Устройство двигателя стирлинга: Устройство и принцип работы двигателя Стирлинга, модификации

Устройство и принцип работы двигателя Стирлинга, модификации

Новые двигатели современного автомобилестроения почти достигли своего пика, кажется уже нечего усовершенствовать. Добавление в систему ДВС турбонаддува повышает мощность, но уменьшает ресурс двигателя, оно и понятно, объем двигателя небольшой, а из него выжимают мощь, как у мотора большего объема, но без турбины. Инженеры автоиндустрии начинают перебирать все возможные направления в развитие двигателестроения. Некоторые разрабатывают супертопливо, некоторые ищут нестандартные конструкции силового агрегата, некоторые планируют создать современный двигатель на базе двигателя Роберта Стирлинга, который был создан в 19 веке. Сейчас продаются сувениры ДВС, купить двигатель Стирлинга можно и на алиэкспресс.

Плюсы двигателя Стирлинга.

Минусы конструкции ДВС Стирлинга.

КПД.

Опыт использования двигателя.

Видео.

Схема работы двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга — это устройство, которое преобразует внешнюю энергию в полезную механическую. Это достигается за счет изменения температуры жидкости или газа, циркулирующие в замкнутой системе двигателя.

Кто понимает физические законы, тому легко понять принцип работы любого двигателя. Что касается данного силового агрегата, то схема его выглядит следующим образом: внизу устройства устройства находится газ, например, воздух, который нагревается и расширяясь толкает поршень. Затем горячий воздух попадает в верхнюю часть ДВС и охлаждается радиатором. Избыточное давление, которое толкало поршень снижается, и поршень опускается, затем воздух опять нагревается и поднимает поршень. Так повторяются циклы.

Двигатель Стирлинга: принцип работы и модификации

Принцип работы любого теплового мотора заключается в том, что для получения газа в расширенном состоянии нужны немалые механические усилия. В качестве наглядного примера можно привести опыт с двумя кастрюлями, согласно которому их наполняют холодной и горячей водой. Опускают в холодную воду бутылку с закрученной пробкой. После этого бутылку переносят в горячую воду. При таком перемещении газ в бутылке совершает механическую работу и выталкивает пробку из горлышка. Первая модель двигателя внешнего сгорания работала по точно такому же принципу. Однако позже создатель осознал, что часть выделяемого тепла можно использовать для подогрева. Производительность агрегата от этого только возросла. Чуть позже инженер из Швеции Эриксон усовершенствовал конструкцию, выдвинув идею об охлаждении и нагревании газа при постоянном давлении вместо объёма. Это позволило двигателю «продвинуться по карьерной лестнице» и начать использоваться в шахтах и типографиях. Для экипажей и транспортных средств агрегат оказался слишком тяжёлым.

На рисунке наглядно отображается рабочий цикл двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга? Он преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу. Этот процесс происходит за счёт изменения температуры газа или жидкости, циркулирующих в замкнутом объёме. В нижней части агрегата рабочее вещество нагревается, увеличивается в объёме и выталкивает поршень вверх. Горячий воздух поступает в верхнюю часть мотора и охлаждается с помощью радиатора. Давление рабочего тела понижается, а поршень опускается для повторения всего цикла. Система полностью герметична, благодаря чему рабочее вещество не расходуется, а лишь перемещается внутри цикла.

Кроме того, существуют моторы с открытым циклом, в которых регулирование потоком реализуется с помощью клапанов. Эти модели называют двигателем Эриксона. В целом принцип работы двигателя внешнего сгорания схож с ДВС. При низких температурах в нём происходит сжатие и наоборот. Нагрев же осуществляется по-разному. Тепло в двигателе внешнего сгорания подводится через стенку цилиндра извне. Стирлинг догадался применять периодическое изменение температуры с вытеснительным поршнем. Этот поршень перемещает газы с одной полости цилиндра в другую. При этом с одной стороны постоянно поддерживаются низкие температуры, а с другой — высокие. При перемещении поршня вверх газ перемещается из горячей в холодную полость. Система вытеснителя в двигателе соединена с рабочим поршнем, который сжимает газ в холоде и позволяет расширяться в тепле. Полезная работа совершается как раз благодаря сжатию в более низких температурах. Непрерывность обеспечивается кривошипно-шатунным механизмом. Особых границ между стадиями цикла не наблюдается. Благодаря этому КПД двигателя Стирлинга не уменьшается.

Это интересно: Как успешно сдать экзамены на права в 2021 году? 13 полезных советов

Некоторые детали работы двигателя

В теории подводить энергию в двигатель внешнего сгорания может любой источник тепла (солнце, электричество, топливо). Принцип работы тела двигателя заключается в использовании гелия, водорода или воздуха. Термическим максимально возможным КПД обладает идеальный цикл. КПД при этом составляет от 30 до 40 %. Эффективный регенератор может обеспечить более высокий КПД. Встроенные теплообменники обеспечивают регенерацию, обмен и охлаждение в современных двигателях. Их преимуществом является работа без масел. В целом смазки двигателю необходимо немного. Среднее давление в цилиндре варьируется от 10 до 20 МПа. Необходима хорошая уплотнительная система и возможность попадания масла в рабочие полости.

Согласно теоретическим расчётам эффективность двигателя Стирлинга сильно зависима от температуры и может достигать даже 70 %. Самые первые реализованные в металле образцы двигателя обладали низким КПД, поскольку варианты теплоносителя были неэффективны и ограничивали максимальную температуру нагрева, отсутствовали конструкционные материалы, устойчивые к высокому давлению. Во второй половине XX века двигатель с ромбическим приводом во время испытаний превысил показатель 35 % КПД на водном теплоносителе и с температурой 55 градусов по Цельсию. Совершенствование конструкции в некоторых экспериментальных образцах позволило достичь практически 39 % КПД. Почти все современные бензиновые двигатели, имеющие аналогичную мощность, обладают КПД 28 — 30 %. Турбированные дизели достигают около 35 %. Самые современные образцы двигателей Стирлинга, разработанные компанией Mechanical Technology Inc в США, показывают эффективность до 43 %.

После освоения жаропрочной керамики и других инновационных материалов появится возможность ещё сильнее увеличить температуру среды. КПД может при таких условиях достичь даже 60 %.

Существует несколько модификаций двигателя внешнего сгорания Стирлинга.

Модификация «Альфа»

Такой двигатель состоит из горячего и холодного раздельных силовых поршней, находящихся в собственных цилиндрах. К цилиндру с горячим поршнем поступает тепло, а холодный располагается в охлаждающем теплообменнике.

Модификация «Бета»

В этом варианте двигателя цилиндр, в котором расположился поршень, с одной стороны нагревается, а другой охлаждается. Внутри цилиндра двигаются вытеснитель и силовой поршень. Вытеснитель предназначен для изменения объёма рабочего газа. Регенератор же выполняет возвращение остывшего рабочего вещества в нагретую полость двигателя.

Модификация «Гамма»

Вся нехитрая конструкция модификации «Гамма» выполнена из двух цилиндров. Первый из них полностью холодный. В нём совершает движение силовой поршень. А второй — холодный только с одной стороны, а с другой — нагретый. Он служит для перемещения механизма вытеснителя. Регенератор циркуляции холодного газа в этой модификации может быть общим для обоих цилиндров и быть включённым в конструкцию вытеснителя.

Три основных варианта двигателя Стирлинга

Модификация Альфа

Мотор устроен таким образом, что он имеет и горячий цилиндр-поршень, и холодный цилиндр-поршень. Горячий поршень толкается от расширения воздуха, а холодный расположен в системе охлаждения и движется от остывания воздуха.

Модификация Бета

Данная конструкция предполагает, что цилиндр и поршень нагреваются с одной стороны и охлаждаются с другой. Поршень толкает в сторону холодной части, а вытеснитель толкает в сторону горячей. Регенератор перемещает остывший воздух в горячий рабочий объем цилиндра.

Модификация Гамма

Устройство данной модификации состоит из двух цилиндров и поршней. Имеет регенератор циркуляции газа. Один цилиндр горячий с одной стороны и холодный с другой, в нем поршень и вытеснитель. Второй цилиндр полностью холодный, там только поршень.

Двигатель внешнего сгорания. Принцип работы

«Стирлинг» ‒ как мы уже упоминали, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основной принцип его работы заключается в постоянном чередовании нагревания и охлаждения рабочего тела в замкнутом пространстве и получении энергии, благодаря возникающему при этом изменению объёма рабочего тела.

Как правило рабочим телом выступает воздух, но может использоваться водород или гелий. В опытных образцах пробовали двуокись азота, фреоны, сжиженный пропан-бутан и даже воду.

Кстати, вода пребывает в жидком состоянии на протяжении всего термодинамического цикла. А сам «стирлинг» с жидким рабочим телом имеет компактные размеры, высокую удельную мощность и высокое рабочее давление.

Плюсы двигателя Стирлинга

Основной плюс такого типа силового агрегата — это то, что может работать на разных видах топлива. На практике было испытано следующее: во внешнюю камеру устройства подавался сначала бензин, потом дизель, потом метан, потом сырая нефть и растительное масло. Все это делалось без остановки двигателя и он продолжал успешно работать.

Также большим плюсом по сравнению с обычными двух тактными или четыерхтактрыми двигателями внутреннего сгорания является то, что двигателю Стирлинга не нужно дополнительное навесное оборудование, такое как газораспределительный механизм, коробка переключения передач, стартер.

Ресурс двигателя Стирлинга — больше 100 тысяч работы без остановки.

Немаловажный плюс — бесшумность работы. Такой двигатель не нуждается в удалении отработанного газа. В нем не может быть детонации двигателя, вибрация практически отсутствует.

Конструкция двигателя Бета

Преимущество для окружающей среды — это двигатель, который не загрязняет экологию, а значит это залог здоровья.

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

Коэффициент полезного действия

КПД от разности температур в двигателе может достигать около 70%. По циклу Карно на графике КПД выглядит следующим образом.

На практике был установлен 4-х цилиндровый двигатель Стирлинга на автомобиль был установлен вначале 20 века и выдал 35% КПД.

Американская автомобильная компания Mechanical Technology Inc (Меканикал Технолоджи Инкопорейтед) создает двигатели Стирлинга. Их ДВС выдают КПД 43,5%.

Преимущества.

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой. • «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д. • Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью. • Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы. • Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару. • Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм). • Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Схема двигатель стирлинга

Двигатель Стирлинга. Виды и конструкции. Устройство и работа

Современная автомобильная промышленность достигла такого уровня, что без серьезных исследований невозможно добиться кардинальной модернизации в конструкции двигателей внутреннего сгорания. Это способствовало тому, что конструкторы стали обращать внимание на альтернативные разработки силовых установок, таких как двигатель Стирлинга.

Одни автоконцерны сконцентрировали свои силы на разработке и подготовке к выпуску в серию электрических и гибридных автомобилей, другие инженерные центры затрачивают финансовые средства в проектирование двигателей на альтернативном топливе, изготовленном из возобновляемых источников. Существуют другие различные разработки двигателей, которые в будущем могут стать новым двигателем для различных средств транспорта.

Таким возможным источником энергии механического движения для автомобильного транспорта будущего может стать двигатель внешнего сгорания, изобретенный в 19 веке ученым Стирлингом.

Устройство и принцип работы

Двигатель Стирлинга выполняет преобразование тепловой энергии, получаемой из внешнего источника, в механическое движение благодаря изменению температуры жидкости, циркулирующей в закрытом объеме.

В первое время после изобретения такой двигатель существовал в виде машины, действующей на принципе теплового расширения.

В цилиндре тепловой машины воздух перед расширением нагревался, перед сжатием охлаждался. Вверху цилиндра 1 находится водяная рубашка 3, дно цилиндра непрерывно нагревается огнем. В цилиндре расположен рабочий поршень 4, имеющий уплотнительные кольца. Между поршнем и дном цилиндра расположен вытеснитель 2, передвигающийся в цилиндре со значительным зазором.

Воздух, находящийся в цилиндре, перекачивается вытеснителем 2 к дну поршня или цилиндра. Вытеснитель движется под действием штока 5, проходящего через уплотнение поршня. Шток в свою очередь приводится в действие эксцентриковым устройством, вращающимся с запаздыванием на 90 градусов от привода поршня.

В позиции «а» поршень расположен в нижней точке, а воздух находится между поршнем и вытеснителем, охлаждается стенками цилиндра.

В следующей позиции «б» вытеснитель перемещается вверх, а поршень остается на месте. Воздух, находящийся между ними, выталкивается ко дну цилиндра, охлаждаясь.

Позиция «в» — рабочая. В ней воздух нагревается дном цилиндра, расширяется и поднимает два поршня к верхней мертвой точке. После выполнения рабочего хода вытеснитель опускается ко дну цилиндра, выталкивая воздух под поршень, и охлаждаясь.

В позиции «г» охлажденный воздух готов к сжатию, и поршень перемещается от верхней точки к нижней. Так как работа сжатия охлажденного воздуха меньше, чем работа расширения нагретого воздуха, то образуется полезная работа. Маховик при этом служит своеобразным аккумулятором энергии.

В рассмотренном варианте двигатель Стирлинга обладает малым КПД, так как теплота воздуха после рабочего хода должна отводиться через стенки цилиндра в охлаждающую жидкость. Воздух за один ход не успевает снизить температуру на необходимую величину, поэтому необходимо было продлить время охлаждения. Из-за этого скорость мотора была маленькой. Термический КПД был также незначительным. Тепло отработанного воздуха уходило в охлаждающую воду и терялось.

Разные конструкции

Существуют различные варианты устройства силовых агрегатов, действующих по принципу Стирлинга.

Конструкция исполнения «Альфа»

Этот двигатель включает в себя два отдельных рабочих поршня. Каждый поршень расположен в отдельном цилиндре. Холодный цилиндр находится в теплообменнике, а горячий нагревается.

Конструкция исполнения «Бета»

Цилиндр с поршнем охлаждается с одной стороны, и нагревается с противоположной стороны. В цилиндре перемещается силовой поршень и вытеснитель, служащий для уменьшения и увеличения объема рабочего газа. Регенератор выполняет обратное перемещение остывшего газа в нагретое пространство двигателя.

Конструкция исполнения «Гамма»

Вся система состоит из двух цилиндров. Первый цилиндр весь холодный. В нем перемещается рабочий поршень, Второй цилиндр с одной стороны нагретый, а с другой – холодный, и предназначен для передвижения вытеснителя. Регенератор для перекачки охлажденного газа может являться общим для двух цилиндров, либо может быть включен в устройство вытеснителя.

Преимущества

• Как и множество двигателей внешнего сгорания, двигатель Стирлинга способен функционировать на разном топливе, так как для него важно наличие перепада температуры. При этом не важно, каким топливом он вызван.
• Двигатель имеет простое устройство, и не нуждается во вспомогательных системах и навесных устройствах (коробка передач, ремень ГРМ, стартер и т.д.).
• Особенности конструкции обеспечивают длительную эксплуатацию: больше 100 тысяч часов постоянной работы.
• Работа двигателя Стирлинга не создает большого шума, так как внутри двигателя не происходит детонация топлива, и отсутствует выпуск отработанных газов.
• Исполнение «Бета», снабженное кривошипно-шатунным устройством в виде ромба, является наиболее сбалансированным механизмом, который при функционировании не создает вибрацию.

• В цилиндрах мотора не возникают процессы, оказывающие вредное воздействие на природную среду. При подборе оптимального источника тепла мотор Стирлинга может стать экологически чистым устройством.

Недостатки

• При значительных положительных характеристиках быстрое серийное производство двигателей Стирлинга нереально по некоторым причинам.
  Основной вопрос в материалоемкости устройства. Чтобы охлаждать рабочее тело, необходим большой радиатор, что значительно увеличивает габариты и вес оборудования.
• Сегодняшний уровень технологий дает возможность двигателю Стирлинга конкурировать по свойствам с новыми бензиновыми двигателями за счет использования сложных типов рабочего тела (водород или гелий), находящихся под очень большим давлением. Это значительно повышает опасность использования таких двигателей.
• Серьезная проблема эксплуатации связана с проблемами температурной стойкости стальных сплавов и их теплопроводности. Тепло подходит к рабочему пространству с помощью теплообменников. Это приводит к значительным потерям тепла. Также теплообменник должен производиться из термоустойчивых сплавов, которые также должны быть устойчивы к повышенному давлению. Соответствующие этим условиям материалы очень сложны в обработке и имеют высокую стоимость.
• Принципы перехода двигателя Стирлинга на другие режимы функционирования также существенно отличаются от привычных принципов. Для этого необходимо создание специальных устройств управления. Например, для изменения мощности нужно менять угол фаз между силовым поршнем и вытеснителем, давление в цилиндрах, либо изменить емкость рабочего объема.

Двигатель Стирлинга и его использование

При необходимости создания преобразователя тепла компактных размеров можно вполне использовать мотор Стирлинга. При этом эффективность других аналогичных двигателей значительно ниже.

• Универсальные источники электричества. Моторы Стирлинга могут преобразовывать тепло в электричество. Существуют проекты солнечных электроустановок с применением таких двигателей. Их используют как автономные электростанции для туристов. Некоторые производители изготавливают генераторы, действующие от газовой конфорки. Существуют также проекты генераторов, которые работают от радиоизотопных источников тепла.
• Насосы. Если в контуре системы отопления установлен насос, то эффективность отопления значительно возрастает. В системах охлаждения также устанавливают насосы. Электрический насос может выйти из строя, к тому же, он потребляет электрическую энергию. Насос, действующий по принципу Стирлинга, решает этот вопрос. Двигатель Стирлинга для перекачивания жидкостей будет проще обычной схемы, так как вместо поршня может применяться сама перекачиваемая жидкость, служащая также для охлаждения.
• Холодильное оборудование. В конструкции всех холодильников используется принцип тепловых насосов. Некоторые производители холодильников планируют устанавливать на свои изделия двигатель Стирлинга, которые будут очень экономичны. Рабочим телом будет выступать воздух.
• Сверхнизкие температуры. Для сжижения газов такие моторы очень эффективны. Их использование более выгодное, чем турбинные устройства. Также двигатель Стирлинга применяется в устройствах для охлаждения датчиков точных приборов.
• Солнечные электростанции. Электрическую энергию можно получать путем преобразования энергии солнца. Для этого могут применяться двигатели Стирлинга, которые устанавливают в фокус зеркала так, чтобы место нагрева непрерывно освещалось лучами солнца. Отражатель управляется по мере перемещения солнца, энергия которого концентрируется на малой площади. При этом происходит отражение излучения зеркалами около 92%. Рабочим телом двигателя служит чаще всего гелий или водород.
• Аккумуляторы тепла. С помощью устройства Стирлинга можно резервировать тепловую энергию, используя теплоаккумуляторы на основе расплавов солей. Такие устройства имеют запас энергии, превосходящий химические аккумуляторы, и имеют меньшую стоимость. Применяя для регулировки мощности увеличение и уменьшение угла фазы между двумя поршнями, можно накапливать механическую энергию, осуществляя торможение двигателя. При этом двигатель служит тепловым насосом.
• Автомобилестроение. Несмотря на сложности, существуют действующие модели мотора Стирлинга, использующиеся для автомобилей. Заинтересованность в таком двигателе, подходящем для автомобиля, возникла еще в прошлом веке. Разработки в этом направлении проводили английские и немецкие автоконцерны. В Швеции также был разработан двигатель Стирлинга, в котором применялись унифицированные серийные агрегаты и узлы. В результате получился 4-цилиндровый мотор, параметры которого сравнимы с характеристиками небольшого дизельного двигателя. Этот двигатель был успешно испытан в качестве силового агрегата для многотонного грузовика.

Сегодня исследования установок Стирлинга для подводных, космических и других установок, а также проектирование основных двигателей проводятся во многих зарубежных странах. Такой высокий интерес к моторам Стирлинга стал итогом интереса общественности в борьбе с загрязнением атмосферы, шумом и сохранением природных энергетических источников.

Похожие темы:

Двигатель Стирлинга

Двигатель внутреннего сгорания вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

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

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

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

P*V=n*R*T

здесь

• P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
• V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
• n – молярное количество газа в двигателе;
• R – постоянная газа;
• T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

• 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
• 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
• 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
• 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

Читайте также…  Двигатель 1NZ-FE — Технические характеристики

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

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

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

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

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

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

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

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

Виды двигателей

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

• Двигатель «α – Стирлинг»:

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

• Двигатель «β – Стирлинг»:

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

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

Читайте также…  Двигатель ЗИД- Устройство и обслуживание

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

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

• Роторный двигатель Стирлинга.

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

• Термоакустический двигатель Стирлинга.

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

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

Читайте также…  Двигатель ОКА 11113: Технические характеристики

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

• Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

• Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

• Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

• Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

• Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

• Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

• Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

Принцип работы двигателя Стирлинга

Многим интересен принцип работы двигателя Стирлинга, и не только из праздного любопытства, но и потому, что если не понять основу его действия, то очень трудно изготовить работающую модель. В данной публикации подробно и насколько возможно, лаконично, дан ответ на этот вопрос. А наглядно все представлено в видеоуроке со всеми схемами.

В этом китайском магазине можно найти отличный генератор.

Рассмотрим сначала

Принцип работы низкотемпературного двигателя.

Сам двигатель состоит из цилиндра, в котором движется вытеснитель и из второго цилиндра, в котором ходит рабочий поршень. Боковые стенки большого цилиндра не проводят тепло. Верхняя часть холодная, нижняя – горячая. Когда вытеснитель опускается вниз, перекрывая горячую пластину, воздух резко охлаждается и сжимается, втягивая рабочий поршень (зеленого цвета на видео).

Мастера покупают изобретения в лучшем китайском интернет-магазине. Схема низкотемпературного двигателя Стирлинга

При движении вытеснителя вверх, он перекрывает холодную пластину, воздух от нижней пластины резко нагревается, расширяется (от нагрева) и вытесняет рабочий зеленый поршень вверх.

Далее цикл повторяется, так как вытеснитель и рабочий поршень связаны между собой коленвалом со смещением 90 градусов.

Принцип действия высокотемпературного мотора Стирлинга

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

Электроника для самодельщиков в китайском магазине. Схема высокотемпературного двигателя Стирлинка

Далее вся механика наглядно на видео. Во второй части видео один из вариантов сборки Стирлинга.

