аспектах разработки двигателей китайские компании по-прежнему отстают от традиционных лидеров отрасли из зарубежных стран, но этот разрыв сокращается благодаря напряженной работе китайских ученых и исследователей. Вооруженные силы Китая, как и его общее развитие, в долгосрочной перспективе не будут сдерживаться двигателями, считает эксперт.

Гамма Двигатель Стирлинга — MATLAB & Simulink

В этом примере показано, как смоделировать гамма-двигатель Стирлинга с использованием газовых, тепловых и механических компонентов и областей Simscape™.

Двигатели Стирлинга поглощают тепло от внешнего источника, чтобы частично преобразовать его в механическую энергию, а остальное рассеивают в холодном теплоотводе. Внешний источник тепла является ключевым отличием от двигателей внутреннего сгорания, которые производят тепло за счет реакций сгорания в газе внутри системы. В двигателях Стирлинга газ инертен (в данном случае, например, воздух).

Обзор моделей

Наиболее типичными конструкциями двигателей Стирлинга являются альфа-, бета- и гамма-конфигурации.В этом примере мы моделируем только гамма-конфигурацию, состоящую из двух поршней, соединенных проходной трубой.

Первый поршень называется Displacer, он представляет собой цилиндр двойного действия с двумя камерами, одна из которых является нагревателем, поглощающим тепло от пламени, а другая — охладителем, рассеивающим тепло в окружающую среду. Общий объем поршня вытеснителя постоянен, хотя газ течет от охладителя к нагревателю и наоборот при движении головки поршня. Поток между ними осуществляется через так называемый регенератор.Регенератор представляет собой трубу, которая пропускает поток между охладителем и нагревателем в поршне поршня. Обычно он представляет собой головку поршня с меньшим радиусом, чем цилиндр, что допускает утечку.

Второй поршень называется силовым поршнем и представляет собой цилиндр одностороннего действия с переменным объемом, соединенный с вытеснителем через проходную трубу. Этот поршень создает крутящий момент и мощность.

И поршень вытеснителя, и силовой поршень через два кривошипно-ползунковых механизма соединены с маховиком.Кривошип вытеснителя имеет отставание на 90 градусов от силового поршня.

Поршень вытеснителя:

Регенератор:

Регенератор также передает тепло от нагревателя к охладителю.

Силовой поршень:

Кривошипные ползуны и маховик:

Пользователь может выбрать запуск двигателя импульсом крутящего момента и дать ему разогнаться до установившегося состояния или принудительно увеличить угловую скорость, закомментировав и раскомментировав крутящий момент. источник и источник угловой скорости.

Подсистемы пламени и окружающей среды содержат источники температуры и конвекцию тепла.

Параметризация

Большинство параметров в блоках Simscape™ этого примера были сохранены как переменные в сценарии ssc_stirling_engine_params для легкой модификации. Отредактируйте скрипт, чтобы изменить значения параметров.

Результаты моделирования

Модель имитирует 15-секундный запуск двигателя Стирлинга путем подачи импульса в момент времени t = 5 с для приведения маховика в начальное движение.

P-V-диаграмма термодинамического цикла

Ключевым графом, который следует учитывать при проектировании двигателя, является P-V-диаграмма термодинамического цикла. Он отображает давление и объем газа в силовом поршне во время оборота маховика. В стационарном состоянии эта кривая замкнута и циклична. Площадь, очерченная кривой, представляет собой механическую работу, совершаемую за один цикл. Общая площадь под кривой представляет собой тепло, поглощаемое за один цикл. Соотношение между ними и есть термодинамическая эффективность цикла.Если мы умножим работу за цикл (или теплоту за цикл) на количество циклов в секунду, мы получим механическую мощность (или поглощенную тепловую мощность)

 Работа за цикл: 1,3447 Дж.
Поглощение тепла за цикл: 11,3999 Дж
Термодинамическая эффективность: 11,80%
Механическая мощность: 38,7079 Вт
Потребляемая тепловая мощность: 328,1438 Вт
-----------------------

Кривые мощности и крутящего момента

Другим ключевым показателем эффективности является кривая мощность-об/мин и кривая крутящий момент-об/мин.