Чтобы окончательно понять принцип действия мотора Стирлинга, нужно собрать его работающую конструкцию и в процессе доводки совершенствовать его и тестировать при разных конфигурациях. Для наиболее простого понимания законов, по которым работает двигатель, достаточно сделать так: – сделать цилиндр с вытеснителем; – вместо рабочего поршня установить резиновый воздушный шарик; – маховик пока не ставить; – нагреть нижнюю часть устройства, остудить верхнюю и начать изменять положение вытеснителя; – если попробовать поднять вытеснитель вверх – шарик резко надуется; – если опустить вытеснитель вниз – шарик сдуется. Таким образом эти простые действия наглядно покажут, как все происходит в механизме двигателя. – Далее заменим воздушный шарик на поршень; – поршень должен свободно двигаться, но следует настроить все так, чтобы он не пропускал воздух; – смазать поршень силиконовой смазкой; – проделать те же действия, что ранее были выполнены с шариком, но уже с поршнем; – понаблюдать ход поршня, зафиксировать в записях в рабочем блокноте для того, чтобы подсчитать ход (выгиб) коленвала; – изготовить маховик, шатун, коленвал и всё, мотор Стирлинга готов!

– окончательно протестировать готовый аппарат.

Важные моменты, если вы делаете сами движок

При изготовлении мотора Стирлинга придерживайтесь рекомендаций.

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

Удачи в техническом творчестве!

В другом материале о том, как приспособить для этого движка генератор тока. А тут еще одна модель, которую можно собрать дома.

Как работают двигатели Стирлинга?

В течение почти 200 лет термические двигатели, известные по имени их изобретателя, были известны в как двигатели Стирлинга. Их изобретатель работал над построением наиболее эффективного или оптимального рабочего теплового двигателя. Стирлинг подошел к проблеме довольно научным образом. То есть, двигатель (его теоретическая циркуляция) был проанализирован и проверен вычислительно до того, как был построен прототип. Все в теории выглядело очень многообещающим. В принципе, до сих пор предполагалось, что они должны быть одним из наиболее эффективных тепловых двигателей.  Так почему бы нам не путешествовать с автомобилями, использующими Стирлинг, несмотря на их многочисленные преимущества?

Рисунок двигателя Стирлинга из оригинального патента от 1816 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: Индийский технологический институт, копия изображения в патенте Роберта Стирлинга 1816 года .

Чтобы получить полезную мощность от поршневого двигателя, он должен развивать достаточно высокий крутящий момент или достигать высокой скорости вращения. Двигатели Стирлинга не достигают высоких скоростей вращения, поэтому давайте рассмотрим момент. В основном, это будет зависеть от силы, действующей на поршень, а это, в свою очередь, от давления рабочего тела в рабочем ходу и поверхности поршня, которое работает. Эти упрощенные рассуждения помогут нам понять структурные проблемы двигателей Стирлинга. Для того, чтобы двигатель был больше, чем модель на столе, он должен быть огромным – иметь большой диаметр рабочего поршня, или поршень должен находиться под высоким давлением во время рабочего хода.

Типичная «настольная» модель двигателя Стирлинга с рубежа 20 и 21 веков. Диаметр маховика: около 30 мм. Он должен быть включен в группу так называемых «Гаджеты».

История двигателя Стирлинга в 19 веке

В начале 19-го века двигатели в основном использовались для привода машин (например, насосов в шахтах, приводов центральных машин на заводах), а двигатели могли быть огромными. На повестке дня были указаны рабочие цилиндры диаметром более 0,5-1 м. Несмотря на это, паровые двигатели Уатта выиграли конкурс на двигатели Стирлинга. Правда, двигатели Стирлинга были проще в дизайне и обработке, но паровые двигатели, включая всю систему (котельную) и все их недостатки, однако, были более эффективными (читай: более дешевый в эксплуатации) и обеспечили большую мощность. Даже в мобильных системах, таких как корабли и поезда (в Англии и Шотландии в середине 19 века сеть железных дорог уже была разработана), паровые двигатели были намного лучше.

Промышленный двигатель Стирлинга примерно с 1860 года. Представленный двигатель, произведенный Эрикссоном, реализовал модифицированный цикл Стирлинга, названный в честь его создателя Эрикссоном . Источник: Wikimedia Commons , Vasárnapi Ujság, 1861/8 [1] .

Конечно, двигатели Стирлинга использовались здесь и там, но они не доминировали на рынке. Более того, установленные двигатели Стирлинга часто заменялись паровыми двигателями, а те, которые остались, уже считались раритетами и нишевыми приложениями. В Европе, возможно, самыми известными двигателями Стирлинга с рубежа XIX и XX веков были те, которые использовались в… аквариумных насосах. Одним из наиболее известных производителей таких двигателей в этот период стала компания Louis Heinrici .

Семейство двигателей Стирлинга от компании Louis Heinrici. Иллюстрация из каталога компании с 1914 года. Источник: Wikimedia Commons , автор: First-Neutron .

Но вернемся к теме. В конце 19-го века появились двигатели внутреннего сгорания, сначала с газом, а затем с жидким топливом.  Кроме того, в автомобильных приводах появились также электродвигатели. Теоретически двигатели Стирлинга должны быть лучше всех (независимо от того, что это означает), поэтому все время мир науки и техники периодически интересовался ими. Поскольку строительство огромных двигателей Стирлинга в 19 веке утратило свой смысл, предпринимались попытки построить небольшие двигатели, но с высоким давлением рабочего тела, так что создаваемые двигательные системы были бы конкурентоспособными с двигателями внутреннего сгорания. Пик работы на таких двигателях произошел в 1950-х и 1960-х годах. Конечно, возникла значительная группа проблем, которые были более или менее успешно решены.

Коммерчески доступный электрический генератор, приводимый в движение двигателем Стирлинга от Philips с середины 20-го века (1953). Электрическая мощность: около 180 Вт. Высота корпуса: около 0,5 м. Источник: Викисклада , Норберт Шнитцлер .

Использование гелия

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

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

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

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

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

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

Конечно, несмотря на все технологические проблемы, двигатели Стирлинга производятся и используются. Однако это очень специфические приложения, которые позволяют оправдать высокие производственные и / или эксплуатационные расходы. В дополнение к военным применениям примерами являются энергетические системы, работающие на биогазе, восстановленном на полигонах. Яднак таких двигателей по-прежнему остается большой «экзотикой» в мире технологий, и, вероятно, большинство читателей этого текста никогда не встретит такой движок…

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

Заключение

Мы процитировали выше упрощенную историческую схему тенденций проектирования двигателей Стирлинга. Конечно, мы опустили множество проектов как энтузиастов, так и тех, которые были разработаны в «серьезных» исследовательских проектах (например, машины с жидкими поршнями – «жидкость», термоакустические двигатели и т. д.). Это не меняет того факта, что инженеры и ученые пытались построить эффективный и надежный двигатель Стирлинга почти 200 лет. Практически каждое последующее поколение инженеров пытается решить проблемы этих двигателей, надеясь, что это обеспечит технический прогресс, который произошел в предыдущие 20-25 лет. К сожалению, усилия по-прежнему неэффективны. Я должен признать, что, по-видимому, мое поколение также пыталось это сделать, а также потерпело неудачу. Однако мы глубоко убеждены в том, что

Совсем другое дело, что каждое поколение инженеров начинает свою деятельность почти с самого начала, на практике имея очень сложный доступ к документации ранее выполненных работ… но это снова тема для совершенно другого случая.

Модель двигателя Стирлинга в бета-системе, разработанной и сделанной г-ном Рафалом Ходорковским в рамках инженерных работ на факультете SiMR в Варшавском технологическом университете (руководитель: Мачей Тулодзекский, PhD). Длина двигателя: около 35 см.

Двигатель стирлинга своими руками, схема и чертеж

instrument.guru > Своими руками > Двигатель стирлинга своими руками, схема и чертеж

Двигатель Стирлинга — это некий двигатель, который начинает работать от тепловой энергии. При этом источник энергии совсем неважен. Главное, чтобы была разница температурного режима, в этом случае, такой двигатель будет работать. Сейчас мы разберем, как можно создать модель такого низкотемпературного двигателя из баночки от «Кока-колы».

Оглавление:

• Материалы и приспособления
• Описание процесса создания
• Последний шаг, создание топки

Материалы и приспособления

Сейчас мы разберем, что нам нужно взять для создания двигателя в домашних условиях. Что нам потребуется взять для стирлинга:

• Воздушный шар.
• Три баночки от колы.
• Специальные клеммы, пять штучек (на 5А).
• Ниппели для закрепления велосипедных спиц (две штучки).
• Вата из металла.
• Кусок проволоки из стали длиной в тридцать см и сечением 1 мм.
• Кусок большой стальной или медной проволоки с диаметром от 1.6 до 2 мм.
• Деревянный штырь с диаметром двадцать мм (длина один см).
• Крышка от бутылочки (из пластика).
• Электропроводка (тридцать см).
• Специальный клей.
• Вулканизированная резина (где-то 2 сантиметра).
• Рыболовная леска (длина тридцать см).
• Несколько грузил для балансировки (например, никелевые).
• CD-диски (три штуки).
• Специальные кнопки.
• Жестяная баночка для создания топки.
• Теплоустойчивый силикон и консервная банка для изготовления водного охлаждения.

Описание процесса создания

Этап 1. Подготовка баночек.

Вначале стоит взять 2 банки и отрезать у них верхнюю часть. Если верхушки будут отрезаться ножницами, полученные зазубрины придется сточить при помощи напильника.

Дальше надо вырезать дно баночки. Это можно выполнить с помощью ножа.

Этап 2. Изготовление диафрагмы.

В качестве диафрагмы можно взять воздушный шарик, который стоит усилить вулканизированной резиной. Шар надо разрезать и натянуть на баночку. Потом на центральную часть диафрагмы приклеим кусок специальной резины. После застывания клея, в центре диафрагмы пробьем дырочку для установки проволоки. Легче всего это выполнить при помощи специальной кнопки, которую можно оставить в дырке до момента сборки.

Этап 3. Разрезание и создание дырок в крышке.

В стенках крышки надо сделать два отверстия по два мм, они необходимы для установки поворотной оси рычагов. Еще одну дырочку надо сделать в донышке крышки, через него будет идти проволока, которая будет соединена с вытеснителем.

На последнем этапе крышку надо обрезать. Это делается для того, чтобы проволока вытеснителя не зацепилась за края крышки. Для таких работ можно взять хозяйственные ножницы.

Этап 4. Сверлим.

В баночке надо просверлить две дырки для подшипников. В нашем случае это было выполнено сверлом 3.5 мм.

Этап 5. Изготовление смотрового окна.

В корпусе двигателя надо вырезать специальное окно. Теперь можно будет понаблюдать, как работают все узлы прибора.

Этап 6. Доработка клемм.

Необходимы взять клеммы и убрать с них пластиковую изоляцию. Потом возьмем дрель, и сделаем сквозные отверстия на краях клемм. Всего надо высверлить три клеммы. Оставим две клеммы, не просверленными.

Этап 7. Создание рычагов.

В качестве материала для изготовления рычагов берется медная проволока, диаметр которой всего 1.88 мм. Как именно подогнуть спицы, стоит посмотреть в интернете. Можно взять и стальную проволоку, просто с медной проволокой, удобнее работать.

Этап 8. Изготовление подшипников.

Чтобы сделать подшипники потребуется два велосипедных ниппеля. Диаметр дырок надо проверить. Автор просверлил их насквозь с помощью сверла на два мм.

Этап 9. Установка рычагов и подшипников.

Рычаги можно ставить прямо через смотровое окошко. Один кончик проволоки должен быть длинным, на нем будет лежать маховое колесо. Подшипники должны крепко сесть на нужные места. Если будет присутствовать люфт, их можно приклеить.

Этап 10. Делаем вытеснитель.

Вытеснитель делается из стальной ваты ля полировки. Для изготовления вытеснителя берется проволока из стали, на ней создается крючок, а потом на проволоку наматывается определенное количество ваты. Вытеснитель должен быть таким же по размерам, чтобы он спокойно перемещался в банке. Вся высота вытеснителя не должна быть больше пяти сантиметров.

В конце на одной стороне ваты надо сделать спираль из проволоки, чтобы она не выходила из ваты, а на второй стороне из проволоки делаем петлю. Потом к этой петле привяжем леску, которая впоследствии притянется через центральную часть диафрагмы. Вулканизированная резина должна быть в серединке емкости.

Этап 11. Изготовление резервуара под давлением

Надо вырезать дно банки определенным образом, чтобы осталось где-то 2. 5 см от ее основы. Вытеснитель вместе с диафрагмой надо переместить в резервуар. После этого весь этот механизм переносится в конец банки. Диафрагму надо немножко натянуть, чтобы она не провисла.

Потом необходимо взять клемму, которая не была просверлена, и провести через нее леску. Узел надо приклеить так, чтобы он не передвигался. Проволоку надо качественно смазать маслом и при этом убедиться, что вытеснитель без труда протянет за собой леску.

Этап 12. Изготовление толкательных тяг.

Эти специальные тяги соединяют диафрагму и рычаги. Это производится с куска медной проволоки длиной пятнадцать см.

Этап 13. Создание и установка маховика

Для изготовления маховика берем три старых СД-диска. В качестве центра возьмем деревянный стержень. После установки маховика, стержень коленчатого вала загнем, так маховик уже не будет спадать.

На последнем этапе весь механизм собирается полностью.

Последний шаг, создание топки

Вот мы и дошли до последнего шага в создании двигателя.

• Для изготовления топки своими руками, используется жестяная банка. В ней стоит вырезать специальное окно, через него и будет ставиться, и поджигаться свечка. Чтобы сгладить острые края, можно сделать для арки окантовку от электрического кабеля. Потом можно перейти к тестированию двигателя. Он ставится на топку, а в топке зажигается свеча.
• Если все собрано правильно, маховик будет вращаться. Если же двигатель не заработал, придется искать проблему. Сделать стирлинг с генератором большой мощности, совсем нетрудно, главное, это выполнять все этапы последовательно, как в инструкции. Существуют разные модели двигателей с разной мощностью, выбирайте все на свой вкус. А генератор лучше купить, его очень сложно делать своими руками.

Двигатель Стирлинга: фото

Генераторы стирлинга



Принцип работы двигателя Стирлинга

 

Принцип работы двигателя Стирлинга

Принцип действия двигателя Стирлинга очень стар… и очень прост!
В Египте ещё более 2000 лет назад использовали расширение нагревающегося воздуха, чтобы приводить в движение ворота храма.

Тот же принцип использовался в двигателе горячего воздуха, на который Роберт Стирлинг заявил патент: горелка, заполненная спиртом, нагревает воздух внутри цилиндра и подаёт энергию для двигателя, который пускается в ход вращением маховика.
Несмотря на простую конструкцию, двигатель Стирлинга впечатляет! Воздух в закрытом цилиндре нагревается пламенем и за счёт расширения устремляется мимо вытеснительного поршня к другому краю цилиндра, где выдавливает рабочий поршень наружу. Так как вытеснительный поршень соединён с начавшим вращаться маховиком, под его действием он снова возвращается назад, охлаждая за собой воздух, и создавая, таким образом, вакуум. Этот вакуум засасывает рабочий поршень снова обратно. Процесс начинается сначала, машина работает!

 

Принцип работы ваккумного двигателя

Вакуумный двигатель, на который Генри Форд заявил патент в 1758 году, часто называют пожирателем пламени.
Он, так же как и двигатель Стирлинга, относится к двигателям горячего воздуха. Подобно первому двигателю внутреннего сгорания, основную работу выполняет атмосферное давление. Через клапан поршень засасывает фронтально расположенное пламя в цилиндр. Пламя нагревает воздух в цилиндре, что заставляет поршень двигаться назад. После этого, соединённый с маховиком клапан, закрывается, и воздух в цилиндре охлаждается. Из-за атмосферного давления поршень снова возвращается в исходное положение. Как только поршень достигает своей передней мёртвой точки, клапан снова открывается и весь процесс начинается сначала. Маховое колесо помогает преодолеть обе мёртвые точки.
Функциональные вакуумные двигатели часто строят в виде стационарных горизонтальных или вертикальных моделей с одним или несколькими цилиндрами. Также в исторических моделях тракторов и рельсовых транспортных средств можно встретить вакуумные двигатели.

 

Купить прикольные гаджеты и конструкторы вы можете у нас в магазине

{TAGS_PRODUCTS}

Рабочий цикл двигателя Стирлинга

На рис. 2 показана принципиальная схема термодинамического цикла Стирлинга в поршневом двигателе.

Рис. 1. Термодинамический цикл Стирлинга

Кроме того, источником теплоты для двигателя Стирлинга может служить любой источник, генерирующий теплоту при температуре 500 К и выше. В качестве источника теплоты могут быть использованы продукты сгорания любых видов органических ископаемых и синтетических топлив, солнечная, геотермальная и ядерная энергия. Все это, а также возможность применения двигателя Стирлинга, помимо традиционных областей использования, для подводных и космических аппаратов, автомобилей и т. д., привлекает к нему внимание. Уже сейчас параметры двигателя Стирлинга по экономичности, удельной мощности такие же, как у современных дизелей, а по токсичности и шуму ниже.

Следует отметить, что двигатель Стирлинга дополняет и расширяет возможности поршневых тепловых двигателей.

В основе работы двигателя Стирлинга лежит термодинамический цикл, показанный на рис. 1.

Рис. 2. Принципиальная схема осуществления термодинамического цикла Стирлинга в поршневом двигателе

Поршень в цилиндре остается неподвижным в ВМТ, пока поршень в цилиндре движется к НМТ, что соответствует процессу на рис. 1. Общий объем полостей уменьшается; в них происходит сжатие рабочего тела при минимальной усредненной его температуре. В процессе cz происходит совместное движение поршней, причем увеличение горячего объема компенсируется равным ему уменьшением холодного объема, т. е. общий объем V не меняется и остается минимальным; рабочее тело перемещается из холодного объема в горячий. В процессе осуществляется изохорный подвод теплоты к рабочему телу в регенераторе. В процессе zb поршень в цилиндре остается неподвижным в НМТ, а поршень в цилиндре движется к НМТ — объем горячей полости увеличивается. При этом общий объем возрастает, и во всех полостях происходит расширение рабочего тела при максимальной усредненной его температуре.

В процессе поршни в обоих цилиндрах движутся к ВМТ; при этом уменьшение горячего объема в цилиндре компенсируется равным ему увеличением холодного объема в цилиндре. Общий объем остается постоянным и максимальным, а рабочее тело вытесняется из горячего объема в холодный.

Прежде чем рассмотреть рабочий цикл двигателя Стирлинга, обратимся к принципиальной схеме, приведенной на рис. 3. Для того чтобы в двигателе Стирлинга происходило преобразование теплоты в механическую энергию, в его конструкции должны быть следующие элементы: две рабочие полости с переменным объемом — горячая Ve и холодная Vc; три теплообменника — нагреватель Н, регенератор R и охладитель Ох, соединительные каналы, связывающие между собой теплообменники и полости с переменным объемом; механизм, преобразующий поступательное движение поршней во вращательное. Отдельные элементы, составляющие газовый тракт рабочего тела в двигателе Стирлинга, образуют замкнутую систему, т. е. отсуствует массообмен с окружающей средой. Таким образом, внутри этого газового тракта суммарная масса одного и того же рабочего тела (газа) постоянная и при работе не претерпевает фазовых превращений (могут быть использованы рабочие тела, изменяющие фазовые состояния).

В нагревателе — компактном теплооб-менном аппарате к рабочему телу подводится теплота. Аналогично при движении рабочего тела через охладитель от рабочего тела отводится теплота Q2. Ка-ких-либо устройств (клапанов, задвижек, золотников и т. д.) нет, что несомненно упрощает конструкцию двигателя и повышает его надежность.

Регенератор представляет собой высокопористую со сквозными порами тепло-аккумулирующую массу (металлическая сетка, путанка; спеченная высокопористая керамика и т. д.), которая получает теплоту от проходящего через нее горячего рабочего тела из нагревателя и отдает ее при обратном движении холодного рабочего тела из охладителя. Таким образом, в регенераторе двигателя благодаря внутреннему теплообмену осуществляется подогрев рабочего тела перед поступлением в нагреватель за счет аккумулированной теплоты. В результате уменьшается количество теплоты, подведенной извне, и повышается КПД двигателя.

Рис. 3. Принципиальная схема двигателя Стирлинга

Количество теплоты, вводимой во внутренний контур, а следовательно, совершаемая цикловая работа зависят от суммарной массы рабочего тела, находящегося во внутренних полостях двигателя. Суммарная масса рабочего тела увеличивается с ростом максимального давления во внутренних полостях при подаче в них дополнительного газа. Таким образом можно регулировать мощность двигателя.

Схема осуществления рабочего цикла двигателя Стирлинга приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема осуществления рабочего цикла Стирлинга

При сжатии рабочего тела в результате уменьшения суммы объемов горячей и холодной полостей выделяющаяся в холодной зоне (охладитель, часть регенератора, холодная полость) теплота отводится во внешнюю среду в охладителе. Закономерность изменения объемов горячей и холодной полостей подбирают таким образом, чтобы при сжатии большая часть рабочего тела находилась в холодной зоне. Это обусловливает уменьшение работы сжатия. В конце сжатия начинается вытеснение рабочего тела из холодной зоны в горячую (часть регенератора, нагреватель, горячая полость). При этом рабочее тело, проходя через регенератор, получает теплоту, аккумулированную в нем в предыдущем цикле. Так как обеспечить в регенераторе полную регенерацию теплоты невозможно, при дальнейшем движении рабочее тело нагревается до максимальной температуры в нагревателе. К этому моменту большая часть рабочего тела находится в горячей зоне, и его внутренняя энергия в результате подвода теплоты возрастает.

При последующем расширении теплота с помощью поршней преобразуется в механическую работу, которая передается на коленчатый вал, и сообщается потребителю. Для поддержания температуры рабочего тела при расширении на достаточно высоком уровне и близкой к постоянной от внешнего источника к рабочему телу в нагревателе подводится теплота. К концу расширения начинается вытеснение рабочего тела из горячей зоны в холодную. При этом рабочее тело, проходя через регенератор, часть своей теплоты передает теплоаккумулирующей насадке регенератора. В результате неполной регенерации теплоты рабочее тело при дальнейшем движении охлаждается до минимальной температуры в охладителе, который отводит теплоту во внешнюю среду. Из рассмотренной схемы рабочего цикла двигателя Стирлинга видно, что подвод теплоты от внешнего источника позволяет изолировать внутренние полости (внутренний контур) двигателя от внешней среды. Благодаря этому становится возможным применение в качестве рабочего тела в двигателях Стирлинга газов с наилучшими теплофизическими свойствами (водород, гелий и т.д.). Кроме того, становятся ненужными ряд систем, используемых в двигателях внутреннего сгорания (системы газораспределения, газообмена, зажигания, топливная высокого давления и т. д).

В двигателях Стирлинга рабочий цикл осуществляется за два такта, т. е. за один оборот коленчатого вала. В этом смысле двигатель Стирлинга аналогичен двухтактному двигателю внутреннего сгорания. Однако в двухтактном двигателе использование подпоршневых полостей в качестве рабочих связано с определенными трудностями, что было отмечено выше, а в двигателях Стирлинга такое конструкционное решение является обычным.

На рис. 5 представлена принципиальная схема двигателя Стирлинга двойного действия. Характерной особенностью схемы является то, что все горячие полости расположены над поршнем, а холодные — в подпоршневых полостях. Это упрощает конструкцию уплотнений и повышает надежность их работы. Каждый ход поршня является рабочим. Фазы, составляющие рабочий цикл двигателя Стирлинга, рассмотрим на примере работы цилиндров. Когда поршень в цилиндре подходит к ВМТ (рис. 5, а), поршень в цилиндре двигателя движется к НМТ. Большая часть рабочего тела сосредоточена в холодной зоне, осуществляется процесс сжатия и охлаждения рабочего тела в холодной зоне. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

При движении поршня цилиндра к НМТ (рис. 5, б) увеличивается объем горячей полости, поршень цилиндра подходит к НМТ и объем холодной полости уменьшается до минимума. Осуществляется нагрев от внешнего источника, а также в регенераторе и вытеснение рабочего тела в горячую полость. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

Рис. 5. Схемы осуществления рабочего цикла двигателя Стирлинга двойного действия

В следующей фазе (рис. 5, в) поршень цилиндра приближается к НМТ, быстро увеличивая объем горячей полости. Поршень в цилиндре начал движение к ВМТ, и объем холодной полости увеличивается. Происходит процесс расширения с подводом теплоты от внешнего источника к рабочему телу в горячей зоне. На индикаторной диаграмме этой фазе соответствует процесс.

Когда поршень цилиндра движется к ВМТ, уменьшая объем горячей полости (рис. 5, г), поршень в цилиндре приближается к ВМТ, и объем холодной полости увеличивается. Рабочее тело вытесняется в холодную полость, по пути охлаждаясь в регенераторе и охладителе. Этой фазе на индикаторной диаграмме соотвествует процесс.

Таким образом, если за начало отсчета угла поворота коленчатого вала принять положение поршня в цилиндре в ВМТ, то первый такт будет состоять из фаз процессов, второй — из процессов.

Двигатель Стирлинга: устройство и принцип работы

Поиск перспективных энергосберегающих технологий, в частности использующих альтернативные и возобновляемые виды топлива – одно из основных направлений научно-технического прогресса XXI века. Однако в поисках нового не стоит забывать прежние выдающиеся достижения инженерной мысли, обретающие в нашу цифровую эпоху второе дыхание. Яркое тому подтверждение двигатель Стирлинга.

Дитя эпохи пара

Начало XIX века – расцвет эпохи пара. Благодаря паровым машинам стали бурно развиваться промышленность и транспорт. Они оказались на редкость надежными, устойчивыми к колебаниям нагрузки, долговечными, не требующими больших затрат при эксплуатации, простыми в обслуживании и практически «всеядными» в отношении к топливу.

Роберт Стирлинг и его двигатель

Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.

Паровоз на базе двигателя Стирлинга

Все изменилось 27 сентября 1816 года, когда шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал уникальное изобретение под названием «двигатель горячего воздуха», безопасную альтернативу своему паровому предшественнику. Позже его назвали в честь создателя – двигатель Стирлинга (ДС).

Как работает двигатель Стирлинга

Первое, что бросается в глаза – простота конструкции. В состав двигателя Стирлинга (β-типа) входят два поршня – вытеснительный и рабочий, маховик, рубашка (ребра) охлаждения и теплообменный цилиндр. Чтобы ДС работал, необходим источник тепла.

Рабочий цикл протекает в четыре этапа

Первый этап. Происходит нагрев воздуха (или другого газа) в основании цилиндра. Разогретый внутри его воздух создает давление, которое заставляет рабочий поршень двигаться вверх. Вытеснительный поршень имеет одну важную особенность – неплотное прилегание к стенкам цилиндра.

Двигатель Стирлинга типа Бета

Второй этап. Приведенный в действие маховик (благодаря ему работа обоих поршней строго синхронизирована) с помощью толкающей штанги «отправляет» вытеснительный поршень вниз, который в свою очередь выдавливает разогретый воздух вверх в охлаждающую камеру.

Третий этап. В камере воздух остывает и сжимается, давая возможность рабочему поршню опуститься вниз.

Четвертый этап. Вытеснительный поршень движется вверх, одновременно вытесняя охлажденный воздух в основание цилиндра, после чего цикл возобновляется.

Плюсы и минусы

Первые промышленные ДС использовались в качестве водяных насосов и машин, обеспечивающих литейное производство. К началу ХХ века на предприятиях Европы работало уже более 250 тыс. вентиляторов, приводимых в действие ДС. Их КПД достигал 18%, что почти на 10 % выше КПД паровых двигателей.

И это далеко не единственное достоинство двигателей Стирлинга. Как и все двигатели наружного сгорания, они «всеядны». В их топливном «меню» буквально «все, что горит» – от угля, дров, мазута, газа до солнечной, геотермальной энергии и ядерного топлива.

Конструкция ДС чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Как следствие этого – значительный рабочий ресурс, измеряемый иногда сотнями тысяч часов непрерывной работы.

Двигатели Стирлинга очень экономичны и малошумны, что в последствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.

Из недостатков, пожалуй, главный – материалоемкость. К тому же, чтобы двигатели Стирлинга могли на равных конкурировать с ДВС, им приходиться «добавить» высокое (более 100 атмосфер – прим. ред. Techcult.ru) давление, а также водород или гелий в качестве рабочего тела.

КПД ДС значительно снижается из-за того, что тепло рабочее тело «получает» через стенки теплообменника. Поскольку самому теплообменнику приходится работать в экстремальных условиях высокого давления и температуры, для его изготовления используются весьма дорогие жаропрочные материалы.

Определенные сложности возникают при регулировке оборотов. В частности, чтобы регулировать частоту вращения коленчатого вала, потребуется изменять показатели температуры.

Виды двигателей

Семейство двигателей Стирлинга представлено четырьмя видами – Альфа, Бета (принцип его работы описан выше), Гамма и роторным. У каждого из них свои конструкционные особенности.

Альфа-двигатель Стирлинга

У Альфа два цилиндра, один из которых оснащен охлаждающим радиатором, а в нижней его части осуществляется нагрев. В рабочих камерах обоих цилиндров установлены поршни. Усилия от поршневой группы передаются на коленчатый вал, соединенный шарниром с поршнем и вытеснителем.

Гамма-двигатель Стирлинга

Конструкция Гамма-двигателя отличается наличием двух цилиндров: один из них с радиатором охлаждения, поршнем и вытеснителем подвергается нагреву и охлаждению, в то время как второй постоянно «прохлаждается».

У роторного ДС отсутствует КШМ, что уменьшает габариты силового агрегата. Благодаря такой конструкции значительно улучшается герметичность рабочей камеры.

Однако в начале ХХ века у ДС появились мощные конкуренты – двигатели внутреннего сгорания, надолго отправившие в «запас» своих предшественников за счет более высокого КПД.

Современные области применения двигателей Стирлинга

В наши дни ДС переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам. Напомним, концентрация вредных веществ в продуктах сгорания ДС на несколько порядков ниже, чем у поршневых и газотурбинных двигателей и, что не менее важно, минимальные шумы у них не превышают 60-65 дБ. Они незаменимы там, где необходимо преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Одно из перспективных направлений современной энергетики – децентрализация энергоснабжения, которое реализуется путем строительства когенерационных установок, производящих из первичного источника топлива два или несколько видов полезной энергии.

Когенерационная установка

Использование ДС в когенерационных установках позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы. КПД некоторых современных стирлинг-генераторов доходит до 95 %.

Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.

Тепловой насос на базе ТС

ДС могут работать, как холодильные установки. Некоторые компании-производители холодильников уже готовы устанавливать на свои изделия ДС, что сделает их более экономичными, а рабочим телом станет обычный воздух.

Подводная лодка класса Никкен

Малошумность ДС еще в 60-е годы привлекла внимание разработчиков подводных лодок в ряде стран. В результате в 1988 году шведская субмарина класса «Никкен» была оснащена воздухонезависимыми ДС, с которыми она проплавала свыше 10000 часов. Примеру Швеции последовала Япония, где новейшие подводные лодки класса «Сорю» были оснащены четырьмя ДС VA-275R, каждая мощностью по 8000 л. с.

Солнечная электростанция с ДС

ДС найдет свое применение и в солнечной энергетике, где его устанавливают в фокус параболического зеркала, обеспечивающего постоянную «подсветку» зоны нагрева. Содержание

• История
• Устройство
• Плюсы и минусы
• Типы
• Перспективы

Понравился пост? Есть что сказать? Присоединяйтесь: Поделиться
Вконтакте Поделиться
в Фейсбуке

Источник

Схема двигателя стирлинга своими руками.

Как самостоятельно изготовить двигатель Стирлинга

Можно, конечно купить красивые заводские модели двигателей Стирлинга, как например, в этом китайском интернет-магазине. Однако, иногда хочется творить самому и сделать вещь, пусть даже из подручных средств. На нашем сайте уже есть несколько вариантов изготовления данных моторов, а в этой публикации ознакомьтесь с совсем простым вариантом изготовления в домашних условиях.

Для его изготовления вам понадобятся подручные материалы: банка из под консервов, небольшой кусок поролона, CD-диск, два болтика и скрепки.

Поролон – одни из самых распространенных материалов, которые используются при изготовлении моторов Стирлинга. Из него делается вытеснитель двигателя. Из куска нашего поролона вырезаем круг, диаметр его делаем на два миллиметров меньше внутреннего диаметра банки, а высоту немного больше ее половины.

В центре крышки просверливаем отверстие, в которое вставим потом шатун. Для ровного хода шатуна делаем из скрепки спиральку и припаиваем ее к крышке.

Поролоновый круг из поролона пронизываем посередине винтиком и застопориваем его шайбой сверху и снизу шайбой и гайкой. После этого присоединяем путем пайки отрезок скрепки, предварительно распрямив ее.

Теперь втыкаем вытеснитель в сделанное заранее отверстие в крышке и герметично пайкой соединяем крышку и банку. На конце скрепки делаем небольшую петельку, а в крышке просверливаем еще одно отверстие, но чуть-чуть больше, чем первое.

Из жести делаем цилиндр, используя пайку.

Присоединяем с помощью паяльника готовый цилиндр к банке, так, чтобы не осталось щелей в месте пайки.

Из скрепки изготавливаем коленвал. Разнос колен нужно сделать в 90 градусов. Колено, которое будет над цилиндром по высоте на 1-2 мм больше другого.

Из скрепок изготавливаем стойки под вал. Делаем мембрану. Для этого на цилиндр надеваем полиэтиленовую пленку, немного продавливаем ее внутрь и закрепляем на цилиндре ниткой.

Шатун который нужно будет приделать к мембране, изготавливаем из скрепки и вставляем его в обрезок резины. По длине шатун нужно сделать таким, чтобы в нижней мертвой точке вала мембрана была втянута внутрь цилиндра, а в высшей – напротив – вытянута. Второй шатун настраиваем так же.

Шатун с резиной приклеиваем к мембране, а другой присоединяем к вытеснителю.

Присоединяем паяльником ножки из скрепок к банке и на кривошип пристраиваем маховик. Например, можно использовать СД-диск.

Двигатель Стирлинга в домашних условиях сделан. Теперь осталось под банку подвести тепло – зажечь свечку. А через несколько секунд дать толчок маховику.

Как сделать простой двигатель Стирлинга (с фотографиями и видео)

www.newphysicist.com

Давайте сделаем двигатель Стирлинга.

Мотор Стирлинга – это тепловой двигатель, который работает за счет циклического сжатия и расширения воздуха или другого газа (рабочего тела) при различных температурах, так что происходит чистое преобразование тепловой энергии в механическую работу. Более конкретно, двигатель Стирлинга представляет собой двигатель с рекуперативным тепловым двигателем с замкнутым циклом с постоянно газообразным рабочим телом.

Двигатели Стирлинга имеют более высокий КПД по сравнению с паровыми двигателями и могут достигать 50% эффективности. Они также способны бесшумно работать и могут использовать практически любой источник тепла. Источник тепловой энергии генерируется вне двигателя Стирлинга, а не путем внутреннего сгорания, как в случае двигателей с циклом Отто или дизельным циклом.

Двигатели Стирлинга совместимы с альтернативными и возобновляемыми источниками энергии, поскольку они могут становиться все более значительными по мере роста цен на традиционные виды топлива, а также в свете таких проблем, как истощение запасов нефти и изменение климата.

В этом проекте мы дадим вам простые инструкции по созданию очень простого двигателя DIY Стирлинга с использованием пробирки и шприца .

Как сделать простой движок Стирлинга – Видео

Компоненты и шаги, чтобы сделать моторчик Стирлинга

1. Кусок лиственных пород или фанеры

Это основа для вашего двигателя. Таким образом, он должен быть достаточно жестким, чтобы справляться с движениями двигателя. Затем сделайте три маленьких отверстия, как показано на рисунке. Вы также можете использовать фанеру, дерево и т.д.

2. Мраморные или стеклянные шарики

В двигателе Стирлинга эти шарики выполняют важную функцию. В этом проекте мрамор действует как вытеснитель горячего воздуха от теплой стороны пробирки к холодной стороне. Когда мрамор вытесняет горячий воздух, он остывает.

3. Палки и винты

Шпильки и винты используются для удержания пробирки в удобном положении для свободного перемещения в любом направлении без каких-либо перерывов.

4. Резиновые кусочки

Купите ластик и нарежьте его на следующие формы. Он используется для того, чтобы надежно удерживать пробирку и поддерживать ее герметичность. Не должно быть утечек в ротовой части пробирки. Если это так, проект не будет успешным.

5. Шприц

Шприц является одной из самых важных и движущихся частей в простом двигателе Стирлинга. Добавьте немного смазки внутрь шприца, чтобы поршень мог свободно перемещаться внутри цилиндра. Когда воздух расширяется внутри пробирки, он толкает поршень вниз. В результате цилиндр шприца перемещается вверх. В то же время мрамор катится к горячей стороне пробирки и вытесняет горячий воздух и заставляет его остывать (уменьшать объем).

6. Пробирка Пробирка является наиболее важным и рабочим компонентом простого двигателя Стирлинга. Пробирка изготовлена ​​из стекла определенного типа (например, из боросиликатного стекла), обладающего высокой термостойкостью. Так что его можно нагревать до высоких температур.

Как работает двигатель Стирлинга?

Некоторые люди говорят, что двигатели Стирлинга просты. Если это правда, то так же, как и великие уравнения физики (например, E = mc2), они просты: на поверхности они просты, но богаче, сложнее и потенциально очень запутаны, пока вы их не осознаете. Я думаю, что безопаснее думать о двигателях Стирлинга как о сложных: многие очень плохие видео на YouTube показывают, как легко «объяснить» их очень неполным и неудовлетворительным образом.

На мой взгляд, вы не можете понять двигатель Стирлинга, просто создав его или наблюдая за тем, как он работает извне: вам нужно серьезно подумать о цикле шагов, через которые он проходит, что происходит с газом внутри, и как это отличается из того, что происходит в обычном паровом двигателе.

Все, что требуется для работы двигателя, – это наличие разницы температур между горячей и холодной частями газовой камеры. Были построены модели, которые могут работать только с разницей температуры 4 ° C, хотя заводские двигатели, вероятно, будут работать с разницей в несколько сотен градусов. Эти двигатели могут стать наиболее эффективной формой двигателя внутреннего сгорания.

Двигатели Стирлинга и концентрированная солнечная энергия

Двигатели Стирлинга обеспечивают аккуратный метод преобразования тепловой энергии в движение, которое может привести в движение генератор. Наиболее распространенная схема состоит в том, чтобы двигатель был в центре параболического зеркала. Зеркало будет установлено на устройство слежения, чтобы солнечные лучи фокусировались на двигателе.

* Двигатель Стирлинга как приемник

Возможно, вы играли с выпуклыми линзами в школьные годы. Сосредоточение солнечной энергии для сжигания листа бумаги или спички, я прав? Новые технологии развиваются день ото дня. Концентрированная солнечная тепловая энергия приобретает все большее внимание в эти дни.

Выше приведен короткий видеофильм о простом двигателе с пробиркой, использующим стеклянные шарики в качестве вытеснителя и стеклянный шприц в качестве силового поршня.

Этот простой двигатель Стирлинга был построен из материалов, которые доступны в большинстве школьных научных лабораторий и может быть использован для демонстрации простого теплового двигателя.

Диаграмма давление-объем за цикл

Процесс 1 → 2 Расширение рабочего газа на горячем конце пробирки, тепло передается газу, и газ расширяется, увеличивая объем и толкая поршень шприца вверх.

Процесс 2 → 3 По мере движения мрамора к горячему концу пробирки газ вытесняется из горячего конца пробирки на холодный конец, а по мере движения газа он отдает тепло стенке пробирки.

Процесс 3 → 4 Из рабочего газа отводится тепло, и объем уменьшается, поршень шприца движется вниз.

Процесс 4 → 1 Завершает цикл. Рабочий газ движется от холодного конца пробирки к горячему концу, поскольку мраморные шары вытесняют ее, получая тепло от стенки пробирки, когда она движется, тем самым увеличивая давление газа.

В которой рабочее тело (газообразное или жидкое) двигается в замкнутом объёме, по сути это разновидность двигателя внешнего сгорания. Этот механизм основан на принципе периодического нагрева и охлаждения рабочего тела. Извлечение энергии происходит из возникающего объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга работает не только от энергии сгорающего топлива, но и от практически любого источника Запатентован этот механизм шотландцем Робертом Стирлингом в 1816 году.

Описанный механизм, несмотря на невысокий КПД, имеет ряд преимуществ, в первую очередь это простота и неприхотливость. Благодаря этому многие конструкторы-любители совершают попытки собрать двигатель Стирлинга своими руками. Некоторым это удается, а некоторым нет.

В этой статье мы рассмотрим, Стирлинга своими руками из подручных материалов. Нам понадобятся следующие заготовки и инструменты: консервная банка (можно из-под шпрот), листовая жесть, канцелярские скрепки, поролон, резинка, пакет, кусачки, плоскогубцы, ножницы, паяльник,

Теперь приступим к сборке. Вот подробная инструкция к тому, как сделать двигатель Стирлинга своими руками. Сначала необходимо вымыть банку, зачистить наждачной бумагой края. Вырезаем из листовой жести круг таким образом, чтобы он лег на внутренние края банки. Определяем центр (для этого воспользуемся штангенциркулем или линейкой), делаем ножницами отверстие. Далее берем медную проволоку и канцелярскую скрепку, выпрямляем скрепку, на конце делаем кольцо. Наматываем на скрепку проволоку — четыре плотных витка. Далее паяльником пролудим полученную спираль небольшим количеством припоя. Потом необходимо аккуратно спираль припаять к отверстию в крышке таким образом, чтобы шток получился перпендикулярным крышке. Скрепка должна двигаться свободно.

После этого необходимо сделать в крышке сообщающееся отверстие. Из поролона делаем вытеснитель. Его диаметр должен быть немного меньше диаметра банки, но при этом не должно быть большого зазора. Высота вытеснителя — немногим больше половины банки. Вырезаем в поролоне по центру отверстие для втулки, последнюю можно изготовить из резины или пробки. Вставляем в полученную втулку шток и все заклеиваем. Вытеснитель необходимо размещать параллельно крышке, это важное условие. Далее остается закрыть банку и запаять края. Шов должен быть герметичным. Теперь приступаем к изготовлению рабочего цилиндра. Для этого вырезаем из жести полосу длиной 60 мм и шириной 25 мм, загибаем плоскогубцами край на 2 мм. Формируем гильзу, после этого спаиваем край, далее необходимо припаять гильзу к крышке (над отверстием).

Теперь можно приступить к изготовлению мембраны. Для этого отрезаем от пакета кусок пленки, немного продавливаем его пальцем внутрь, резинкой прижимаем края. Далее необходимо проверить правильность сборки. Нагреваем на огне дно банки, тянем за шток. В результате мембрана должна выгибаться наружу, а если шток отпустить, вытеснитель под собственным весом должен опуститься, соответственно, мембрана возвращается на место. В том случае, если вытеснитель сделан неправильно или пайка банки не герметична, шток не вернется на место. После этого делаем коленвал и стойки (разнос кривошипов должен составить 90 градусов). Высота кривошипов должна составлять 7 мм, а вытеснителей 5 мм. Длина шатунов определена положением коленвала. Конец кривошипа вставляется в пробку. Вот мы и рассмотрели, как собрать двигатель Стирлинга своими руками.

Такой механизм будет работать от обычной свечки. Если прикрепить к маховику магниты и взять катушку аквариумного компрессора, то такое устройство способно заменить простой электродвигатель. Своими руками, как вы видите, сделать такой прибор совсем не сложно. Было бы желание.

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

История

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

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

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

Принцип работы

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

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

Материалы для работы

Чтобы сделать двигатель Стирлинга своими руками, понадобятся следующие материалы:

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

Это все. Остальное — дело нехитрой техники.

Как сделать

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Второй способ: материалы

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

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

Как сделать

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение

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

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

Современное автомобилестроение вышло на такой уровень развития, при котором без фундаментальных научных исследований практически невозможно достигнуть кардинальных улучшений в конструкции традиционных моторов внутреннего сгорания. Такая ситуация вынуждает конструкторов обратить внимание на альтернативные проекты силовых установок . Одни инженерные центры сосредоточили свои силы на создании и адаптации к серийному выпуску гибридных и электрических моделей, другие автоконцерны вкладывают средства в разработку двигателей на топливе из возобновляемых источников (например, биодизель на рапсовом масле). Существуют и другие проекты силовых агрегатов, которые в перспективе могут стать новым стандартным движителем для транспортных средств.