Оптимизация конструкции

Большое преимущество параметризованной физической модели заключается в том, что алгоритмы оптимизации можно использовать для поиска оптимальных параметров конструкции (для максимальной эффективности или мощности).Одной из возможных конструктивных переменных для оптимизации является радиус кривошипа силового поршня. В этом разделе будут сравниваться два значения радиуса кривошипа силового поршня.

 1-й радиус кривошипа
Работа за цикл: 1,3447 Дж
Поглощение тепла за цикл: 11,3999 Дж
Термодинамическая эффективность: 11,80%
Скорость вала: 1727,0831 об/мин
Механическая мощность: 38,7079 Вт
Потребляемая тепловая мощность: 328,1438 Вт
-----------------------
2-й радиус кривошипа
Работа за цикл: 1,281 Дж
Поглощение тепла за цикл: 8,1212 Дж
Термодинамическая эффективность: 15,77%
Скорость вала: 1614.6109 об/мин
Механическая мощность: 34,4706 Вт
Потребляемая тепловая мощность: 218,5438 Вт
-----------------------

При втором значении радиуса кривошипа мы получаем меньшую скорость вращения вала и меньшую мощность, но более высокий термодинамический КПД. Этот подход можно использовать в процессе оптимизации с несколькими переменными, например, для поиска глобального оптимального плана с помощью генетических алгоритмов.

Изобретатель Segway Дин Кеймен считает, что его новый двигатель Стирлинга позволит вам отключиться от сети менее чем за 10 000 долларов

Для нового номера журнала Forbes я написал статью о Дэвиде Крейне, дальновидном ЭНРГ Энергия . Когда пару недель назад я встретил Крейна за ланчем, как только мы сели за стол, он начал расхваливать это новое приспособление, которое было у него в подвале. Машина, которая может генерировать 10 киловатт непрерывной энергии, питаемой от линии природного газа Crane, представляет собой новую итерацию старого творения, двигателя Стирлинга. Эта версия, получившая название Beacon 10, была создана знаменитым изобретателем Дином Кейменом после десяти лет разработки.

На прошлой неделе я связался по телефону с Кейменом (известным благодаря созданию скутера Segway) и расспросил его об этом устройстве.«Мы превратили его подвал в расширение нашей лаборатории», — сказал Камен. «Конечно, это не машина для обычного дома, но у него гигантский бассейн и огромный дом».

С Beacon 10, говорит Кеймен, «вам не нужно чувствовать себя виноватым, нагревая бассейн». Это из-за высокоэффективного характера двигателя Стирлинга. Устройство, впервые придуманное в 1816 году шотландским министром Робертом Стирлингом, в своей простейшей форме состоит в приложении внешнего источника тепла к закрытому цилиндру, где циклическое расширение и сжатие воздуха внутри цилиндра приводит в движение поршни вверх и вниз. В отличие от вашего автомобиля, где топливо сгорает внутри двигателя, Stirling — это двигатель внешнего сгорания; он может работать с любым внешним источником тепла.

Stirling работает тише, чем двигатель внутреннего сгорания, и более эффективен, поскольку тепло удерживается внутри двигателя, выполняя больше работы, а не выбрасываясь в окружающую среду.

Хотя Стирлинги очень эффективны, они не прижились, потому что им нужно время, чтобы прогреться, и они не могут быстро изменить выходную мощность.Это делает их непригодными для легковых и грузовых автомобилей, но потенциально идеальными как для производства электроэнергии, так и для нагрева воды. Эти машины, в зависимости от цены на природный газ, могут быть не просто резервным генератором, а также обеспечивать круглосуточное электроснабжение дома или предприятия. Лучше солнечных батарей.