Среди возможных источников механической энергии для автомобилей будущего следует назвать двигатель внешнего сгорания, который был изобретен в середине XIX века шотландцем Робертом Стирлингом в качестве тепловой расширительной машины.

Схема работы

Двигатель Стирлинга преобразует тепловую энергию, подводимую извне, в полезную механическую работу за счет изменения температуры рабочего тела (газа или жидкости), циркулирующего в замкнутом объеме.

В общем виде схема работы устройства выглядит следующим образом: в нижней части двигателя рабочее вещество (например, воздух) нагревается и, увеличиваясь в объеме, выталкивает поршень вверх. Горячий воздух проникает в верхнюю часть мотора, где охлаждается радиатором. Давление рабочего тела снижается, поршень опускается для следующего цикла. При этом система герметична и рабочее вещество не расходуется, а только перемещается внутри цилиндра.

Существует несколько вариантов конструкции силовых агрегатов, использующих принцип Стирлинга.

Стирлинг модификации «Альфа»

Двигатель состоит из двух раздельных силовых поршней (горячего и холодного), каждый из которых находится в своем цилиндре. К цилиндру с горячим поршнем подводится тепло, а холодный цилиндр расположен в охлаждающем теплообменнике.

Стирлинг модификации «Бета»

Цилиндр, в котором находится поршень, нагревается с одной стороны и охлаждается с противоположного конца. В цилиндре двигается силовой поршень и вытеснитель, предназначенный для изменения объема рабочего газа. Обратное перемещение остывшего рабочего вещества в горячую полость двигателя выполняет регенератор.

Стирлинг модификации «Гамма»

Конструкция состоит из двух цилиндров. Первый — полностью холодный, в котором движется силовой поршень, а второй, горячий с одной стороны и холодный с другой, служит для перемещения вытеснителя. Регенератор для циркуляции холодного газа может быть общим для обоих цилиндров или входить в конструкцию вытеснителя.

Преимущества двигателя Стирлинга

Как и большинство моторов внешнего сгорания, Стирлингу присуща многотопливность : двигатель работает от перепада температуры, независимо от причин его вызвавших.

Интересный факт! Однажды была продемонстрирована установка, которая функционировала на двадцати вариантах топлива. Без остановки двигателя во внешнюю камеру сгорания подавались бензин, дизельное топливо, метан, сырая нефть и растительное масло — силовой агрегат продолжал устойчиво работать.

Двигатель обладает простотой конструкции и не требует дополнительных систем и навесного оборудования (ГРМ, стартер, коробка передач).

Особенности устройства гарантируют длительный эксплуатационный ресурс: более ста тысяч часов непрерывной работы.

Двигатель Стирлинга бесшумен , так как в цилиндрах не происходит детонация и отсутствует необходимость вывода отработанных газов. Модификация «Бета», оснащенная ромбическим кривошипно-шатунным механизмом, является идеально сбалансированной системой, которая в процессе работы не имеет вибраций.

В цилиндрах двигателя не происходят процессы, которые могут оказать негативное воздействие на окружающую среду. При выборе подходящего источника тепла (например, солнечная энергия) Стирлинг может быть абсолютно экологически чистым силовым агрегатом.

Недостатки конструкции Стирлинга

При всем наборе положительных свойств немедленное массовое применение двигателей Стирлинга невозможно по следующим причинам:

Основная проблема заключается в материалоемкости конструкции. Охлаждение рабочего тела требует наличия радиаторов большого объема, что существенно увеличивает размеры и металлоемкость изготовления установки.

Нынешний технологический уровень позволит двигателю Стирлинга сравниться по характеристикам с современными бензиновыми моторами только за счет применения сложных видов рабочего тела (гелий или водород), находящихся под давлением более ста атмосфер. Этот факт вызывает серьезные вопросы как в области материаловедения, так и обеспечения безопасности пользователей.

Немаловажная эксплуатационная проблема связана с вопросами теплопроводности и температурной стойкости металлов. Тепло подводится к рабочему объему через теплообменники, что приводит к неизбежным потерям. Кроме того, теплообменник должен быть изготовлен из термостойких металлов, устойчивых к высокому давлению. Подходящие материалы очень дороги и сложны в обработке.

Принципы изменения режимов двигателя Стирлинга также кардинально отличаются от традиционных, что требует разработки специальных управляющих устройств. Так, для изменения мощности необходимо изменить давление в цилиндрах, угол фаз между вытеснителем и силовым поршнем или повлиять на емкость полости с рабочим телом.

Один из способов управления скоростью вращения вала на модели двигателя Стирлинга можно увидеть на следующем видео:

Коэффициент полезного действия

В теоретических расчетах эффективность двигателя Стирлинга зависит от разницы температур рабочего тела и может достигать 70% и более в соответствии с циклом Карно.

Однако первые реализованные в металле образцы обладали крайне невысоким КПД по следующим причинам:

• неэффективные варианты теплоносителя (рабочего тела), ограничивающие максимальную температуру нагрева;
• потери энергии на трение деталей и теплопроводность корпуса двигателя;
• отсутствие конструкционных материалов, устойчивых к высокому давлению.

Инженерные решения постоянно совершенствовали устройство силового агрегата. Так, во второй половине XX века четырехцилиндровый автомобильный двигатель Стирлинга с ромбическим приводом показал на испытаниях КПД равный 35% на водном теплоносителе с температурой 55 °C.Тщательная проработка конструкции, применение новых материалов и доводка рабочих узлов обеспечили КПД экспериментальных образцов в 39%.

Примечание! Современные бензиновые двигатели аналогичной мощности обладают коэффициентом полезного действия на уровне 28-30%, а турбированные дизели в пределах 32-35%.

Современные образцы двигателя Стирлинга, такие как созданный американской компанией Mechanical Technology Inc, демонстрируют эффективность до 43,5%. А с освоением выпуска жаропрочной керамики и аналогичных инновационных материалов появится возможность значительного повышения температуры рабочей среды и достижения КПД в 60%.

Примеры успешной реализации автомобильных Стирлингов

Несмотря на все сложности, известно немало работоспособных моделей двигателя Стирлинга, применимых для автомобилестроения.

Заинтересованность в Стирлинге, подходящем для установки в автомобиль, появилась в 50-е годы XX века. Работу в данном направлении вели такие концерны, как Ford Motor Company, Volkswagen Group и другие.

Компания UNITED STIRLING (Швеция) разработала Стирлинг, в котором максимально использовались серийные узлы и агрегаты, выпускаемые автопроизводителями (коленчатый вал, шатуны). Получившийся в результате четырехцилиндровый V-образный мотор обладал удельной массой 2,4 кг/кВт, что сравнимо с характеристиками компактного дизеля. Данный агрегат был успешно опробован в качестве силовой установки семитонного грузового фургона.

Одним из успешных образцов является четырехцилиндровый двигатель Стирлинга нидерландского производства модели «Philips 4-125DA», предназначавшийся для установки на легковой автомобиль. Мотор имел рабочую мощность 173 л. с. в размерах, аналогичных классическому бензиновому агрегату.

Значительных результатов добились инженеры компании General Motors, построив в 70-х годах восьмицилиндровый (4 рабочих и 4 компрессионных цилиндра) V-образный двигатель Стирлинга со стандартным кривошипно-шатунным механизмом.

Аналогичной силовой установкой в1972 году оснащалась ограниченная серия автомобилей Ford Torino , расход топлива у которой снизился на 25% по сравнению с классической бензиновой V-образной восьмеркой.

В настоящее время более полусотни зарубежных компаний ведут работы по совершенствованию конструкции двигателя Стирлинга в целях его адаптации к массовому выпуску для нужд автомобилестроения. И если удастся устранить недостатки данного типа двигателей, в то же время сохранив его преимущества, то именно Стирлинг, а не турбины и электромоторы, придет на смену бензиновым ДВС.

Пояснение работы двигателя «Stirling».

Начинаем с разметки маховика.

Шесть отверстий не прошли. Получается не красивым.Отверстия маленькие и тело между ними тонкое.

За одно точим противовесы для коленвала. Подшипники запрессованы.В последствии подшипники выпрессованы и на их место нарезано резьба на М3.

Я фрезеровал но можно и напильником.

Это часть шатуна. Остальная часть припаивается ПСРом.

Работа развёрткой над уплотнительной шайбой.

Сверловка станины стирлинга. Отверстие которое связывает вытеснитель с рабочим цилиндром. Сверло на 4,8 под резьбу на М6. Потом её надо заглушить.

Сверловка гильзы рабочего цилиндра,под развёртку.

Сверловка под резьбу на М4.

Как это делалось.

Размеры даны с учётом переделанного.Было изготовлено две пары цилиндр-поршень,на10мм. и на15мм. Были опробованы оба.Если ставить цилиндр на 15мм. то ход поршня будет 11-12мм. и работает не акти. А вот10мм. с ходом на 24мм. самый раз.

Размеры шатунов.К ним припаивается латунная проволока Ф3мм.

Крепёжный узел шатуна.Вариант с подшипниками не прошёл. При затяжки шатуна,подшипник деформируется и создаёт дополнительное трение. Вместо подшипника сделал Al. втулку с болтом.

Размеры некоторых деталей.

Некоторые размеры по маховику.

Некоторые размеры как крепить на валу и сочлинения.

Между охладителем и жаровой камеры ставим асбестовую прокладку на 2-3мм. Желательно и под болты которые стягивают обе детали ставить прокладки паронитовые или что нибудь которое меньше проводит тепло.

Вытеснитель сердце стирлинга он должен быть лёгким и мало проводящим тепло. Шток взят с того же старого винчестера. Это одна из направляющих линейного двигателя.Очень подходит,калённая,хромированная. Для того чтоб нарезать резьбу обмотал середину промоченной тряпкой,и концы нагрел до красна.

Шатун с рабочим цилиндром. Длина общая 108мм. Из них 32мм это поршень диаметром 10мм.Поршень должен ходить в цилиндр легко,без ощутимых задиров.Для проверки закрываем плотно пальчиком снизу,а сверху вставляем поршень,он должен очень медленно отпускаться вниз.

Планировал так сделать но в процессе работы сделал изменения. Для того чтоб узнать ход рабочего цилиндра,отодвигаем вытеснитель в холодильную камеру,а рабочий цилиндр вытягиваем на 25мм.Нагреваем жаровую камеру.Окуратно под рабочим шатуном ложим линейку,и запоминаем данные. Резко заталкиваем вытеснитель,и на сколько рабочий цилиндр передвинется это и есть его ход.Этот размер играет очень важную роль.

Вид на рабочий цилиндр. Длина шатуна 83мм. Ход 24мм.Маховичок крепится к валу винтом М4. На фото видна его головка. И таким образом крепится и противовес шатуна вытеснителя.

Вид на шатун вытеснителя.Общая длина с вытеснителем 214мм. Длина шатуна 75мм. Ход 24мм. Обратите внимания на проточку U образной формы на маховик.Сделано для отбора мощности.Задумка была или генератор или через пасик на вентилятор охладителя.Пилон маховика имеет размеры 68х25х15. С верхней части фрезеровано с одной стороны на глубину 7мм.и длина 32мм.Центр подшипника снизу находится на 55мм. Крепится снизу двумя болтами на М4.Расстояние между центрами пилонов 126мм.

Вид на жаровую камеру и охладителя.Корпус двигателя запрессован в пилон.Размеры пилона 47х25х15 углубление под посадку 12мм.К доске снизу крепится двумя болтами на М4.

Лампада 40мм. в диаметре высота 35мм. Углублена в древку на 8мм. На дне по центру запаяна гайка на М4 и закреплена болтом снизу.

Готовый вид. Основание дуб 300х150х15мм.

Шильдик.

Долго искал рабочую схему. Находил но всегда было связанно с тем что или с оборудованием проблемы или с материалами.Решил сделать как арбалет. Посмотрев много вариантов и прикидывал что у меня есть в наличии и что я смогу сделать самому на своём оборудовании.Те размеры что я прикидывал сразу,при собранном аппарате мне не понравилось.Получился слишком широким. Пришлось станину цилиндров укоротить. А маховик ставить на одном подшипнике(на одном пилоне).Материалы маховик,шатуны,противовес,уплотнительная шайба,лампада и рабочий цилиндр бронза.Пилоны,рабочий поршень,станина цилиндров охладитель и шайба с резьбой от жаровой камеры алюминий. Вал маховика и шток вытеснителя сталь.Жаровая камера нержавейка.Вытеснитель графит. А что получилось ставлю на обозрение,вам судить.

Двигатель стирлинга гамма типа. У какого двигателя стирлинга лучшая конструкция с максимальным кпд

Вытеснил остальные виды силовых установок, однако, работы, направленные на отказ от использования этих агрегатов, наводят на мысль о скорой смене лидирующих позиций.

С начала технического прогресса, когда использование моторов, сжигающих горючее внутри, только начиналось, не было очевидным их превосходство. Паровая машина, как конкурент, содержит в себе массу преимуществ: наряду с тяговыми параметрами, бесшумная, всеядная, легко управляется и настраивается. Но лёгкость, надёжность и экономичность позволили двигателю внутреннего сгорания взять вверх над паром.

Сегодня во главе угла стоят вопросы экологии, экономичности и безопасности. Это заставляет инженеров бросать силы на серийные агрегаты, работающие за счёт возобновляемых источников топлива. В 16 году девятнадцатого века Роберт Стирлинг зарегистрировал двигатель, работающий от внешних источников тепла. Инженеры считают, что этот агрегат способен сменить современного лидера. Двигатель Стирлинга сочетает экономичность, надёжность, работает тихо, на любом топливе, это делает изделие игроком на автомобильном рынке.

Роберт Стирлинг (1790-1878 года жизни):

История двигателя Стирлинга

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

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

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

P*V=n*R*T

• P – сила действия газа в двигателе на единицу площади;
• V – количественная величина, занимаемая газом в пространстве двигателя;
• n – молярное количество газа в двигателе;
• R – постоянная газа;
• T – степень нагрева газа в двигателе К,

Модель двигателя Стирлинга:

За счёт неприхотливости установок, двигатели подразделяются: твердотопливные, жидкое горючее, солнечная энергия, химическая реакция и другие виды нагрева.

Цикл

Двигатель внешнего сгорания Стирлинга, использует одноимённую совокупность явлений. Эффект от протекающего действия в механизме высок. Благодаря этому есть возможность сконструировать двигатель с неплохими характеристиками в рамках нормальных габаритов.

Необходимо учитывать, что в конструкции механизма предусмотрен нагреватель, холодильник и регенератор, устройство, отвода тепла от вещества и возвращения тепла, в нужный момент.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «температура-объём»):

Идеальные круговые явления:

• 1-2 Изменение линейных размеров вещества с постоянной температурой;
• 2-3 Отвод теплоты от вещества к теплообменнику, пространство, занимаемое веществом постоянно;
• 3-4 Принудительное сокращение пространства, занимаемого веществом, температура постоянна, тепло отводится охладителю;
• 4-1 Принудительное увеличение температуры вещества, занимаемое пространство постоянно, тепло подводится от теплообменника.

Идеальный цикл Стирлинга, (диаграмма «давление-объём»):

Из расчёта (моль) вещества:

Подводимое тепло:

Получаемое охладителем тепло:

Теплообменник получает тепло (процесс 2-3), теплообменник отдаёт тепло (процесс 4-1):

R – Универсальная постоянная газа;

СV – способность идеального газа удерживать тепло при неизменной величине занимаемого пространства.

За счёт применения регенератора, часть теплоты остается, в качестве энергии механизма, не меняющейся за проходящие круговые явления. Холодильник получает меньше тепла, таким образом, теплообменник экономит тепло нагревателя. Это увеличивает эффективность установки.

КПД кругового явления:

ɳ =

Примечательно, что без теплообменника совокупность процессов Стирлинга осуществима, но его эффективность будет значительно ниже. Прохождение совокупности процессов задом наперёд ведёт к описанию охлаждающего механизма. В этом случае наличие регенератора, обязательное условие, поскольку при прохождении (3-2) невозможно нагреть вещество от охладителя, температура которого значительно ниже. Так же невозможно отдать тепло нагревателю (1-4), температура которого выше.

Принцип работы двигателя

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

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

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

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

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

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

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

Виды двигателей

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

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

• Двигатель «β – Стирлинг»:

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

• Двигатель «γ – Стирлинг»:

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

Некоторые силовые установки не похожи на основные виды двигателей:

• Роторный двигатель Стирлинга.

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

• Термоакустический двигатель Стирлинга.

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

Двигатель Стирлинга своими руками

Сегодня довольно часто в интернет магазине можно встретить сувенирную продукцию, выполненную в виде рассматриваемого двигателя. Конструктивно и технологично механизмы довольно просты, при желании двигатель Стирлинга легко сконструировать своими руками из подручных средств. В интернете можно найти большое количество материалов: видео, чертежи, расчёты и прочая информация на эту тему.

Низкотемпературный двигатель Стирлинга:

• Рассмотрим самый простой вариант волнового двигателя, для выполнения которого понадобится консервная банка, мягкая полиуретановая пена, диск, болты и канцелярские скрепки. Все эти материалы легко найти дома, осталось выполнение следующих действий:
• Возьмите мягкую полиуретановую пену, вырежьте на два миллиметра меньшим диаметром от внутреннего диаметра консервной банки круг. Высота пены на два миллиметра больше половины высоты банки. Поролон играет роль вытеснителя в двигателе;
• Возьмите крышку банки, в средине проделайте дырку, диаметр два миллиметра. Припаяйте к отверстию полый шток, который будет выполнять, роль направляющей для шатуна двигателя;
• Возьмите круг, вырезанный из пены, вставьте в средину круга винтик и застопорите с двух сторон. К шайбе припаяйте предварительно выпрямленную скрепку;
• В двух сантиметрах от центра просверлите дырочку, диаметром три миллиметра, проденьте вытеснитель через центральное отверстие крышки, припаяйте крышку к банке;
• Сделайте из жести небольшой цилиндр, диаметром полтора сантиметра, припаяйте его к крышке банки таким образом, что бы боковое отверстие крышки оказалось чётко по центру внутри цилиндра двигателя;
• Сделайте коленчатый вал двигателя из скрепки. Расчёт выполняется таким образом, что бы разнос колен был 90°;
• Изготовьте стойку под коленчатый вал двигателя. Из полиэтиленовой плёнки сделайте упругую перепонку, наденьте плёнку на цилиндр, продавите её, зафиксируйте;

• Самостоятельно изготовьте шатун двигателя, один конец выпрямленного изделия выгнете в форме кружка, второй конец вставьте в кусочек ластика. Длина подгоняется таким образом, что бы в крайней нижней точке вала перепонка была втянута, в крайней верхней точке, перепонка максимально вытянута. Настройте другой шатун по такому же принципу;
• Шатун двигателя с резиновым наконечником приклейте к перепонке. Шатун без резинового наконечника закрепите на вытеснителе;
• Наденьте на кривошипный механизм двигателя маховик из диска. К банке приделайте ножки, чтобы не держать изделие в руках. Высота ножек позволяет разместить под банкой свечку.

После того, как удалось сделать двигатель Стирлинга дома, мотор запускают. Для этого под банку помещают зажженную свечку, а после того, как банка прогрелась, дают толчок маховику.

Рассмотренный вариант установки можно быстро собрать у себя дома, как наглядное пособие. Если задаться целью и желанием сделать двигатель Стирлинга максимально приближённый к заводским аналогам, в свободном доступе есть чертежи всех деталей. Пошаговое выполнение каждого узла позволит создать работающий макет ни чем не хуже коммерческих версий.

Преимущества

Для двигателя Стирлинга характерны такие плюсы:

• Для работы двигателя необходим температурный перепад, какое топливо вызывает нагрев не важно;
• Нет необходимости использовать навесное и вспомогательное оборудование, конструкция двигателя простая и надёжная;
• Ресурс двигателя, благодаря особенностям конструкции, составляет 100000 часов работы;
• Работа двигателя не создаёт постороннего шума, поскольку отсутствует детонация;
• Процесс работы двигателя не сопровождается выбросом отработанных веществ;
• Работа двигателя сопровождается минимальной вибрацией;
• Процессы в цилиндрах установки экологически безвредны. Использование правильного источника тепла позволяет сделать двигатель «чистым».

Недостатки

К недостаткам двигателя Стирлинга относятся:

• Трудно наладить серийное производство, поскольку конструктивно двигатель требует использования большого количества материалов;
• Высокий вес и большие габариты двигателя, поскольку для эффективного охлаждения надо применять большой радиатор;
• Для повышения эффективности двигатель форсируют, применяя в качестве рабочего тела сложные вещества (водород, гелий), что делает эксплуатацию агрегата опасным;
• Высокотемпературная стойкость стальных сплавов и их теплопроводность усложняет процесс изготовления двигателя. Значительные потери тепла в теплообменнике снижают эффективность агрегата, а применение специфических материалов делают изготовление двигателя дорогим;
• Для регулировки и перехода двигателя с режима на режим надо применять специальные устройства управления.

Использование

Двигатель Стирлинга нашел свою нишу и активно применяется там, где габариты и всеядность важный критерий:

• Двигатель Стирлинг-электрогенератор.

Механизм преобразования тепла в электрическую энергию. Часто встречаются изделия, используемые в качестве портативных туристических генераторов, установки по использованию солнечной энергии.

• Двигатель, как насос (электрика).

Двигатель применяют для установки в контур отопительных систем, экономя на электрической энергии.

• Двигатель, как насос (обогреватель).

В странах с тёплым климатом двигатель используют как обогреватель для помещений.

Двигатель Стирлинга на подводной лодке:

• Двигатель, как насос (охладитель).

Практически все холодильники в своей конструкции применяют тепловые насосы, устанавливая двигатель Стирлинга, экономятся ресурсы.

• Двигатель, как насос, создающий сверхнизкие степени нагрева.

Устройство применяют в качестве холодильника. Для этого процесс запускают в обратную сторону. Агрегаты сжижают газ, охлаждают измерительные элементы в точных механизмах.

• Двигатель для подводной техники.

Подводные корабли Швеции и Японии работают благодаря двигателю.

Двигатель Стирлинга в качестве солнечной установки:

• Двигатель, как аккумулятор энергии.

Топливо в таких агрегатах, расплавы соли, двигатель применяют, как источник энергии. Мотор по запасу энергии опережает химические элементы.

• Солнечный двигатель.

Преобразуют энергию солнца в электричество. Вещество в данном случае, водород или гелий. Двигатель ставится в фокусе максимальной концентрации энергии солнца, созданного при помощи параболической антенны.

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.

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

При движении вытеснителя в бета-конфигурации изменение состояния рабочего тела происходит не по изохоре, а по наклонной линии, промежуточной между изохорой и изобарой. При некотором отношении диаметра штока к общему диаметру вытеснителя можно получить изобару (это отношение зависит от рабочих температур). В этом случае поршень, который ранее был рабочим, играет лишь вспомогательную роль, а настоящим рабочим становится шток вытеснителя. Удельная мощность такого двигателя оказывается примерно в 2 раза большей, чем в привычных стирлингах, ниже потери на трение, т. к. давление на поршень более равномерно. Схожая картина в альфа-стирлингах с разным диаметром поршней. Двигатель с промежуточной диаграммой может иметь нагрузку, равномерно распределённую между поршнями, т. е. между рабочим поршнем и штоком вытеснителя.

Важным преимуществом работы двигателя по циклу Эрикссона или близкому к нему является то, что изохора заменена на изобару или близкий к ней процесс. При расширении рабочего тела по изобаре не происходит никаких изменений давления, никакого теплообмена, кроме передачи тепла от рекуператора рабочему телу. И этот нагрев тут же совершает полезную работу При изобарном сжатии происходит отдача тепла рекуператору.
В цикле Стирлинга при нагреве или охлаждении рабочего тела по изохоре происходят потери тепла, связанные с изотермическими процессами в нагревателе и охладителе.

Конфигурация

Инженеры подразделяют двигатели Стирлинга на три различных типа:

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

Регенератор находится между горячей частью соединительной трубки и холодной.

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

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

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

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

Недостатки

• Материалоёмкость — основной недостаток двигателя. У двигателей внешнего сгорания вообще, и двигателя Стирлинга в частности, рабочее тело необходимо охлаждать, и это приводит к существенному увеличению массо-габаритных показателей силовой установки за счёт увеличенных радиаторов.

• Для получения характеристик, сравнимых с характеристиками ДВС, приходится применять высокие давления (свыше 100 атм) и специальные виды рабочего тела — водород, гелий.

• Тепло не подводится к рабочему телу непосредственно , а только через стенки теплообменников. Стенки имеют ограниченную теплопроводность, из-за чего КПД оказывается ниже, чем можно было ожидать. Горячий теплобменник работает в очень напряжённых условиях теплопередачи, и при очень высоких давлениях, что требует применения высококачественных и дорогих материалов. Создание теплообменника, который удовлетворял бы противоречивым требованиям, весьма трудно. Чем выше площадь теплообмена, тем меньше потери тепла. При этом растёт размер теплообменника и объём рабочего тела, не участвующий в работе. Поскольку источник тепла расположен снаружи, двигатель медленно реагирует на изменение теплового потока, подводимого к цилиндру, и не сразу может выдать нужную мощность при запуске.

• Для быстрого изменения мощности двигателя используются методы, отличные от тех, которые применялись в двигателях внутреннего сгорания: буферная ёмкость изменяемого объёма, изменение среднего давления рабочего тела в камерах, изменение фазного угла между рабочим поршнем и вытеснителем. В последнем случае реакция двигателя на управляющее действие водителя является практически мгновенной.

Преимущества

Тем не менее, двигатель Стирлинга имеет преимущества, которые вынуждают заниматься его разработкой.

• «Всеядность» двигателя — как все двигатели внешнего сгорания (вернее — внешнего подвода тепла), двигатель Стирлинга может работать от почти любого перепада температур: например, между разными слоями воды в океане, от солнца, от ядерного или изотопного нагревателя, угольной или дровяной печи и т. д.
• Простота конструкции — конструкция двигателя очень проста, он не требует дополнительных систем, таких как газораспределительный механизм. Он запускается самостоятельно и не нуждается в стартере. Его характеристики позволяют избавиться от коробки передач. Однако, как уже отмечалось выше, он обладает большей материалоёмкостью.
• Увеличенный ресурс — простота конструкции, отсутствие многих «нежных» агрегатов позволяет стирлингу обеспечить небывалый для других двигателей ресурс в десятки и сотни тысяч часов непрерывной работы.
• Экономичность — в случае преобразования в электричество солнечной энергии стирлинги иногда дают больший КПД (до 31,25 %), чем тепловые машины на пару.
• Бесшумность двигателя — стирлинг не имеет выхлопа, а значит — не шумит. Бета-стирлинг с ромбическим механизмом является идеально сбалансированным устройством и, при достаточно высоком качестве изготовления, даже не имеет вибраций (амплитуда вибрации меньше 0,0038 мм).
• Экологичность — сам по себе стирлинг не имеет каких-то частей или процессов, которые могут способствовать загрязнению окружающей среды. Он не расходует рабочее тело. Экологичность двигателя обусловлена прежде всего экологичностью источника тепла. Стоит также отметить, что обеспечить полноту сгорания топлива в двигателе внешнего сгорания проще, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Применение

Двигатель Стирлинга с линейным генератором переменного тока

Двигатель Стирлинга применим в случаях, когда необходим компактный преобразователь тепловой энергии, простой по устройству, либо когда эффективность других тепловых двигателей оказывается ниже: например, если разницы температур недостаточно для работы паровой или газовой турбины.

Термоакустика – раздел физики о взаимном преобразовании тепловой и акустической энергии. Он образовался на стыке термодинамики и акустики. Отсюда такое название. Наука эта очень молодая. Как самостоятельная дисциплина она возникла в конце 70-х годов прошлого века, когда швейцарец Никалаус Ротт закончил работу над математическими основами линейной термоакустики. И всё же она возникла не на пустом месте. Её возникновению предществовали открытия интересных эффектов, которые мы просто обязаны рассмотреть.

С ЧЕГО ЭТО НАЧИНАЛОСЬ
Термоакустика имеет длинную историю, которая берёт своё начало более двух веков назад.

Первые официальные записи о колебаниях, порождаемых теплом, сделаны Хиггинсом в 1777 г. Он экспериментировал с открытой стеклянной трубкой, в которой акустические колебания возбуждались с помощью водородной горелки, расположенной определённым образом. Этот опыт вошёл в историю, как «поющее пламя Хиггинса».

Рисунок 1. Поющее пламя Хиггинса

Однако, современным физикам более известен другой эксперимент, получивший название «трубка Рийке». В процессе своих опытов Рийке создал новый музыкальный инструмент из органной трубки. Он заменил водородное пламя Хиггинса на подогреваемый проволочный экран и экспериментально показал, что самый сильный звук рождается в том случае, когда экран расположен на расстоянии четверти трубки от её нижнего конца. Колебания прекращались, если накрыть верхний конец трубки. Это доказывало, что для получения звука необходима продольная конвективная тяга. Работы Хиггинса и Рийке позже послужили основой для зарождения науки о горении, которая сегодня применяется везде, где используется это явление от

Рисунок 2. Трубка Рийке.

горения пороховых шашек до ракетных двигателей. Явлениям, протекающим в трубке Рийке посвящены тысячи диссертаций во всём мире, но интерес к этому устройству не ослабевает до сих пор.

В 1850 г. Сондхаусс обратился к странному явлению, которое наблюдают в своей работе стеклодувы. Когда шарообразное утолщение из горячего стекла гонит воздух в холодный конец трубки стеклодува, генерируется чистый звук. Анализируя явление, Сондхаусс обнаружил, что звук генерируется, если нагревать шарообразное утолщение на конце трубки. При этом звук изменяется с изменением длины трубки. В отличие от трубки Рийке трубка Сондхаусса не зависела от конвективной тяги.

Рисунок 3. Трубка Сондхаусса.

Похожий эксперимент позже осуществил Таконис. В отличие от Сондхаусса он не подогревал конец трубки, а охлаждал его криогенной жидкостью. Это доказывало, что для генерации звука важен не подогрев, а перепад температур.
Первый качественный анализ колебаний, вызванных теплом, был дан в 1887 г. Лордом Рэлеем. Сформулированное Рэлеем объяснение перечисленных выше явлений сегодня известно термоакустикам как принцип Рэлея. Он звучит примерно так: «Если газу передать тепло в момент наибольшего сжатия или отобрать тепло в момент наибольшего разряжения, то это стимулирует колебания. » Несмотря на свою простоту, эта формулировка полностью описывает прямой термоакустический эффект, то есть преобразование тепловой энергии в энергию звука.

Вихревой эффект

Вихревой эффект (эффект Ранка-Хилша, англ. Ranque-Hilsch Effect ) — эффект разделения газа или жидкости при закручивании в цилиндрической или конической камере на две фракции. На периферии образуется закрученный поток с большей температурой, а в центре — закрученный охлажденный поток, причем вращение в центре происходит в другую сторону, чем на периферии. Впервые эффект открыт французским инженером Жозефом Ранком в конце 20-х годов при измерении температуры в промышленном циклоне. В конце 1931 г Ж.Ранк подает заявку на изобретенное устройство, названное им «Вихревой трубой» (в литературе встречается как труба Ранке). Получить патент удается только в 1934 году в Америке (Патент США № 1952281). В настоящее время реализован ряд аппаратов, в которых используется вихревой эффект, вихревых аппаратов. Это «вихревые камеры» для химического разделения веществ под действием центробежных сил и «вихревые трубы», используемые как источник холода.

С 1960-х годов вихревое движение является темой множества научных исследований. Регулярно проводятся специализированные конференции по вихревому эффекту, например, в Самарском аэрокосмическом университете.

Существуют и применяются вихревые теплогенераторы и микрокондиционеры.

В этом мире есть вещи гениальные, непостижимые и совершенно нереальные. Настолько нереальные, что кажутся артефактами из некой параллельной Вселенной. К числу таких артефактов наряду с двигателем Стирлинга, вакуумной радиолампой и чёрным квадратом Малевича в полной мере относится т.н. «турбина Тесла».
Вообще говоря отличительная черта всех подобных вещей — абсолютная простота. Не упрощённость, а именно простота. То есть как в творениях Микеланджело — отсутствует всё лишнее, какие-то технические или смысловые «подпорки», чистое сознание, воплощённое «в железе» или выплеснутое на холст. И при всём при этом абсолютная нетиражность. Чёрный Квадрат — это своего рода «орт» искусства. Второго такого написанного другим художником быть не может.

Всё это в полной мере относится и к турбине Тесла. Конструктивно она представляет собой несколько (10-15) тонких дисков, укреплённых на оси турбины на небольшом расстоянии друг от друга и помещённые в кожух, напоминающий милицейский свисток.

Не стоит и объяснять, что дисковый ротор намного более технологичен и надёжен, чем даже «колесо Лаваля», я уж молчу о роторах обычных турбин. Это первое достоинство системы. Второе состоит в том, что в отличие от других типов турбин, где для ламинаризации течения рабочего тела необходимо принимать специальные меры. В турбине Тесла рабочее тело (которым может быть воздух, пар или даже жидкость) течёт строго ламинарно. Поэтому потери на газодинамическое трение в ней сведены к нулю: КПД турбины составляет 95%.

Правда следует иметь в виду, что КПД турбины и КПД термодинамического цикла — несколько разные вещи. КПД турбины можно охарактеризовать, как отношение энергии, преобразуемой в механическую энергию на валу ротора турбины к энергии рабочего цикла (то есть разнице начальной и конечной энергий рабочего тела). Так КПД современных паровых турбин так же весьма высок — 95-98%, однако КПД термодинамического цикла в силу ряда ограничений не превышает 40-50%.

Принцип действия турбины основан на том, что рабочее тело (допустим — газ), закручиваясь в кожухе, за счёт трения «увлекает» за собой ротор. При этом отдавая часть энергии ротору, газ замедляется, и благодаря возникающей при взаимодействии с ротором кориолисовой силе, подобно чаинкам в чае «скатывается» к оси ротора, где имеются специальные отверстия, через которые осуществляется отвод «отработанного» рабочего тела.
Турбина Тесла, как и турбина Лаваля преобразует кинетическую энергию рабочего тела. То есть превращение потенциальной энергии (например сжатого воздуха или перегретого пара) в кинетическую необходимо произвести до подачи на ротор турбины с помощью сопла. Однако турбина Лаваля, имея в целом достаточно высокий КПД, оказывалась крайне неэффективной на низких оборотах, что заставляло конструировать редукторы, размеры и масса которых многократно превышали размеры и массы самой турбины. Фундаментальным отличием турбины Тесла является тот факт, что она вполне эффективно работает в широком диапазоне частот вращения, что позволяет соединять её вал с генератором непосредственно. Кроме того, турбина Тесла легко поддаётся реверсированию.

Интересно, что сам Никола Тесла позиционировал своё изобретение, как способ высокоэффективного использования геотермальной энергии, которую он считал энергией будущего. Кроме того турбина без каких-либо переделок может превратиться в высокоэффективный вакуумный насос — достаточно раскрутить её вал от другой турбины или электродвигателя.

Технологичность турбины Тесла позволяет изготавливать её варианты буквально из чего угодно: дисковый ротор можно сделать из старых компакт-дисков или «блинов» от вышедшего из строя компьютерного «винчестера». При этом мощность такого двигателя не смотря на «игрушечные» материалы и габариты получается весьма внушительной. Кстати о габаритах: двигатель мощностью 110 л.с. был не больше системного блока нынешнего персонального компьютера.

Устройства на эффекте Ранка

Эффект Ранка с самого начала привлекал изобретателей кажущейся простотой технической реализации — в самом деле, простейшая реализация вихревой трубы представляет собой кусок трубы самый обычной, куда с одной стороны внутрь тангенциально подаётся исходный поток, а на противополжном торце установлена кольцевая диафрагма, и из её внутреннего отверстия выходит охлаждённая часть потока, а из щели между внешним краем диафрагмы и внутренней поверхностью трубы — его горячая часть. Однако на самом деле не всё так просто — добиться эффективного разделения удаётся далеко не всегда, да и КПД таких установок обычно заметно уступает широко распространённым компрессорным тепловым насосам. Кроме того, обычно параметры установки на эффекте Ранка рассчитаны для конкретной мощности, определяемой скоростью и расходом вещества исходного потока, и когда параметры входного потока отклоняются от оптимальных значений, КПД вихревой трубы существенно ухудшается. Тем не менее следует заметить, что возможности некоторых установок на эффекте Ранка внушают уважение — например, рекордное охлаждение, которого удалось достигнуть на одной ступени, составляет более 200°С!

Впрочем, с учётом нашего климата, гораздо больший интерес представляет использование эффекта Ранка для обогрева, да при этом ещё хотелось бы и не выходить за рамки «подручных средств».

Суть эффекта Ранка

При движении потока газа или жидкости по плавно поворачивающей поверхности трубы у её внешней стенки образуется область повышенного давления и температуры, а у внутренней (либо в центре полости, если газ закручен по поверхности цилиндрического сосуда) — область пониженной температуры и давления. Это достаточно хорошо известное явление называется эффектом Ранка по имени открывшего его в 1931 г. французского инженера Жозефа Ранка (G.J.Ranque, иногда пишут «Ранке»), или эффектом Ранка-Хилша (немец Robert Hilsh продолжил исследование этого эффекта во второй половине 1940-х годов и улучшил эффективность вихревой трубы Ранка). Конструкции, использующие эффект Ранка, представляют собой разновидность теплового насоса, энергия для функционирования которого берётся от нагнетателя, создающего поток рабочего тела на входе трубы.

Парадоксальность эффекта Ранка заключается в том, что центробежные силы во вращающемся потоке направлены наружу. Как известно, более тёплые слои газа или жидкости имеют меньшую плотность и должны подниматься вверх, а в случае цетробежных сил — стремиться к центру, более холодные имеют большую плотность и, соответственно, должны стремиться к периферии. Между тем при большой скорости вращающегося потока всё происходит с точностью до наоборот!

Эффект Ранка проявляется как для потока газа, так и для потока жидкости, которая, как известно, является практически несжимаемой и потому фактор адиабатического сжатия / расширения к ней неприменим. Тем не менее, в случае жидкости эффект Ранка обычно выражен значительно слабее — возможно, именно по этой причине, да и очень малая длина свободного пробега частиц затрудняет его проявление. Но это верно, если оставаться в рамках традиционной молекулярно-кинетической теории, а у эффекта могут быть и совсем другие причины.

На мой взгляд, на данный момент наиболее полное и достоверное научное описание эффекта Ранка представлено в статье А.Ф.Гуцола (в формате pdf). Как ни удивительно, в своей основе его выводы о сути явления совпадают с полученными нами «на пальцах». К сожалению, он оставляет без внимания первый фактор (адиабатическое сжатие газа у внешнего радиуса и расширение у внутреннего), который, на мой взгляд, весьма существенен при использовании сжимаемых газов, правда, действует он только внутри устройства. А второй фактор А.Ф.Гуцол называет «разделением быстрых и медленных микрообъёмов».

Из прошлого — в будущее! В 1817 году шотландский священник Роберт Стирлинг получил… патент на новый тип двигателя, названный впоследствии, подобно моторам Дизеля, именем изобретателя — стирлинг. Прихожане маленького шотландского местечка уже давно и с явным подозрением косились на своего духовного пастыря. Еще бы! Шипение и грохот, проникавшие через стены сарая, где частенько пропадал отец Стирлинг, могли смутить не только их богобоязненные умы. Ходили упорные слухи, что в сарае содержится страшный дракон, которого святой отец приручил и вскармливает летучими мышами и керосином.

Но Роберта Стирлинга, одного из просвещеннейших людей Шотландии, не смущала неприязнь паствы. Мирские дела и заботы все больше и больше занимали его, в ущерб служению господу: увлекали пастора… машины.

Британские острова в тот период переживают промышленную революцию: стремительно развиваются мануфактуры. И служители культа не остаются равнодушными к громадным доходам, которые сулит новый способ производства.

С благословения церкви и не без помощи фабрикантов несколько машин Стирлинга были построены, и лучшая из них, в 45 л. с., три года проработала на шахте в Дунди.

Дальнейшее развитие Стирлингов задержалось: в 60-х годах прошлого столетия на арену вышел новый двигатель Эриксона.

В обеих конструкциях было много общего. Это были двигатели внешнего сгорания. И в той и в другой машине рабочим телом был воздух, и в той и в другой основой двигателя являлся регенератор, проходя через который отработанный горячий воздух отдавал все тепло. Свежая же порция воздуха, просачиваясь через плотную металлическую сетку, отбирала это тепло, перед тем как попасть в рабочий цилиндр.

По схеме на рисунке 1 можно проследить, как воздух через всасывающую трубу 10 и клапан 4 попадает в компрессор 3, сжимается и через клапан 5 выходит в промежуточный резервуар. В это время золотник 8 перекрывает выхлопную трубу 9, и воздух через регенератор попадает в рабочий цилиндр 1, нагреваемый топкой 11. Здесь воздух расширяется, совершая полезную работу, которая частично направлена на поднимаемый тяжелый поршень, частично — на сжатие холодного воздуха в компрессоре 3. Опускаясь, поршень выталкивает отработанный воздух через регенератор 7 и золотник 8 в выхлопную трубу. При опускании поршня в компрессор засасывается свежая порция воздуха.

1 — рабочий цилиндр, 2 — поршень; 3 — компрессор; 4 — всасывающий клапан; 5 — нагнетательный клапан; 6 — промежуточный резервуар; 7 — регенератор; 8 — перепускной золотник; 9 — выхлопная труба; 10 — всасывающая труба; 11 -топка.

И та и другая конструкции не отличались экономичностью. Зато неполадок с двигателем шотландца случалось почему-то больше, и он был менее надежным, чем двигатель Эриксона. Быть может, именно поэтому просмотрели одну очень важную деталь: при равных мощностях двигатель Стирлинга был компактнее. Кроме того, он имел существенное преимущество в термодинамике…

Сжатие, нагрев, расширение, охлаждение — вот четыре основных процесса, необходимых для работы любого теплового двигателя. Каждый из них можно проводить разными путями. Скажем, нагрев и охлаждение газа можно вести в замкнутой полости постоянного объема (изохорный процесс) или под движущимся поршнем при постоянном давлении (изобарный процесс). Сжатие или расширение газа может происходить при постоянной температуре (изотермический процесс) или без теплообмена с окружающей средой (адиабатический процесс). Составляя замкнутые цепочки из различных комбинаций таких процессов, нетрудно получить теоретические циклы, по которым работают все современные тепловые двигатели. Скажем, комбинация из двух адиабат и двух изохор образуют теоретический цикл бензинового мотора. Если заменить в нем изохору, по которой идет нагревание газа, изобарой — получится цикл дизеля. Две адиабаты и две изобары дадут теоретический цикл газовой турбины. Среди всех мыслимых циклов комбинация из двух адиабат и двух изотерм играет особо важную роль в термодинамике, так как по такому циклу — циклу Карно — должен работать двигатель с самым высоким к.п.д.

Если в двигателе Стирлинга подвод тепла производился по изохорам, то у Эриксона этот процесс происходил по изобаре, а процессы сжатия и расширения протекали по изотермам.

В начале нашего века движки Эриксона небольшой мощности (порядка 10-20 л. с.) нашли применение в различных странах. Тысячи таких установок трудились на фабриках, в типографиях, шахтах и рудниках, крутили валы станков, качали воду, поднимали лифты. Под названием «тепло и сила» они были известны и в России.

Предпринимались попытки сделать большой судовой двигатель, но результаты испытаний обескураживали не только скептиков, но и самого Эриксона. Вопреки пророчествам первых судно «сдвинулось с места» и даже пересекло Атлантический океан. Но и ожидания изобретателя были обмануты: четыре гигантских по размерам двигателя вместо 1000 л. с. развили всего 300 л. с. Расход угля получился такой же, как и у паровых машин. К тому же днища рабочих цилиндров к концу рейса прогорели насквозь, и в Англии двигатели пришлось снять и тайком заменить обычной паровой машиной. В довершение всех несчастий на обратном пути в Америку судно потерпело аварию и погибло со всем экипажем.

1 — рабочий поршень 2 — поршень-вытеснитель; 3 — охладитель; 4 — нагреватель; 5 — регенератор; 6 — холодное пространство; 7 — горячее пространство.