Вклад Камена заключался в разработке его Stirling с использованием самых высокоэффективных материалов. Он начал использовать опытных сварщиков для сборки ключевых частей двигателя из экзотических сплавов.Совсем недавно он понял, как сделать эти детали с еще большей точностью с помощью 3D-печати. Крейн говорит, что ключевым элементом дизайна Kamen было совершенство маленькой пластиковой мембраны, похожей на презерватив. Маяк, который весит около 1500 фунтов и имеет размер стиральной машины, также включает в себя аккумуляторную систему, которую можно интегрировать с другими системами распределенной генерации, такими как солнечные батареи.

Итак, каким видится Камену будущее этих вещей? Ну, тот, что в подвале Крейна, слишком велик для среднего американского дома, производя 10 непрерывных киловатт, в то время как большинство из нас потребляют только около 2 кВт.«Я люблю бульдозеры, но я бы не стал ставить их в своем гараже», — шутит Камен.

Камен считает, что помимо владельцев особняков, Beacon 10 идеально подходит для таких предприятий, как прачечные или рестораны, которые используют много горячей воды. Вместе с партнером по коммерциализации NRG Energy он уже развернул около 20 таких машин.

Камен рассчитывает запустить их в производство в течение 18 месяцев. «Я ожидаю, что в течение двух лет их будут устанавливать высококлассные строители».

Но модели мощностью 10 кВт — это только начало.Вскоре у Камена будет готовая к коммерциализации уменьшенная версия. Он уже четыре года управляет маяком мощностью 2,5 кВт в своем доме в Нью-Гемпшире.

Почему бы сначала не предложить уменьшенную версию? «2-киловаттная машина будет производить в пять раз меньше энергии, но не будет стоить в пять раз меньше денег», — говорит Камен. Вот почему он и NRG будут полагаться на первопроходцев высоких технологий, таких как владельцы Tesla, чтобы купить первый запуск.

Что касается стоимости? Камен считает, что версии мощностью 10 кВт могут быть изготовлены и установлены примерно за 10 000 долларов или около 1 доллара за ватт.Это, однако, не покроет затраты на разработку, накладные расходы или размер прибыли.

NRG Крейна будет решать, сколько взимать плату за эти машины Beacon. Большая часть плана NRG состоит в том, чтобы вообще не продавать их, а сдавать в аренду. Лизинг оборудования для домовладельцев и предприятий — это та же модель, что и выскочка NRG и установщика солнечных батарей. Солнечный город обратились к солнечным батареям. Домовладелец сдает их в аренду на 20 лет или около того и соглашается платить NRG комиссию за киловатт-час, вырабатываемый их собственной крышей.Если панели производят избыточный сок, то NRG может заработать деньги, продавая его в сеть.

Идея состоит в том, чтобы попробовать то же самое с машинами-маяками. Как только уровень внедрения станет достаточно высоким, NRG сможет объединить в сеть десятки устройств в регионе. В зависимости от цен на природный газ и уровня спроса на электроэнергию, могут быть моменты, когда NRG будет посылать сигнал всем машинам Beacon в регионе, чтобы они наращивали мощность до полной мощности и отправляли избыточную мощность в сеть. «Мы не думаем, что должны просто продавать коробку, — говорит Камен.«Мы думаем, что должны стать частью системы будущего, обеспечивающей эволюцию микросетей».

Камен определенно не собирался создавать продукт для Соединенных Штатов. «Я горю желанием помочь развивающемуся миру», — говорит он, и изначально планировал, что его исследования двигателей Стирлинга помогут впервые доставить электричество в темные уголки мира. Прелесть Стирлинга в том, что он может работать от любого источника тепла. «Мы приводили их в действие, используя коровий навоз в Бангладеш и даже сжигая оливковое масло», — говорит Камен.

Честно говоря, он был удивлен, что Соединенные Штаты стали потенциальным рынком сбыта. «На создание энергосистемы ушло 100 лет. Ее ядром является наиболее важная инфраструктура в стране», — говорит он. И все же: «Я не знал, что сеть станет более хрупкой, и что люди будут нервничать из-за ураганов. Я не знал, что природный газ будет стремительно падать в цене».

Со временем, по его словам, цены на эти устройства должны снизиться. Уровень внедрения должен быть таким же, как и у других бытовых приборов, которые когда-то казались экзотическими, но теперь являются второй натурой, такими как кондиционеры, холодильники, водонагреватели и центральное отопление.Beacon может в конечном итоге заменить два из этих приборов — печь и водонагреватель, — говорит Камен.

Так через 10 лет он будет у всех?

«Я бы сказал да. Через десять лет вероятность того, что вы будете зависеть от проводов, висящих на ветвях деревьев, так же велика, как вероятность того, что вы все еще будете прокладывать наземные линии для телефонов. Близка к нулю.»

Галерея: Сколько энергии на самом деле использует ваш iPhone (и другие устройства)?

16 изображений

Разработка системы генерации с нулевым уровнем выбросов «Двигатель Стирлинга»｜Технический обзор YANMAR｜Технология｜О компании YANMAR｜YANMAR

Разработка системы генерации с нулевым уровнем выбросов «Двигатель Стирлинга»

Аннотация

Технология выработки электроэнергии, которая вообще не выделяет CO ₂ (Нулевой выброс), позволяет реализовать заявление бренда Yanmar «УСТОЙЧИВОЕ БУДУЩЕЕ».

В последнее время основное внимание уделяется не только энергосберегающим технологиям, но и технологиям Zero Emission, использующим возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца и ветра. Двигатель Стирлинга является одной из технологий Zero Emission, которая преобразует энергию отработанного тепла в электричество с высокой эффективностью, при этом он вообще не выделяет CO ₂. Однако из-за ряда проблем с надежностью немногие производители преуспели в коммерциализации в мире. Наша цель — установить надежность системы генерации двигателя Стирлинга, которая может обеспечить электричество с нулевым уровнем выбросов.В данной статье описывается разработка генераторной системы двигателя Стирлинга.

1. Введение

Для реализации цели, выраженной в заявлении бренда Yanmar «УСТОЙЧИВОЕ БУДУЩЕЕ», требуется не только сокращение выбросов CO ₂, но и высокоэффективные технологии преобразования энергии с нулевым выбросом CO ₂.

Поскольку проблема потепления с каждым годом обостряется во всем мире, существует потребность как во внедрении энергоэффективных технологий, снижающих потребление электроэнергии и выбросы CO ₂, так и в источниках энергии с нулевым уровнем выбросов, таких как как фотоэлектрическая, ветровая и другие формы возобновляемой энергии.Одной из новых форм генерации с нулевым уровнем выбросов, которая вызывает интерес, является производство электроэнергии из неиспользованной тепловой энергии, такой как тепло выхлопных газов, которое не использовалось в прошлом. Хотя двигатель Стирлинга известен своей способностью выполнять это преобразование, он страдает рядом технических проблем, включая надежность, и в результате в мире было мало случаев его коммерциализации. Компания Yanmar разработала двигатель Стирлинга для производства электроэнергии с нулевым уровнем выбросов.В этой статье описываются особенности этой системы генерации двигателя Стирлинга с нулевым уровнем выбросов и разработанные связанные с ней технологии.

2. Характеристики двигателей Стирлинга

2.1 Принцип действия

В этом разделе описываются основные механизмы и работа так называемого β-двигателя Стирлинга. Как показано на рис. 1, β-двигатель Стирлинга имеет единственный цилиндр, содержащий вытеснительный поршень и силовой поршень, соединенные с коленчатым валом с разностью фаз 90°.Пространство над поршнем вытеснителя и пространство над силовым поршнем (называемое соответственно пространством расширения и пространством сжатия) связаны через три теплообменника (нагреватель, регенератор и охладитель), что позволяет рабочему газу перемещаться вперед и назад между два пространства. В двигателях Стирлинга в качестве рабочего газа обычно используется гелий или водород, благодаря высокой теплопроводности этих газов.