Отказавшись от мысли строить «калорические машины» большой мощности, Эриксон наладил массовый выпуск небольших двигателей. Дело в том, что уровень науки и техники того времени не позволял спроектировать и построить экономичную и мощную машину.

Но главный удар Эриксону нанесли изобретатели двигателя внутреннего сгорания. Бурное развитие дизелей и карбюраторных двигателей заставило предать забвению хорошую идею.

…Прошло столетие. В 30-х годах одно из военных ведомств поручает фирме «Филипс» разработать энергоустановку мощностью 200-400 вт для походной радиостанции. Причем двигатель должен быть всеядным, то есть работать на любом виде топлива.

Специалисты фирмы со всей основательностью принялись за дело. Начали с исследований различных термодинамических циклов и, к своему удивлению, обнаружили, что теоретически самый экономичный — давно забытый двигатель Стирлинга.

Война приостановила исследования, но в конце 40-х годов работы были продолжены. И тогда в результате многочисленных экспериментов и расчетов было сделано новое открытие — замкнутый контур, в котором под давлением около 200 атм. циркулировало рабочее тело (водород или гелий, как обладающие наименьшей вязкостью и наибольшей теплоемкостью). Правда, замкнув цикл, инженеры вынуждены были позаботиться об искусственном охлаждении рабочего тела. Так появился охладитель, которого не было у первых двигателей внешнего сгорания. И хотя нагреватель и охладитель, как бы компактны они ни были, утяжеляют стирлинг, зато сообщают ему одно очень важное качество.

Изолированные от внешней среды, они практически не зависят от нее. Стирлинг может работать от любого источника тепла всюду: под водой, под землей, в космосе — то есть там, где двигатели внутреннего сгорания, нуждающиеся в воздухе, работать не могут. В таких условиях без нагревателей и охладителей, передающих тепло через стенку, в принципе нельзя обойтись. И тут-то стирлинг побивают своих соперников даже по весу. У первых опытных образцов удельный вес на единицу мощности был порядка 6-7 кг на л. с., как у судовых дизелей. Современные стирлинги имеют еще меньшее соотношение — 1,5-2 кг на л. с. Они еще более компактны и легки.

Итак, схема стала двухконтурной: один контур с рабочим агентом и второй — подвод тепла; это позволило довести энергосъем до 200 л. с. на литр рабочего объема, а к.п.д. — до 38-40 процентов. Для сравнения:современ-

ные дизели имеют к.п.д. 34-38 процентов, а карбюраторные двигатели — 25-28. Кроме того, процесс сгорания топлива у стирлинга непрерывный, а это резко снижает токсичность — по выходу окиси углерода в 200 раз, по окиси азота — на 1-2 порядка. Вот где, возможно, одно из радикальных решений проблемы загрязнения атмосферы городов.

Рабочая часть современного Стирлинга представляет собой замкнутый объем, заполненный рабочим газом (рис. 2). Верхняя часть объема — горячая, она непрерывно нагревается. Нижняя — холодная, все время охлаждается водой. В том же объеме — цилиндр с двумя поршнями: вытеснителем и рабочим. Когда поршень идет вверх, газ в объеме сжимается; вниз — расширяется. Движением же вверх-вниз поршня-вытеснителя производится попеременное распределение нагретого и охлажденного газа. Когда поршень-вытеснитель находится в верхнем положении (в горячем пространстве), большая часть газа оказывается вытесненной в холодную зону. В это время рабочий поршень начинает двигаться вверх и сжимает холодный газ. Теперь поршень-вытеснитель устремляется вниз до соприкосновения с рабочим поршнем, и сжатый холодный газ перекачивается в горячее пространство. Расширение нагреваемого газа — рабочий ход. Часть энергии рабочего хода запасается на последующее сжатие холодного газа, а избыток идет на вал двигателя.

Регенератор находится между холодным и горячим пространствами. Когда расширившийся горячий газ движением поршня-вытеснителя перекачивается в холодную часть, он проходит через плотный пучок тонких медных проволочек и отдает им содержащееся в нем тепло. Во время обратного хода сжатый холодный воздух, прежде чем попасть в горячую часть, отбирает это тепло обратно.

1 — топливная форсунка; 2 — выхлоп охлажденных газов, 3 — воздухонагреватель; 4 — выход горячих газов; 5 — горячее пространство; 6 — регенератор; 7 — цилиндр; 8 — трубки охладителя; 9 — холодное пространство; 10 — рабочий поршень; 11 — ромбический привод; 12 — камера сгорания; 13 — трубки нагревателя; 14 — поршень-вытеснитель; 15 — впуск воздуха для сжигания топлива; 16 — буферная полость.

Конечно, в реальной машине все выглядит не так просто (рис. 3). Невозможно быстро нагреть газ через толстую стенку цилиндра, для этого нужна гораздо большая поверхность нагрева. Вот почему верхняя часть замкнутого объема превращается в систему тонких трубок, нагреваемых пламенем форсунки. Чтобы как можно полнее использовать теплоту продуктов сгорания, холодный воздух, подводящийся к форсунке, предварительно подогревается выхлопными газами — так появляется довольно сложный контур сгорания.

Холодная часть рабочего объема — тоже система трубок, в которые нагнетается охлаждающая вода.

Под рабочим поршнем — замкнутая буферная полость, наполненная сжатым газом. Во время рабочего хода давление в этой полости повышается. Запасаемой при этом энергии достаточно для того, чтобы сжать холодный газ в рабочем объеме.

По мере совершенствования неудержимо росли температура и давление. 800° по Цельсию и 250 атм. — это весьма трудная задача для конструкторов, это поиски особо прочных и термостойких материалов, сложная проблема охлаждения, так как выделение тепла по сравнению с классическими двигателями здесь в полтора-два раза больше.

Результаты этих экспериментов порой приводят к самым неожиданным находкам. К примеру, специалисты фирмы «Филипс», обкатывая свой движок на холостом ходу (без нагрева), заметили, что головка цилиндра сильно охлаждается. Совершенно случайно обнаруженный эффект повлек за собой целую серию разработок, и в итоге рождение новой холодильной машины. Сейчас такие высокопроизводительные и малогабаритные холодильные агрегаты широко используются во всем мире. Но вернемся к тепловым машинам.

Последующие события нарастают как снежный ком. В 1958 году с приобретением лицензий другими фирмами стирлинг шагнул за океан. Его стали испытывать в самых различных областях техники. Разрабатывается проект применения двигателя для питания аппаратуры космических кораблей и спутников. Для полевых радиостанций создаются энергоустановки, работающие на любом виде топлива (мощностью порядка 10 л. с.), обладающие настолько малым уровнем шума, что его не слышно за 20 шагов.

Громадную сенсацию вызвала демонстрационная установка, работающая на двадцати видах топлива. Без отключения двигателя, простым поворотом крана, в камеру сгорания поочередно подавали бензин, солярку, сырую нефть, оливковое масло, горючий газ — и машина прекрасно «съедала» любой «корм». В зарубежной печати были сообщения о проекте двигателя на 2,5 тысячи л. с. с атомным реактором. Предполагаемый к.п.д. 48-50%. Значительно уменьшаются все габариты энергоблока, что позволяет высвободившиеся вес и площадь отдать под биологическую защиту реактора.

Еще одна интересная разработка — привод для искусственного сердца весом 600 г и мощностью 13 вт. Слаборадиоактивный изотоп обеспечивает ее практически неисчерпаемым источником энергии.

Двигатель Стирлинга испытывался на некоторых автомобилях. По своим рабочим параметрам он не уступил карбюраторному, а уровень шумов и токсичность выхлопных газов значительно снизились.

Автомобиль со стирлингом может работать на любом виде.топлива, а при необходимости — на расплаве. Представьте: перед тем как въехать в город, водитель включает горелку и расплавляет несколько килограммов окиси алюминия или гидрида лития. По городским улицам он едет «не дымя»: двигатель работает от тепла, запасенного расплавом. Одна из фирм изготовила мотороллер, в бак которого заливается около 10 литров расплава фтористого лития. Такой зарядки хватает на 5 часов работы при мощности движка 3 л. с.

Работы над Стирлингами продолжаются. В 1967 году изготовлен образец опытной установки мощностью 400 л. с. на один цилиндр. Проводится комплексная программа, согласно которой к 1977 году планируется серийное производство двигателей с диапазоном мощности от 20 до 380 л. с. В 1971 году «Филипс» выпустила четырехцилиндровый промышленный двигатель в 200 л. с. с полным весом 800 кг. Уравновешенность его настолько высока, что поставленная ребром на кожух монета (размером в пятак) стоит не шелохнувшись.

К достоинствам нового типа двигателя можно отнести и большой моторесурс порядка 10 тыс. час. (есть отдельные данные о 27 тыс.), и плавность работы, так как давление в цилиндрах нарастает плавно (по синусоиде), а не взрывами, как у дизеля.

Перспективные разработки новых моделей проводятся и у нас. Ученые и инженеры трудятся над кинематикой различных вариантов, на электронно-вычислительных машинах просчитывают различные виды «сердца», стирлинга-регенератора. Идет поиск новых инженерных решений, которые лягут в основу экономичных и мощных двигателей, способных потеснить привычные дизели и бензиновые моторы, исправив тем самым несправедливую ошибку истории.

А. АЛЕКСЕЕВ

Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.

Всего около ста лет назад двигателям внутреннего сгорания пришлось в жестокой конкурентной борьбе завоевывать то место, которое они занимают в современном автомобилестроении. Тогда их превосходство отнюдь не представлялось столь очевидным, как в наши дни. Действительно, паровая машина — главный соперник бензинового мотора — обладала по сравнению с ним огромными достоинствами: бесшумностью, простотой регулирования мощности, прекрасными тяговыми характеристиками и поразительной «всеядностью», позволяющей работать на любом виде топлива от дров до бензина. Но в конечном итоге экономичность, легкость и надежность двигателей внутреннего сгорания взяли верх и заставили примириться с их недостатками, как с неизбежностью.
В 1950-х годах с появлением газовых турбин и роторных двигателей начался штурм монопольного положения, занимаемого двигателями внутреннего сгорания в автомобилестроении, штурм, до сих пор не увенчавшийся успехом. Примерно в те же годы делались попытки вывести на сцену новый двигатель, в котором поразительно сочетается экономичность и надежность бензинового мотора с бесшумностью и «всеядностью» паровой установки. Это — знаменитый двигатель внешнего сгорания, который шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал 27 сентября 1816 года (английский патент № 4081).

Физика процесса

Принцип действия всех без исключения тепловых двигателей основан на том, что при расширении нагретого газа совершается большая механическая работа, чем требуется на сжатие холодного. Чтобы продемонстрировать это, достаточно бутылки и двух кастрюль с горячей и холодной водой. Сначала бутылку опускают в ледяную воду, а когда воздух в ней охладится, горлышко затыкают пробкой и быстро переносят в горячую воду. Через несколько секунд раздается хлопок и нагреваемый в бутылке газ выталкивает пробку, совершая механическую работу. Бутылку можно снова возвратить в ледяную воду — цикл повторится.
в цилиндрах, поршнях и замысловатых рычагах первой машины Стирлинга почти в точности воспроизводился этот процесс, пока изобретатель не сообразил, что часть тепла, отнимаемого у газа при охлаждении, можно использовать для частичного подогрева. Нужна лишь какая-то емкость, в которой можно было бы запасать тепло, отнятое у газа при охлаждении, и снова отдавать ему при нагревании.
Но, увы, даже это очень важное усовершенствование не спасло двигатель Стирлинга. К 1885 году достигнутые здесь результаты были весьма посредственны: 5-7 процентов к.п.д., 2 л. с. мощности, 4 тонны веса и 21 кубометр занимаемого пространства.
Двигатели внешнего сгорания не были спасены даже успехом другой конструкции, разработанной шведским инженером Эриксоном. В отличие от Стирлинга, он предложил нагревать и охлаждать газ не при постоянном объеме, а при постоянном давлении. 8 1887 году несколько тысяч небольших эриксоновских двигателей отлично работало в типографиях, в домах, на шахтах, на судах. Они наполняли водонапорные баки, приводили а действие лифты. Эриксон пытался даже приспособить их для привода экипажей, но они оказались чересчур тяжелыми. В России до революции большое количество таких двигателей выпускалось под названием «Тепло и сила».
Однако попытки увеличить мощность до 250 л. с. окончились полным провалом. Машина с цилиндром диаметром 4,2 метра развивала меньше 100 л. е., огневые камеры прогорели, и судно, на котором были установлены двигатели, погибло.
Инженеры без сожаления распрощались с этими слабосильными мастодонтами как только появились мощные, компактные и легкие бензомоторы и дизели. И вдруг, в 1960-е, спустя почти 80 лет о «стирлингах» и «эриксонах» (будем условно называть их так по аналогии с дизелем) заговорили как о грозных соперниках двигателей внутреннего сгорания. Разговоры эти не утихают и поныне. Чем же объясняется такой крутой поворот во взглядах?

Цена методичности

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

Как работает Стирлинг

Принципиальная схема двигателя внешнего сгорания :
1 — топливная форсунка;
2 — выпускной патрубок;
3 — элементы воздухоподогревателя;
4 — подогреватель воздуха;
5 — горячие газы;
6 — горячее пространство цилиндра;
7 — регенератор;
8 — цилиндр;
9 — ребра охладителя;
10 — холодное пространство;
11 — рабочий поршень;
12 — ромбический привод;
13 — шатун рабочего поршня;
14 — синхронизирующие шестерни;
15 — камера сгорания;
16 — трубки нагревателя;
17 — горячий воздух;
18 — поршень-вытеснитель;
19 — воздухоприемник;
20 — подвод охлаждающей воды;
21 — уплотнение;
22 — буферный объем;
23 — уплотнение;
24 — толкатель поршня-вытеснителя;
25 — толкатель рабочего поршня;
26 — ярмо рабочего поршня;
27 — палец ярма рабочего поршня;
28 — шатун поршня-вытеснителя;
29 — ярмо поршня-вытеснителя;
30 — коленчатые валы.
Красный фон — контур нагрева ;
точечный фон — контур охлаждения

В современной конструкции «стирлинга», работающего на жидком топливе, — три контура, имеющих между собой лишь тепловой контакт. Это контур рабочего тела (обычно водорода или гелия), контур нагрева и контур охлаждения. Главное назначение контура нагрева — поддерживать высокую температуру в верхней части рабочего контура. Контур охлаждения поддерживает низкую температуру в нижней части рабочего контура. Сам контур рабочего тела замкнут.
Контур рабочего тела . В цилиндре 8 движутся два поршня — рабочий 11 и поршень-вытеснитель 18. Движение рабочего поршня вверх приводит к сжатию рабочего тела, движение его вниз вызывается расширением газа и сопровождается совершением полезной работы. Движение поршня-вытеснителя вверх выжимает газ в нижнюю, охлаждаемую полость цилиндра. Движение же его вниз соответствует нагреванию газа. Ромбический привод 12 сообщает поршням перемещение, соответствующее четырем тактам цикла ({на схеме показаны эти такты).
Такт I — охлаждение рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18 движется вверх, выжимая рабочее тело через регенератор 7, в котором запасается тепло нагретого газа, в нижнюю, охлаждаемую часть цилиндра. Рабочий поршень 11 находится в НМТ.
Такт II — сжатие рабочего тела. Энергия, запасенная в сжатом газе буферного объема 22, сообщает рабочему поршню 11 движение вверх, сопровождающееся сжатием холодного рабочего тела.
Такт III — нагревание рабочего тела. Поршень-вытеснитель 18, почти примкнув к рабочему поршню 11, вытесняет газ в горячее пространство через регенератор 7, в котором к газу возвращается тепло, запасенное при охлаждении.
Такт IV — расширение рабочего тела — рабочий такт. Нагреваясь в горячем пространстве, газ расширяется и совершает полезную работу. Часть ее запасается в сжатом газе буферного объема 22 для последующего сжатия холодного рабочего тела. Остальное снимается с валов двигателя.
Контур нагрева . Воздух вентилятором нагнетается в воздухоприемник 19, проходит через элементы 3 подогревателя, нагревается и попадает в топливные форсунки. Получившиеся горячие газы нагревают трубки 16 нагревателя рабочего тела, обтекают элементы 3 подогревателя и, отдав свое тепло воздуху, идущему на сжигание топлива, выбрасываются через выпускной патрубок 2 в атмосферу.
Контур охлаждения . Вода через патрубки 20 подается в нижнюю часть цилиндра и, обтекая ребра 9 охладителя, непрерывно охлаждает их.

«Стирлинги» вместо ДВС

Первые же испытания, проведенные пол-века назад, показали, что «стирлинг» почти идеально бесшумен. У него нет карбюратора, форсунок с высоким давлением, системы зажигания, клапанов, свечей. Давление в цилиндре, хотя и повышается почти до 200 атм, но не взрывом, как в двигателе внутреннего сгорания, а плавно. На двигателе не нужны глушители. Ромбовидный кинематический привод поршней полностью уравновешен. Никаких вибраций, никакого дребезжания.
Говорят, что, даже приложив руку к двигателю, не всегда удается определить, работает он или нет. Эти качества автомобильного двигателя особенно важны, ибо в крупных городах остро стоит проблема снижения шума.
А вот другое качество — «всеядность». По сути дела, нет такого источника тепла, который не годился бы для привода «стирлинга». Автомобиль с таким двигателем может работать на дровах, на соломе, на угле, на керосине, на ядерном горючем, даже на солнечных лучах. Он может работать на теплоте, запасенной в расплаве какой-нибудь соли или окисла. Например, расплав 7 литров окиси алюминия заменяет 1 литр бензина. Подобная универсальность не только сможет всегда выручить водителя, попавшего в беду. Она разрешит остро стоящую проблему задымления городов. Подъезжая к городу, водитель включает горелку и расплавляет соль в баке. В черте города топливо не сжигается: двигатель работает на расплаве.
А регулирование? Чтобы сбавить мощность, достаточно выпустить из замкнутого контура двигателя в стальной баллон нужное количество газа. Автоматика сразу же уменьшает подачу топлива так, чтобы температура оставалась постоянной независимо от количества газа. Для повышения мощности газ нагнетается из баллона снова в контур.
Вот только по стоимости и по весу «стирлинги» пока уступают двигателям внутреннего сгорания. На 1 л. с. у них приходится 5 кг, что намного больше, чем у бензинового и дизельного моторов. Но не следует забывать, что это еще первые, не доведенные до высокой степени совершенства модели.
Теоретические расчеты показывают, что при прочих равных условиях «стирлинги» требуют меньших давлений. Это — важное достоинство. И если у них найдутся еще и конструктивные преимущества, то не исключено, что именно они окажутся самым грозным соперником двигателей внутреннего сгорания в автомобилестроении. А вовсе не турбины.

«Стирлинг» от компании GM

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

Принципиальная схема V-образного «стирлинга» :
1 — рабочий цилиндр;
2 — рабочий поршень;
3 — подогреватель;
4 — регенератор;
5 — теплоизолирующая муфта;
6 — охладитель;
7 — компрессионный цилиндр.

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

Достоинства и недостатки

Чтобы оценить перспективы применения «стирлинга» на автомобилях, проанализируем его достоинства и недостатки. Начнем с одного из важнейших для теплового двигателя параметров, так называемого теоретического КПД Для «стирлинга» он определяется следующей формулой:

η = 1 — Тх/Тг

Где η — КПД, Тх — температура «холодного» объема и Тг — температура «горячего» объема. Количественно этот параметр у «стирлинга» — 0,50. Это значительно больше, чем у самых лучших газовых турбин, бензиновых и дизельных двигателей, у которых теоретический КПД соответственно равен 0,28; 0,30; 0,40.
Как двигатель внешнего сгорания. стирлинг» может работать на различных топливах: бензине, керосине, дизельном, газообразном и даже на твердом. Такие характеристики топлива, как цетановое и октановое числа, зольность, температура выкипания при горении вне цилиндра двигателя, для «стирлинга» не имеют значения. Чтобы он работал на разных топливах, не требуется больших переделок — достаточно лишь заменить горелку.
Двигатель внешнего сгорания, в котором горение протекает стабильно с постоянным коэффициентом избытка воздуха, равным 1.3. выделяет значительно меньше, чем двигатель внутреннего сгорания, окиси углерода, углеводородов и окислов азота.
Малая шумность «стирлинга» объясняется низкой степенью сжатия (от 1,3 до 1,5). Давление в цилиндре повышается плавно, а не взрывом, как в бензиновом или дизельном двигателе. Отсутствие колебаний столба газов в выпускном тракте определяет бесшумность выхлопа, что подтверждено испытаниями двигателя, разработанного фирмой «Филлипс» совместно с фирмой Ford для автобуса.
«Стирлинг» отличается малым расходом масла и высокой износостойкостью благодаря отсутствию в цилиндре активных веществ и относительно низкой температуре рабочего газа, а надежность его выше, чем у известных нам двигателей внутреннего сгорания, так как в нем нет и сложного газораспределительного механизма.
Важное преимущество «стирлинга» как автомобильного двигателя — повышенная приспособляемость к изменениям нагрузки. Она, например, на 50 процентов выше, чем у карбюраторного мотора, за счет чего можно уменьшить число ступеней в коробке передач. Однако совсем отказаться от сцепления и коробки передач, как в паровом автомобиле, нельзя.
Но почему же двигатель с такими очевидными достоинствами до сих пор не нашел практического применения? Причина проста — у него немало еще неустраненных недостатков. Главнейшие среди них — большая сложность в управлении и регулировке. Существуют и другие «рифы», которые не так просто обойти и конструкторам и производственникам.- в частности, поршням нужны очень эффективные уплотнения, которые должны выдерживать высокое давление (до 200 кГ/см2) и препятствовать попаданию масла в рабочую полость. Во всяком случае, 25-летняя работа фирмы «Филлипс» по доводке своего двигателя пока не смогла сделать его пригодным для массового применения на автомобилях. Немаловажное значение имеет характерная особенность «стирлинга» — необходимость отводить с охлаждающей водой большое количество тепла. В двигателях внутреннего сгорания значительная часть тепла выбрасывается в атмосферу вместе с отработавшими газами. В «стерлинге» же в выхлоп уходит только 9 процентов тепла, получаемого при сгорании топлива. Если в бензиновом двигателе внутреннего сгорания с охлаждающей водой отводится от 20 до 25 процентов тепла, то в «стирлинге» — до 50 процентов. Это значит, что автомобиль с таким двигателем должен иметь радиатор примерно в 2-2.5 раза больше, чем у аналогичного бензинового мотора. Недостатком «стирлинга» является и его высокий удельный вес по сравнению с распространенным ДВС. Еще довольно существенный минус — трудность повышения быстроходности: уже при 3600 об/мин значительно возрастают гидравлические потери и ухудшается теплообмен. И наконец. «стирлинг» уступает обычному двигателю внутреннего сгорания в приемистости.
Работы по созданию и доводке автомобильных «стирлингов», в том числе для легковых машин, продолжаются. Можно считать, что в настоящее время принципиальные вопросы решены. Однако еще много дел по доводке. Применением легких сплавов можно понизить удельный вес двигателя, но он все равно будет выше. чем у мотора внутреннего сгорания, из-за более высокого давления рабочего газа. Вероятно, двигатель внешнего сгорания найдет применение в первую очередь на грузовых автомобилях, особенно военных — благодаря своей нетребовательности к топливу.