Рис.1 Основной механизм β двигателя Стирлинга

Рис.2 показан принцип работы двигателя, который поясняется в терминах состояний с 1 по 4 на циклической диаграмме слева. Когда поршень вытеснителя приближается к верхней точке своего хода, силовой поршень поднимается, тем самым сжимая рабочий газ в камере сжатия (1→2). Рабочий газ поступает из охладителя в регенератор, а затем в нагреватель, где отбирает тепло. Далее, когда поршень вытеснителя начинает опускаться, низкотемпературный рабочий газ всасывается в нагреватель, где нагревается, повышая температуру и давление в пространствах (2→3).Изменение давления распространяется по пространствам со скоростью звука, и давления в пространстве расширения и в пространстве сжатия становятся почти одинаковыми. Под действием этого давления силовой поршень начинает опускаться, совершая тем самым работу расширения (3→4). Наконец поршень вытеснителя снова начинает подниматься, заставляя рабочий газ течь от нагревателя к охладителю, возвращая его в исходное охлажденное состояние (4→1). В то время как теоретический тепловой КПД цикла Стирлинга очень высок, он такой же, как у цикла Карно, но на практике достигается меньший КПД из-за потерь давления и тепла в двигателе. Тем не менее, если эти различные потери можно уменьшить, существует потенциал для достижения высокой тепловой эффективности.

Рис.2 Принцип работы двигателя Стирлинга

2.2 Формы передачи неиспользованного тепла

⁽¹⁾

Утилизация неиспользованного тепла, такого как тепло выхлопных газов, требует извлечения тепла через теплообменник (трубы обогревателя). В этом разделе описываются два типа теплопередачи: конвективный и радиационный теплообмен.

Пример многотрубчатого теплообменника, используемого для осуществления конвективного теплообмена, показан в таблице 1.К основным параметрам теплообменника относятся длина, количество и расположение труб нагревателя. Достижение максимальной эффективности теплообмена требует оптимизации этих параметров для увеличения площади поверхности теплопередачи без снижения среднего расхода отработавших газов, проходящих по внешним поверхностям труб нагревателя. Кроме того, поскольку выхлопные газы могут содержать вызывающую коррозию пыль, также необходимы антикоррозионные меры, такие как модификация поверхности трубы нагревателя и способы удаления прилипшей пыли.

Одним из способов избежать таких проблем, как коррозия или засорение труб нагревателя, является закрытие труб нагревателя защитным кожухом. Форма теплопередачи к трубам нагревателя в этом случае представляет собой лучистый теплообмен, показанный в таблице 1, при этом энергия, излучаемая защитным кожухом, поглощается внешними поверхностями труб нагревателя. Однако наличие воздуха внутри защитного покрытия приводит к высокому тепловому сопротивлению из-за его теплоизоляционного эффекта. Эффективная теплота, полученная от излучаемой энергии, определяется по закону Стефана-Больцмана и пропорциональна разнице между четвертой степенью температуры внутренней поверхности защитного покрытия и четвертой степенью температуры наружной поверхности труб нагревателя, а также излучающей поверхностью площадь, которая в данном случае является внутренней поверхностью защитного кожуха.Поскольку для этого требуется большая площадь теплопередачи, чем для конвективных нагревателей, его использование зависит от источника тепла, имеющего высокую температуру, и от способности обеспечить достаточную излучающую площадь поверхности.

Несмотря на объяснение двух различных форм теплопередачи, на практике важно провести предварительные исследования, такие как экспериментальные испытания, включая анализ теплоносителя, поскольку использование неиспользованного тепла включает не только чистый выхлопной газ, но и термическое сопротивление, на которое влияет наличие пыли.