Глава 3b — Первый закон — Закрытые системы

Глава 3b — Первый закон — Закрытые системы — Стирлинг Эбдайнс (обновлено 05.07.2014)

Глава 3: Первый закон термодинамики для Закрытые системы

b) Машины с идеальным циклом Стирлинга (двигатели / охладители)

1. Двигатель с циклом Стирлинга

Концептуально двигатель Стирлинга является самым простым из все тепловые двигатели. Он не имеет клапанов и включает в себя внешний подогрев. пространство и пространство с внешним охлаждением. Его изобрел Роберт Stirling и интересный сайт от Bob. Sier включает фотографию Роберта. Стерлинг, его оригинальный патентный рисунок 1816 года и анимированная модель. оригинального двигателя Стирлинга.

В исходном одноцилиндровом рабочем состоянии газ (обычно воздух или гелий) герметизируется внутри цилиндров поршень и перемещается между горячим и холодным пространством с помощью вытеснитель. Рычажный механизм, приводящий в движение поршень и вытеснитель, будет двигаться их так, что газ будет сжиматься, пока он находится в основном в охлаждать пространство сжатия и расширяться в то время как в горячем расширении космос. Это ясно показано на соседней анимации, которая был произведен Ричардом Уилером ( Zephyris ) Википедия . См. также анимацию, созданную Мэттом. Кевени в своем Стирлинге движок анимация сайт. Поскольку газ находится при более высокой температуре и, следовательно, давлении во время его при расширении, чем при его сжатии, вырабатывается больше мощности при расширении, чем реабсорбируется при сжатии, и это чистая избыточная мощность – это полезная мощность двигателя. Обратите внимание, что нет клапанов или прерывистого сгорания, что является основным Источник шума в двигателе внутреннего сгорания.Тот же рабочий газ используется снова и снова, что делает двигатель Стирлинга герметичная система замкнутого цикла. Все, что добавлено в систему, устойчивый высокотемпературный нагрев, и все, что удаляется из система представляет собой низкотемпературную (отработанную) теплоту и механическую энергию.

Афины, штат Огайо, является центром производства велосипедной машины Стирлинга. деятельности, как двигателей, так и охладителей, и включает НИОКР и компании-производители, а также всемирно известные консультанты в области компьютерного анализа цикла Стирлинга.В материнской компанией этого вида деятельности является Sunpower . Он был сформирован Уильямом Beale в 1974 году, в основном на основе его изобретение свободнопоршневого двигателя Стирлинга, о котором мы расскажем ниже. Они разработали свободнопоршневой двигатель/генератор мощностью 1 кВт, а с 1995 г. эта технология была использована компанией British Gas для разработки ТЭЦ (комбинированного производства тепловой энергии). и мощность) – двигатель/генератор мощностью 1 кВт в настоящее время производства Микроген Engine Corporation (см. История и Двигатель интернет страницы).
В 2013 году компания Sunpower была приобретена компанией Ametek . в Пенсильвании, однако продолжает выполнять цикл Стирлинга. разработка машин в Афинах, штат Огайо.

Некоторые примеры одноцилиндровых двигателей Стирлинга: 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 одноцилиндровый двигатель сжигает топливо из биомассы (например, гранулы из опилок или рисовую шелуху) и может функционировать как когенерационная установка в сельской местности. Это не свободнопоршневой двигатель и использует кривошипно-шатунный механизм для получения правильная фазировка буйка.
В настоящее время комбинированная энергетическая технология работает с Microgen Двигательная корпорация , международная компания, производящая свободнопоршневой двигатель/генератор MEC мощностью 1 кВт. Компания Combined Energy Technology разработала многотопливную горелку для двигатель и сотрудничает с Microgen, чтобы получить различные системы в магазин.

Еще одним важным ранним двигателем Стирлинга является двигатель Леманна. машина, на которой Густав Шмидт сделал первый разумный анализ Двигатели Стирлинга в 1871 году.Энди Росс из Колумбуса, штат Огайо, построил небольшой рабочая копия Lehmann машина , а также модель воздушный двигатель .

Когенерация солнечной энергии и тепла: С нынешний энергетический кризис и кризис глобального потепления, возобновляется интерес к возобновляемым источникам энергии, таким как энергия ветра и солнца, и распределенные системы когенерации тепла и электроэнергии. Круто Energy из Боулдера, Колорадо, ранее разработал полный солнечных система когенерации тепла и электроэнергии для домашнее использование с использованием технологии двигателя Стирлинга для электричества поколение.Это уникальное приложение включало эвакуированных трубчатые солнечные тепловые коллекторы (слайд любезно предоставлено rusticresource.com ), аккумулирование тепла, горячая вода и обогреватели, а также Стерлинг двигатель/генератор, использующий газообразный азот. В настоящее время они концентрируются на низкотемпературных (150°C — 400°C) системах рекуперации тепла (См.: Круто Energy ThermoHeart 25 кВт Обзор двигателя ).

Идеальный анализ: Пожалуйста Примечание , что следующий анализ Двигатели с циклом Стирлинга идеальны и предназначены только в качестве примера. из Анализ первого закона закрытых систем.В реальном мире мы не можем ожидать реальные машины работают лучше чем на 40 — 50% от идеальных машина. Анализ реальных машин с циклом Стирлинга чрезвычайно сложный и требует сложного компьютерного анализа (см., например, веб-учебный ресурс по адресу: Stirling Цикл Машинный Анализ .)

Свободнопоршневой двигатель Стирлинга, разработанный Sunpower, Inc уникальна тем, что не требует механического соединения. между поршнем и вытеснителем, таким образом, правильная фазировка между ними происходит за счет использования давления газа и усилия пружины.Электроэнергия снимается с двигателя с помощью постоянных магнитов. прикреплен к поршню, приводящему в движение линейный генератор переменного тока. В основном Идеальный двигатель Стирлинга проходит 4 различных процесса, каждый из которых которые можно проанализировать отдельно, как показано на диаграмме P-V ниже. Рассмотрим сначала работу, проделанную во всех четырех процессах.

• Процесс 1-2 — это процесс сжатия, в котором газ сжимается поршнем, когда вытеснитель находится в верх цилиндра.Таким образом, в ходе этого процесса газ охлаждается в для поддержания постоянной температуры T _C . Работа W _1-2 требуется для сжатия газа показано как площадь под P-V кривой и оценивается следующим образом.

• Процесс 2-3 является процесс вытеснения постоянного объема, при котором газ вытесняется из холодного пространства в горячее пространство расширения. Никакая работа не сделана, однако, как мы увидим ниже, значительное количество тепла Q _R поглощается газом из матрицы регенератора.

• Процесс 3-4 представляет собой процесс изотермического расширения. Работа W _3-4 выполнена системой и отображается как область под P-V диаграмме, при этом тепло Q _3-4 добавляется в систему от источника тепла, поддержание постоянной температуры газа T _H .

Чистая работа W _net , выполненная за цикл, определяется по формуле: W _net = (W _3-4 + W _1-2 ), где работа на сжатие Вт _1-2 есть отрицательный (проделанная работа на система).

Теперь рассмотрим тепло, переданное за все четыре процессов, что позволит оценить тепловой КПД идеальный двигатель Стирлинга. Напомним из предыдущего раздела, что в для того, чтобы сделать анализ первого закона идеального газа, чтобы определить передаваемого тепла, нам нужно было разработать уравнения для определения изменение внутренней энергии Δu в пересчете на Удельный Теплоемкость идеального газа .

Два процесса постоянного объема образованы удерживая поршень в фиксированном положении и перемещая газ между горячие и холодные помещения с помощью вытеснителя.Во время процесса 4-1 горячий газ отдает свое тепло Q _R , проходя через матрицу регенератора, которая в последующем полностью восстановился в процессе 2-3.

Мы найдем в главе 5 что это максимальный теоретический эффективность, достижимая от тепловой машины, и обычно упоминается как Карно эффективность. Для получения дополнительной информации по этому вопросу см. на бумагу: А Встреча Роберта Стирлинга и Сади Карно в 1824 году представлен на 2014 МЭК .

Обратите внимание, что при отсутствии регенератора тепло Q _R должно подаваться нагревателем. Таким образом, эффективность будет значительно сократиться до η _th = W _net / (Q _в + Q _R ). Кроме того, охладитель должен будет отводить тепло, которое обычно поглощается регенератором, поэтому холодильная нагрузка будет увеличен до Q _из + Q _R . Напомним, что Q _{2-3 ​​} = Q _R = -Q _4-1 .

Обратите внимание, что практический цикл Стирлинга имеет много потерь. связанный с ним и реально не связанный с изотермическими процессами, ни идеальной регенерации.Кроме того, поскольку Free-Piston Stirling циклические машины предполагают синусоидальное движение, P-V схема имеет овальную форму, а не острые края определены на приведенных выше схемах. Тем не менее, мы используем идеальную модель Стирлинга. цикл, чтобы получить первоначальное понимание и оценку цикла представление.

Проблема 3.2 — Sunpower EG-1000 Stirling Двигатель/генератор
________________________________________________________________________________

2.Охладитель цикла Стирлинга

Один из важных аспектов машин с циклом Стирлинга, который нам нужно учитывать, что цикл можно обратить вспять — если мы положим net работать в цикле, то его можно использовать для откачки тепла из источник температуры к высокотемпературному стоку. Солнечная сила принимал активное участие в разработке Холодильные системы с циклом Стирлинга и производство по циклу Стирлинга криогенные охладители для сжижения кислорода. В 1984 году Sunpower разработала свободный поршень Duplex Машина Стирлинга , имеющая только три движущихся части, включая один поршень и два вытеснителя, в которых зажигался газ Двигатель цикла Стирлинга приводил в действие охладитель цикла Стирлинга.Глобальное похолодание была создана в 1995 году как дочерняя компания Sunpower, и был сформирован в основном для разработки свободнопоршневого цикла Стирлинга кулеры для домашнего холодильника. Эти системы, кроме значительно эффективнее обычного парокомпрессионного холодильники, имеют дополнительное преимущество, заключающееся в том, что они компактны, портативны. агрегаты, использующие гелий в качестве рабочей жидкости (а не хладагенты ГФУ например, R134a с потенциалом глобального потепления 1300). Более Недавно Global Cooling решила сосредоточить свои разработки усилия по системам, в которых практически нет конкурентных системы — охлаждение между -40°C и -80°C, и они установили новое название компании: Stirling Ультрахолод .
Обновить — 2021: Стерлинг Ultracold Ultra-Low Temperature (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 .

Нам повезло, что мы получили два оригинальных M100B. кулеры от Global Cooling. Один используется как демонстрационная единица, и показан в работе на следующей фотографии. Секунда установка настроена как ME Senior Лабораторный проект , в котором мы оцениваем фактическая производительность машины при различных заданных нагрузках и температуры.

Схематическая диаграмма, за которой следует анимированная схема кулера (оба любезно предоставлены Global Cooling (в настоящее время Stirling Ultracold ) показаны ниже

Концептуально кулер предельно прост. устройство, состоящее по существу всего из двух подвижных частей — поршня и вытеснитель. Буек перемещает рабочий газ (гелий) между пространствами сжатия и расширения. Фазирование между поршень и вытеснитель таковы, что, когда большая часть газа находится в окружающее пространство сжатия, то поршень сжимает газ, в то время как отвод тепла в окружающую среду.Затем вытеснитель вытесняет газ через регенератор в холодное расширительное пространство, а затем оба вытеснитель и поршень позволяют газу расширяться в этом пространстве, в то время как поглощая тепло при низкой температуре.

________________________________________________________________________________________

Задача 3.3 — Цикл Стирлинга Кулер M100B — Идеальный анализ

К сожалению, анализ фактического цикла Стирлинга машины чрезвычайно сложны и требуют сложного компьютера анализ.Рассмотрим идеализированную модель этого охладителя, определенную в термины диаграммы P-V показано ниже, чтобы определить идеальную производительность M100B в типичных рабочих условиях, как описано ниже. ( Примечание что представленные здесь значения не являются фактическими значениями M100B, однако были разработаны вашим инструктором для целей этого упражнения только ).

Процесс (1)-(2) представляет собой процесс изотермического сжатия при температуре Т _С = 30°C, в течение которого нагревается Q _C . отбрасывается в окружающую среду.Процесс (2)-(3) представляет собой постоянный объем процесс вытеснения, при котором тепло Q _R отводится в матрицу регенератора. Процесс (3)-(4) — процесс изотермического расширения при температуре T _E = -20°C, в течение которого плавка Q _E поглощается из морозильной камеры, и, наконец, процесс (4)-(1) является процесс вытеснения постоянного объема, в ходе которого тепло Q _R поглощается из матрицы регенератора. Таким образом, идеал Цикл Стирлинга состоит из четырех отдельных процессов, каждый из которых можно анализировать отдельно.Состояние (1) определяется на максимальной громкости 35 см ³ и давление 1,9 МПа, а состояние (2) определяется при минимальном объеме 30 см ³ . Энергия передается как при сжатии, так и при расширении. указан на схемах P-V следующим образом:

Поскольку рабочим телом является гелий, который является идеальным газа, мы везде используем уравнение состояния идеального газа. Таким образом, P V = m R T, где R = 2,077 кДж/кг K, и Δu = Cv ΔT, где Cv = 3.116 кДж/кг К. (см.: Идеал Свойства газа )

• а) Определить теплоту, поглощаемую при расширении пробел Q _E во время процесс расширения (3) — (4) (Джоули). Определить также тепло потребляемая мощность (Ватт). Обратите внимание, что частота цикла – это линия частота (f = 60 Гц). [Q _E = 8,56 Дж (мощность = 513,6 Вт)]

• б) Определить чистую работу, выполненную за цикл (Джоули): Вт _нетто = W _E + W _C (Обратите внимание, что работа сжатия W _C всегда отрицательна).Определить также потребляемую мощность к линейному электродвигателю (Ватт). [Вт _нетто = -1,69 Дж (мощность = -101 Вт)]

• c) Оценка коэффициента полезного действия холодильник определяется как: COP _R = Q _E / Вт _нетто . (нагревать поглощается в пространстве расширения, деленному на чистую выполненную работу). [КС _Р = 5,07]

• г) Определить количество теплоты, отводимой рабочая жидкость Q _R as он проходит через матрицу регенератора в процессе (2)-(3).[Q _Р = -16,46 Дж (мощность = -988 W)]
  Если бы не было регенератора присутствует, то это тепло должно быть отведено от газа с помощью процесс расширения с целью снижения температуры до холода температура морозилки. Как это повлияет на производительность кулер? Обсудите важность эффективного регенератора в охладитель цикла Стирлинга.

____________________________________________________________________________________

К Части c) Первый закон — дизельные двигатели

К Части d) Закона Первый закон — двигатели цикла Отто

________________________________________________________________________________________

Инженерная термодинамика Израиля Уриэли находится под лицензией Creative Commons Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 США Лицензия

Двигатели Стирлинга | Encyclopedia.com

Принцип, который делает возможными двигатели Стирлинга, довольно прост. При нагревании воздух расширяется, а при охлаждении сжимается. Двигатели Стирлинга работают, циклически нагревая и охлаждая воздух (или, возможно, другой газ, такой как гелий) внутри герметичного контейнера и используя изменения давления для привода поршня. Процесс нагрева и охлаждения работает следующим образом: одна часть двигателя остается горячей, а другая — холодной. Затем механизм перемещает воздух вперед и назад между горячей стороной и холодной стороной. Когда воздух перемещается к горячей стороне, он расширяется и давит на поршень, а когда воздух перемещается обратно к холодной стороне, он сжимается и тянет поршень вниз.

Хотя двигатели Стирлинга концептуально довольно просты, понимание того, как работает конкретная конструкция двигателя, часто довольно сложно, поскольку существуют сотни различных механических конфигураций, которые могут реализовать цикл Стирлинга.На рис. 1 показана схема прозрачного образовательного демонстрационного двигателя, работающего над чашкой горячего кофе. В этом двигателе используется кусок пенопласта, аналогичный тому, который используется в качестве фильтра для оконного кондиционера, чтобы «вытеснить» воздух между горячей и холодной сторонами. Этот поролоновый вытеснитель тщательно монтируется, чтобы не касаться стенок цилиндра. На рис. 2 показано, как этот конкретный двигатель достигает цикла Стирлинга. В этом двигателе воздух проходит через вытеснитель и вокруг него от горячей стороны, а затем обратно к холодной стороне, создавая импульс мощности как во время горячей, так и во время холодной части цикла. Двигатели Стирлинга могут быть механически довольно простыми, поскольку у них нет ни клапанов, ни свечей зажигания. Это может привести к чрезвычайно высокой надежности, поскольку меньше деталей выходят из строя.

Стоит сравнить двигатели Стирлинга с другими более известными двигателями и отметить их сходство и различия. Двигатели Стирлинга относятся к типу тепловых двигателей. Они превращают тепло в механическую работу и в этом смысле выполняют ту же функцию, что и другие хорошо известные тепловые двигатели, такие как бензиновые, дизельные и паровые двигатели.Как и паровые двигатели, двигатели Стирлинга являются двигателями внешнего сгорания, поскольку тепло поступает в двигатель от источника вне цилиндра, а не от топлива, сгорающего внутри цилиндра. Поскольку тепло в двигателе Стирлинга поступает извне двигателя, двигатели Стирлинга могут быть спроектированы так, чтобы они могли работать на любом источнике тепла, от тепла ископаемого топлива до геотермального тепла и солнечного света. В отличие от паровых двигателей, в двигателях Стирлинга не используется котел, который может взорваться, если за ним не следить.

При работе на солнечном свете или геотермальном тепле двигатели Стирлинга совершенно не загрязняют окружающую среду, но они могут быть двигателями с чрезвычайно низким уровнем выбросов даже при сжигании бензина, дизельного топлива или домашнего мазута. В отличие от бензиновых или дизельных двигателей, в которых каждую минуту происходят тысячи циклов пуска и остановки, горелки в двигателях Стирлинга сжигают топливо непрерывно. Гораздо легче заставить двигатель непрерывного сгорания гореть очень чисто, чем двигатель, который должен запускаться и останавливаться. Прекрасная демонстрация этого принципа — зажечь спичку, дать ей погореть несколько секунд, а затем задуть ее.Большая часть дыма образуется во время фазы запуска и остановки горения.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ

В первые дни промышленной революции взрывы паровых двигателей были настоящей проблемой. Усталость металла не очень хорошо понимали, и паровые машины того времени часто взрывались, убивая и ранив людей поблизости. В 1816 году преподобный Роберт Стирлинг, священник церкви Шотландии, изобрел то, что он назвал «Новый тип двигателя горячего воздуха с экономайзером», как безопасную и экономичную альтернативу пару.Его двигатели не могли взорваться, потребляли меньше топлива и выдавали больше мощности, чем паровые машины того времени.

Двигатели, разработанные Стирлингом и его последователями, были очень инновационными двигателями, но возникла проблема с материалом, который использовался для их изготовления. В двигателе Стирлинга горячая сторона двигатель нагревается до средней температуры пламени, используемого для его нагрева, и остается при этой температуре. Головка блока цилиндров не успевает кратковременно остыть между импульсами мощности.Когда Стирлинг строил свои первые двигатели, чугун был единственным доступным материалом, и когда горячая сторона чугунного двигателя Стирлинга нагревалась почти докрасна, он довольно быстро окислялся. В результате довольно часто прожигалась дыра на горячей стороне, что приводило к остановке двигателя. Несмотря на трудности с материалами, десятки тысяч двигателей Стирлинга использовались для приведения в действие водяных насосов, запуска небольших машин и вращения вентиляторов со времени их изобретения примерно до 1915 года.

По мере того, как в начале 1900-х годов электричество стало более доступным, а бензин стал легко доступным в качестве топлива для автомобилей, электрические двигатели и бензиновые двигатели начали заменять двигатели Стирлинга.

РЕГЕНЕРАЦИЯ

Самым важным изобретением Роберта Стирлинга, вероятно, была особенность его двигателей, которую он назвал «экономайзером». Стирлинг понял, что тепловые двигатели обычно получают свою мощность от силы расширяющегося газа, который давит на поршень. Паровые машины, которые он наблюдал, сбрасывали все свое отработанное тепло в окружающую среду через свои выхлопы, и тепло терялось навсегда.Двигатели Стирлинга изменили все это. Роберт Стирлинг изобрел то, что он назвал «экономайзером», который сохранял некоторое количество тепла от одного цикла и снова использовал его для предварительного нагрева воздуха для следующего цикла.

Это работало следующим образом: после того, как горячий воздух расширился и толкнул поршень настолько далеко, насколько позволял шатун, в воздухе все еще оставалось довольно много тепловой энергии. Двигатели Стирлинга накапливали часть этого отработанного тепла, заставляя воздух течь через трубки экономайзера, которые поглощали часть тепла из воздуха.Затем этот предварительно охлажденный воздух перемещался в холодную часть двигателя, где он очень быстро охлаждался и при охлаждении сжимался, давя на поршень. Затем воздух механически перемещался обратно через трубки экономайзера предварительного нагрева к горячей стороне двигателя, где он нагревался еще больше, расширяясь и толкая поршень вверх. Этот тип аккумулирования тепла используется во многих промышленных процессах и сегодня называется «регенерация». Для работы двигателей Стирлинга не обязательно иметь регенераторы, но хорошо спроектированные двигатели будут работать быстрее и выдавать больше мощности, если у них есть регенератор.