Таблица 1 Различные формы теплопередачи и примеры нагревателей ⁽¹⁾

3. Разработка двигателя Стирлинга с рекуперацией тепла выхлопных газов

На рис. 3 показана принципиальная схема и фотография двигателя Стирлинга β. При этом конструкция такая же, как на рис. 1, кольцевое размещение регенератора и охладителя снижает потери давления за счет обеспечения равномерного потока рабочего газа. Это также уменьшает диаметр двигателя, потому что кольцевая компоновка регенератора и охладителя приводит к компактной концентрической конфигурации.β Двигатель Стирлинга, однако, требует компоновки поршня вытеснителя и силового поршня с разностью фаз 90° и сложного приводного механизма для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное на продолжении линии оси поршня. Что требуется, так это поршневой приводной механизм, который был бы простым и способным к длительному сроку службы. Методы, обычно используемые для размещения двух концентрических поршней в одном и том же цилиндре, представляют собой крейцкопф, ромбический механизм и механизм с кулисой. Механизм кулисного механизма проще ромбического и требует меньшего количества подшипников.Крейцкопфный механизм требует длинного шатуна, чтобы уменьшить потери на скольжение поршней. Соответственно, кулисный механизм был принят в качестве поршневого механизма привода по соображениям простоты и размера. На рис. 4 показан пример кулисного механизма.

Принципиальная схема двигателя Стирлинга β ⁽¹⁾ Фактический двигатель

Рис.3 Принципиальная схема и фотография двигателя Стирлинга с рекуперацией тепла выхлопных газов

Инжир.4 Поршневой привод с кулисным механизмом

Коленчатый вал с двумя эксцентриковыми шейками, имеющими эксцентриситет, соответствующий ходу поршня, выполнен так, чтобы обеспечить разность фаз 90° между вытесняющим и силовым поршнями. Коленчатый вал помещается через длинные отверстия, сделанные внутри вилок. Вытеснитель и силовой поршень соединены с траверсами независимо друг от друга. Шток (называемый скользящим штоком) проходит через линейные подшипники, установленные на концах каждой вилки, и поршни совершают возвратно-поступательное движение вдоль этих штоков.Возвратно-поступательное движение поршней преобразуется во вращательное через длинные отверстия вилок и коленчатый вал с эксцентриковыми шейками. Поскольку эта конструкция создает высокую нагрузку на вилку, скользящий шток и коленчатый вал, необходимы меры для обеспечения надежности компонентов привода.

4. Развитие системы производства электроэнергии

⁽¹⁾

На рис. 5 показан общий вид генераторной системы двигателя Стирлинга, использующей тепло выхлопных газов. Для преобразования вращательного движения в электрическую энергию используется высокоэффективный внутренний генератор с постоянными магнитами (IPM), напрямую соединенный с коленчатым валом двигателя. Выходная мощность этого двигателя-генератора (напряжение и ток) зависит от изменений температуры и расхода источника тепла. Двигатель управляется программируемым логическим контроллером (ПЛК), встроенным в панель управления. Даже когда условия источника тепла изменяются, частота вращения двигателя и мощность генератора регулируются в зависимости от количества тепла, извлеченного из нагревателя двигателя Стирлинга (эффективное тепловложение). Согласование скорости с доступным теплом при изменении источника тепла поддерживает работу системы таким образом, чтобы избежать значительного снижения эффективности генерации.Для обычной работы можно построить генерирующую систему, в которой все операции, включая запуск, генерацию и отключение, контролируются автоматически на основе измеренного состояния источника тепла. Система преобразует электроэнергию в постоянный ток на выходе инвертора управления генератором, а затем преобразует его в переменный ток 200 В с помощью инвертора регенерации. Эта мощность переменного тока 200 В подключена к энергосистеме сети на хост-сайте.

Рис.5 Обзор генераторной системы ⁽¹⁾

5.Пример полевой установки

⁽¹⁾

В этом разделе описывается пример двигателя Стирлинга с рекуперацией тепла выхлопных газов, нагреватель которого установлен в дымоходе мусоросжигательной печи и использует излучение в качестве теплопередачи. На рис. 6 и 7 показан пример установки на общем мусоросборнике, который используется местными органами власти для сжигания отходов, собранных от домашних хозяйств и предприятий, в мусоросжигателе и его фотография. Отходы сжигают при высокой температуре от 800 до 1000°С в топке мусоросжигательного завода.Для защиты подогревателя двигателя Стирлинга от вызывающей коррозию пыли, содержащейся в выхлопных газах, он снабжен цилиндрическим защитным кожухом. Тепловая энергия выхлопных газов частично передается защитному кожуху, а затем излучается с внутренней поверхности кожуха на наружную поверхность труб нагревателя.

Двигатель Стирлинга с рекуперацией тепла можно установить на стене мусоросжигательного завода, вставив нагреватель через предусмотренные для этого отверстия в огнеупорных кирпичах на стене. В примере нагреватель вставлен горизонтально, чтобы облегчить установку двигателя на боковой стенке мусоросжигателя. Поскольку он может быть установлен в высокотемпературных пустых пространствах, включая боковые стены печи, потолок и дымоход мусоросжигательного завода, несколько двигателей Стирлинга могут работать на одном мусоросжигательном заводе.

Рис.6 Пример установки на заводе по утилизации отходов (сжигатель) ⁽¹⁾ Рис.7 Фотография двигателя, установленного на стене мусоросжигательного завода ⁽¹⁾

6.Выводы

Использование двигателя Стирлинга для выработки электроэнергии из неиспользованной тепловой энергии представляет собой генерирующую систему с нулевым выбросом CO ₂ . Yanmar намерена достичь своей цели создания «УСТОЙЧИВОГО БУДУЩЕГО» для достижения лучшего будущего и более процветающей жизни за счет повышения эффективности и производительности и восстановления электроэнергии из ранее неиспользованного тепла выхлопных газов по всему миру и поставки электроэнергии с нулевым уровнем выбросов клиентам с минимальное воздействие на окружающую среду.

Двигатель Стирлинга для автономного электроснабжения дома | Блог самостройщика

Абсолютный рекорд в солнечной энергетике поставил двигатель Стирлинга

Так в чем же проблемы изготовления двигателя Стирлинга с высоким КПД?: engineering_ru — LiveJournal

Двигатель Стирлинга и огурцы. Южноуральская панорама.

СТИРЛИНГ ПО-РОССИЙСКИ | Наука и жизнь

Двигатель Стирлинга

Читайте также

Сноски

Комментарии

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Анимированные двигатели — двухцилиндровый двигатель Стирлинга

Двухцилиндровый двигатель Стирлинга

Расширение

Трансфер

Сжатие

Трансфер

Бета-двигатели Стирлинга — обновлено 30.12.2011

Глава 2b — Двигатели Стирлинга бета-типа

Прозрачный двигатель Стирлинга | Двигатели Стирлинга | Тепловые насосы

Китай разрабатывает самый мощный в мире двигатель Стирлинга

Гамма Двигатель Стирлинга — MATLAB & Simulink

Обзор моделей

Параметризация

Результаты моделирования

P-V-диаграмма термодинамического цикла

Кривые мощности и крутящего момента

Оптимизация конструкции

Изобретатель Segway Дин Кеймен считает, что его новый двигатель Стирлинга позволит вам отключиться от сети менее чем за 10 000 долларов

Галерея: Сколько энергии на самом деле использует ваш iPhone (и другие устройства)?

Разработка системы генерации с нулевым уровнем выбросов «Двигатель Стирлинга»｜Технический обзор YANMAR｜Технология｜О компании YANMAR｜YANMAR

Разработка системы генерации с нулевым уровнем выбросов «Двигатель Стирлинга»

Аннотация

1. Введение

2. Характеристики двигателей Стирлинга

2.1 Принцип действия

2.2 Формы передачи неиспользованного тепла

3. Разработка двигателя Стирлинга с рекуперацией тепла выхлопных газов

4. Развитие системы производства электроэнергии

5.Пример полевой установки

6.Выводы

Добавить комментарий Отменить ответ