ПРОДОЛЖЕНИЕ ИНТЕРЕСА

Несмотря на то, что мир предлагает множество конкурирующих источников энергии, есть несколько веских причин, по которым интерес к двигателям Стирлинга остается высоким среди ученых, инженеров и государственных деятелей. Двигатели Стирлинга можно заставить работать на любом источнике тепла. Каждый мыслимый источник тепла, от тепла ископаемого топлива до тепла солнечной энергии, может использоваться и использовался для питания двигателя Стирлинга.

Двигатели Стирлинга также имеют максимально возможный теоретический КПД, поскольку их цикл мощности (их теоретическая диаграмма объема давления) соответствует циклу Карно.Цикл Карно, впервые описанный французским физиком Сади Карно, определяет максимальный теоретический КПД любой тепловой машины, работающей между горячим и холодным резервуаром. Формула эффективности Карно: T(hot) – температура на горячей стороне двигателя. T(cold) – температура на холодной стороне двигателя. Эти температуры должны измеряться в абсолютных градусах (Кельвина или Ранкина).

ПРИМЕНЕНИЕ СТИРЛИНГА

Двигатели Стирлинга целесообразно использовать в приложениях, в которых используются преимущества их лучших характеристик, но отсутствуют их недостатки.К сожалению, были предприняты некоторые чрезвычайно целенаправленные исследовательские усилия, которые, по-видимому, упустили из виду критическую важность подбора правильной технологии для правильного приложения.

В 1970-х и 1980-х годах такими компаниями, как General Motors, Ford и Philips Electronics, было проведено огромное количество исследований двигателей Стирлинга для автомобилей. Трудность заключалась в том, что двигатели Стирлинга имеют несколько внутренних характеристик, которые делают создание хорошего автомобильного двигателя Стирлинга довольно сложным.Двигатели Стирлинга любят работать с постоянной мощностью, которая идеально подходит для перекачивания воды, но представляет собой реальную проблему для вождения автомобиля с частыми остановками.

Автомобильные двигатели должны иметь возможность очень быстро изменять уровни мощности, когда водитель разгоняется от остановки до скорости шоссе. Легко спроектировать механизм управления мощностью двигателя Стирлинга, который будет эффективно изменять уровни мощности, просто увеличивая или уменьшая горелку. Но это относительно медленно метод изменения уровней мощности и, вероятно, не является хорошим способом добавить мощность, необходимую для ускорения на перекрестке.Также легко спроектировать простое устройство управления двигателем Стирлинга, которое может быстро изменять уровни мощности, но позволяет двигателю продолжать потреблять топливо на полной мощности даже при малой мощности. Однако представляется довольно сложным разработать механизм управления мощностью, который может изменять уровни мощности быстро и эффективно. Несколько исследовательских двигателей Стирлинга сделали это, но все они использовали очень сложные механические методы для достижения своей цели.

Двигатели Стирлинга не развивают мощность сразу после включения источника тепла. Нагрев горячей стороны двигателя до рабочей температуры и выход на полную мощность может занять минуту или больше. Водители автомобилей привыкли к тому, что полная мощность доступна почти сразу после запуска двигателя.

Несмотря на эти трудности, есть несколько приложений Stirling для автомобилей, которые имеют смысл. Гибридные электромобили, которые включают в себя как батареи, так и двигатель-генератор Стирлинга, вероятно, будут чрезвычайно эффективной системой питания. Аккумуляторы дадут автомобилю мгновенное ускорение, к которому привыкли водители, а бесшумный и чистый двигатель Стирлинга даст водителям свободу совершать длительные поездки вдали от станций зарядки аккумуляторов.В дальних поездках гибридный автомобиль мог сжигать либо бензин, либо дизель, в зависимости от того, какое топливо было дешевле.

Для выработки электроэнергии для дома и бизнеса были протестированы генераторы Стирлинга, работающие на солнечной энергии или природном газе. Они работают на солнечной энергии, когда светит солнце, и автоматически преобразуются в чистый горящий природный газ ночью или в пасмурную погоду.

В двигателях Стирлинга не происходит взрывов, поэтому они могут быть спроектированы так, чтобы работать очень тихо.Шведский оборонный подрядчик Kockums произвел для шведского флота подводные лодки с двигателями Стирлинга, которые считаются самыми тихими подводными лодками в мире.

Авиационные двигатели работают в среде, которая становится все холоднее по мере того, как самолет набирает высоту, поэтому авиационные двигатели Стирлинга, в отличие от любого другого типа авиационных двигателей, могут получить некоторое улучшение характеристик при наборе высоты. Населенные пункты, расположенные рядом с аэропортами, выиграют от максимально возможной бесшумной работы.Двигатели Стирлинга имеют смысл при соблюдении следующих условий:

1. Бесшумность в цене.
2. Доступен очень хороший источник охлаждения.
3. Желательны относительно медленные обороты.
4. Требуется несколько топливных баков.
5. Двигатель может работать с постоянной выходной мощностью.
6. Двигатель не нуждается в быстром изменении уровней мощности.
7. Допустим период прогрева в несколько минут.

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ

В 1983 году Иво Колин, профессор Загребского университета в Хорватии, продемонстрировал первый двигатель Стирлинга, который работал на источнике тепла, более холодном, чем кипящая вода.После публикации своей работы Джеймс Сенфт, профессор математики из Университета Висконсина, Ривер-Фолс построил усовершенствованные двигатели, которые могли работать при все более малых перепадах температур, кульминацией чего стал элегантный и деликатный двигатель Стирлинга, который мог работать при перепаде температур менее 1 °F.

Эти деликатные двигатели представляют ценность в качестве учебного пособия, но они сразу же вызывают любопытство в отношении возможности получения энергии из одного из многих доступных источников низкотемпературного отработанного тепла (менее 100°C).Беглый взгляд на формулу Карно показывает, что двигатель, работающий с горячей стороной при 100°C и холодной стороной при 23°C, будет иметь максимальный КПД Карно [((373 K–296 K)/373 K) × 100] около 21 процента. Если бы можно было построить двигатель, который достиг бы 25 процентов от возможного КПД Карно в 21 процент, он имел бы около 5 процентов общего КПД Карно.

Эта цифра кажется довольно низкой, пока не осознаешь, что вычисление эффективности Карно для двигателя, использующего свободный источник тепла, может не иметь особого смысла.Для этого типа двигателя, вероятно, было бы более целесообразно сначала рассмотреть, какие типы двигателей могут быть построены, а затем использовать доллары за ватт в качестве подходящего показателя качества.

Двигатели Стирлинга, работающие при низких перепадах температур, имеют тенденцию быть довольно большими для такой мощности они выложили. Однако это не может быть существенным недостатком, поскольку эти двигатели могут быть в основном изготовлены из легких и дешевых материалов, таких как пластмассы. Эти двигатели могут использоваться для таких приложений, как орошение и удаленная перекачка воды.

КРИООХЛАДИТЕЛИ

Это не сразу очевидно, но двигатели Стирлинга — обратимое устройство. Если один конец нагревается, а другой охлаждается, они будут производить механическую работу. Но если в двигатель вводится механическая работа путем подключения электродвигателя к выходному валу мощности, один конец будет нагреваться, а другой конец — холодным. В правильно спроектированном охладителе Стирлинга холодный конец будет очень холодным. Для исследовательских целей были созданы охладители Стирлинга, которые охлаждают до температуры ниже 10 К.Охладители Стирлинга размером с пачку сигарет были произведены в больших количествах для охлаждения инфракрасных чипов до 80 К. Эти микроохладители Стирлинга использовались в высокотехнологичных приборах ночного видения, системах слежения за зенитными ракетами и даже в некоторых спутниковых инфракрасных камерах.

Брент Х. Ван Арсделл

См. также: Технологии познания; Двигатели дизельного цикла; бензиновые двигатели; Паровые двигатели; Стиринг, Роберт.

БИБЛИОГРАФИЯ

Сенфт, Дж. Р. (1993).Введение в двигатели Стирлинга. Ривер-Фолс, Висконсин: Moriya Press.

Сенфт, Дж. Р. (1996). Введение в низкотемпературные дифференциальные двигатели Стирлинга. Ривер-Фолс, Висконсин: Moriya Press.

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

Уокер, Г.; Фовель, О.Р.; Ридер, Г.; Бингхэм, Э. Р. (1994). Альтернатива Стерлингу. Ивердон, Швейцария: Издательство Gordon and Breach Science.

Запад, К. (1986). Принципы и применение двигателей Стирлинга.Нью-Йорк: Ван Ностранд Рейнхольд.

Двигатель Стирлинга. История, функции и применение

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневую внешнюю тепловую машину замкнутого цикла, которая преобразует теплоту в полезную механическую работу. Первоначально он был изобретен для конкуренции с паровым двигателем, но из-за его различных ограничений, даже спустя много лет, двигатель Стирлинга не получил широкого распространения и используется только в нескольких специализированных приложениях.

Газ внутри двигателя Стирлинга никогда не покидает двигатель.Они снова и снова нагреваются и охлаждаются, поэтому никогда не выбрасываются в виде взрывоопасного выхлопа. Этот регенеративный двигатель может многократно использовать один и тот же газ для выработки энергии; поэтому двигатель Стирлинга может оказаться намного более эффективным, чем двигатель внутреннего сгорания, используемый в современных автомобилях. Поскольку взрывов не происходит, двигатели Стирлинга работают очень тихо. Также нет горения, так как цикл Стирлинга использует внешний источник тепла, который может быть солнечной энергией или даже теплом, выделяемым разлагающимися растениями.

История двигателя Стирлинга

Источник: Zephyris/Wikimedia Commons

Роберт Стирлинг подал патент на двигатель Стирлинга в 1816 году. применения к движущимся машинам на основе совершенно нового принципа.

В патентной заявке Стирлинга объясняется конструкция и использование регенератора (который он назвал «экономайзером»).Патент также включал первое в истории описание двигателя горячего воздуха с замкнутым циклом. Более того, Стирлинг описал, как его конструкция двигателя может быть использована для таких приложений, как плавка чугуна и стекловаренные печи.

Роберт Стирлинг Источник: Wikimedia Commons

За выдающееся изобретение Роберта Стирлинга называют отцом двигателя Стирлинга.

В 1827 году Роберт Стирлинг и его брат Джеймс Стирлинг подали второй патент на двигатель Стирлинга.В этом патенте предлагалась перевернутая конструкция из исходного патента 1816 года, которая включала насос сжатого воздуха, который мог увеличивать внутреннее давление воздуха для повышения эффективности.

Третий патент, поданный в 1840 году, привел к изобретению знаменитого двигателя Данди, который позже использовался Dundee Foundry Company. В презентации третьего патента, сделанной в 1845 году в Институте инженеров-строителей, Джеймс Стирлинг подчеркнул, что технология двигателя Стирлинга не только направлена ​​​​на экономию топлива, но также может служить более безопасной альтернативой паровому двигателю.Он напомнил присутствующим инженерам, что котлы в паровых машинах часто взрываются и вызывают многочисленные смерти и травмы, и что этого можно было бы избежать, используя вместо них двигатели Стирлинга.

Однако заявления Джеймса Стирлинга не могли компенсировать частые отказы двигателя при эксплуатации при более высоких температурах. Даже Dundee Foundry Company позже заменила свои двигатели Стирлинга паровыми двигателями после того, как столкнулась с неоднократными отказами цилиндров в годы, последовавшие за его установкой.

Двигатель Филипс Стирлинг. Источник: Geni/Wikimedia Commons

Хотя двигатели Стирлинга производились до 1922 года и использовались для перекачки воды на фермах и выработки электроэнергии, попытки разработать двигатель Стирлинга для широкого коммерческого использования оказались в значительной степени безуспешными.

Концепция двигателя Стирлинга была почти забыта на долгие годы. Однако компания Philips, в частности, проявила большой интерес к конструкции двигателя Стирлинга и с 1938 по 1950-е годы получила лицензии на многочисленные патенты, основанные на одной и той же технологии.

К 1952 году компания Philips разработала электрогенератор с двигателем Стирлинга в качестве привода. Хотя это так и не было запущено в массовое производство, исследовательская работа, проведенная Philips, позже привела к разработке криогенных систем охлаждения, в которых используется концепция обратного двигателя Стирлинга.

Как работает двигатель Стирлинга?

Цикл Стирлинга. Источник: Hiroka Nakahara/UBC

Двигатель Стирлинга вырабатывает механическую энергию из тепловой энергии за счет движения двух или более поршней внутри цилиндров.В цилиндре находится определенное количество газа, и изменение давления газа, вызванное циклом Стирлинга, позволяет двигателю Стирлинга выполнять работу.

В двухцилиндровом двигателе Стирлинга один цилиндр нагревается от внешнего источника тепла, а другой охлаждается от внешнего источника охлаждения. Газовые камеры двух цилиндров соединены между собой, а поршни связаны друг с другом механически.

Цикл Стирлинга состоит из следующих шагов:

    1.Изотермическое расширение

Энергия внешнего источника тепла увеличивает внутреннюю температуру, что еще больше увеличивает давление газа внутри цилиндра. Повышение давления газа заставляет поршень двигаться вниз, и совершается работа.

    2. Изохорный отвод тепла

Поршень выталкивает нагретый газ во второй цилиндр (или регенератор), где газ охлаждается, снижая его давление, чтобы его можно было легко сжимать дальше. Тепло, поглощенное регенератором на этом этапе, будет использовано на последнем этапе цикла.

    3. Изотермическое сжатие

Газ сжимается в пространстве, в котором поддерживается неизменно низкая температура, что позволяет газу легко подвергаться изотермическому сжатию. При сжатии газ отдает тепло охладителю.

    4. Изохорный подвод тепла

Второй поршень движется вверх, нагнетая сжатый газ в нагретый цилиндр, где он снова быстро нагревается. Давление в цилиндре нарастает, подвергаясь изотермическому расширению, заставляя двигаться поршень, и цикл Стирлинга продолжается.

Источник: Масато Китадзаки, Кейитиро Юдзаки, Теруюки Акадзава/Yanmar

Наличие регенеративного теплообменника (регенератора) в двигателе Стирлинга делает его намного более эффективным, чем другие предыдущие двигатели с горячим воздухом, которые не имели этого компонента. Эффективность двигателя Стирлинга также прямо пропорциональна разнице температур между источником тепла (первая ступень) и источником охлаждения (вторая ступень).

Почему двигатель Стирлинга не используется в автомобилях?

Источник: Scott Umstattd/Unsplash

Это правда, что двигатель Стирлинга может избавить вас от необходимости время от времени заправлять бак бензином, но существуют некоторые серьезные ограничения, связанные с этой технологией двигателя, которые запрещают производителям автомобилей используя его.

Двигатели Стирлинга не имеют взрывного выхлопа, как в традиционных двигателях внутреннего сгорания, поэтому они очень тихие и не создают шума. Однако для работы двигателя необходим внешний источник тепла, а время, необходимое теплу для перемещения от источника к внутреннему цилиндру, делает двигатель Стирлинга менее отзывчивым, чем бензиновые двигатели. Это также затрудняет быстрое изменение выходной мощности двигателя.

Любой возобновляемый источник тепловой энергии (например, солнечная, геотермальная или ядерная энергия) может использоваться для работы двигателя Стирлинга, что потенциально делает его экологически чистой альтернативой.Кроме того, он не требует особого обслуживания и способен обеспечить более высокую эффективность, чем любой современный двигатель внутреннего сгорания. Несмотря на эти достоинства, более высокие первоначальные инвестиционные затраты и низкая удельная мощность не позволяют автомобильным компаниям использовать технологию двигателей Стирлинга в своих автомобилях, поскольку для выполнения даже небольшого объема работы требуются очень большие и тяжелые двигатели Стирлинга, которые не все возможно реализовать в легковых автомобилях.

Источник: Сиэтлский университет

Однако модифицированные автомобили с двигателем Стирлинга были разработаны НАСА в конце 1970-х годов в рамках их автомобильной программы двигателей Стирлинга.Испытательные проекты в рамках этой программы получили названия MOD I и MOD II, а двигатели для этих испытательных проектов были разработаны Philips и American Motors Corporation (AMC).

MOD II продемонстрировал исключительные результаты в виде сверхэффективного автомобильного двигателя с тепловым КПД 38,5%. В рамках программы двигателей Стирлинга НАСА продемонстрировало возможность создания высокоэффективных автомобилей на основе двигателей Стирлинга, но вскоре финансирование было сокращено, и автопроизводители потеряли интерес к программе.В результате проекты так и не смогли дойти до стадии коммерческого производства.

Применение двигателя Стирлинга

Источник: Recognize Productions/pexels

Двигатель Стирлинга может обеспечивать почти неограниченную энергию в течение длительного периода времени с минимальными вредными выбросами и усилиями. Таким образом, многие крупномасштабные приложения, требующие постоянной мощности, могут использовать технологию двигателя Стирлинга для удовлетворения своих потребностей в энергии.

Регенеративные двигатели с замкнутым циклом кажутся многообещающей альтернативой паровым турбинам, используемым в ядерных реакторах.В таком случае жидкий натрий можно использовать в качестве теплоносителя, а вода может вообще не потребоваться. Двигатели Стирлинга также могут увеличить мощность ядерного реактора и уменьшить количество образующихся радиоактивных отходов.

В мае 2020 года НАСА сообщило, что ядерные реакторы, оснащенные двигателями Стирлинга, могут использоваться для удовлетворения энергетических потребностей человеческих колоний в космосе.

Подводные лодки с двигателями Стирлинга могут дольше оставаться под водой и работают тише обычных подводных лодок.Kocksums Shipyard, шведский производитель подводных лодок, впервые использовал двигатели Стирлинга на своих подводных лодках класса Gotland, которые сейчас используются шведским флотом.

При размещении в центре параболического зеркала двигатели Стирлинга оказались более эффективными в преобразовании солнечной энергии в электрическую по сравнению с фотогальваническими элементами.

Согласно исследованию 2016 года, в котором основное внимание уделялось роли двигателей Стирлинга в производстве солнечной тепловой электроэнергии, технология двигателей с горячим воздухом может сыграть ключевую роль в минимизации углеродного следа человека за счет выработки возобновляемой электроэнергии из солнечного излучения.

• Система комбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ)

Отработанное тепло, производимое системами комбинированного производства тепла и электроэнергии, также известными как когенерационные системы, может быть использовано в сельскохозяйственных и промышленных целях с помощью технологии двигателей Стирлинга.

Британская компания Inspirit Energy в 2016 году запустила зарядное устройство Inspirit, газовую когенерационную установку. Эта установка на базе двигателя Стирлинга могла вырабатывать 3 кВт электроэнергии и 15 кВт тепловой энергии.

• Двигатель Стирлинга для космических полетов

В марте 2020 года преобразователь энергии Стирлинга, расположенный в исследовательской лаборатории Стирлинга в Исследовательском центре Гленна НАСА, отработал 14 лет бесперебойной и необслуживаемой работы.Эта новаторская технология является частью динамических радиоизотопных энергетических систем НАСА (RPS), которые, как надеется агентство, могут удовлетворить потребности в избыточной энергии его длительных космических миссий в будущем.

Двигатель Стирлинга — это технология, которой уже 200 лет, но она еще не использовала свой максимальный потенциал. Существует большая вероятность того, что текущие эксперименты и будущие версии двигателя Стирлинга могут привести нас к будущему с лучшими, устойчивыми и эффективными энергетическими решениями.

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

Введение

Двигатель Стирлинга был изобретен преподобным Робертом Стирлингом около 200 лет назад, в то время двигатель привлек внимание и нашел коммерческое применение (Стирлинг, 1816 г.). Однако в то время быстрое развитие двигателя внутреннего сгорания быстро затмило двигатель Стирлинга. В последние годы возобновился интерес к двигателю Стирлинга, особенно в связи с ростом интереса к технологиям возобновляемых источников энергии.Двигатели Стирлинга призваны сыграть ключевую роль в этой отрасли, поскольку они бесшумны, могут работать на нескольких видах топлива, мало загрязняют окружающую среду и эффективны (Thombare and Verma, 2008). Кроме того, двигатель Стирлинга классифицируется как цикл класса Рейтлингера, что означает, что теоретически он может достичь эффективности Карно (Senft, 1998). Нынешняя неопределенность в отношении доступности ископаемого топлива в будущем и неминуемая угроза изменения климата означает, что необходимо использовать новые источники энергии (Ellabban et al., 2014). Двигатель Стирлинга является первым кандидатом для использования с возобновляемыми источниками энергии, поскольку двигатель работает по замкнутому термодинамическому циклу, который может использовать любой источник тепла. Двигатель Стирлинга также упоминается как наиболее экономически выгодный преобразователь солнечной энергии в диапазоне 5–100 кВтэ (Kongtragool and Wongwises, 2003).

Существует множество различных подходов к моделированию двигателя Стирлинга, и существует несколько различных порядков моделей (Dyson et al., 2004). Эти модели имеют разную сложность, и было проведено несколько исследований, в которых анализируются, сравниваются и обсуждаются различные доступные модели.Первоначально двигатели Стирлинга моделировались с изотермическими рабочими пространствами; однако в последнее время рабочие пространства моделировались как имеющие конечную скорость теплопередачи или как адиабатические. Анализ, проведенный Финкельштейном, был первым в своем роде и представлял собой значительный прогресс в анализе двигателя Стирлинга, когда он рассматривал неизотермические рабочие пространства (Финкельштейн, 1960). Впоследствии Уриели и Берховиц разработали идеальную адиабатическую модель. Эта модель более точно предсказывает рабочие характеристики, поскольку в реальных двигателях Стирлинга цилиндры не предназначены для передачи тепла (Берховиц и Уриели, 1984).В этих моделях производится количественная оценка различных потерь, которые включаются в анализ для прогнозирования производительности реального двигателя, работающего в заданных условиях (Walker, 1980). В самом последнем исследовании была разработана модель с политропными рабочими пространствами (Babaelahi and Sayyaadi, 2015). Значительная часть исследований по оптимизации цикла Стирлинга перешла к численному моделированию, которое в прошлом было слишком затратным с вычислительной точки зрения для использования в целях оптимизации. Однако благодаря обширной работе, проделанной Берховицем и Уриели (1984), модели были значительно ускорены, а более чем 30 лет спустя скорость вычислений также резко увеличилась.Моделирование двигателя Стирлинга, которое изначально выполнялось за 10 минут, теперь выполняется за секунды. Было проведено несколько исследований, направленных на прогнозирование и оптимизацию характеристик двигателя с использованием численных моделей. Исследование, проведенное Timoumi et al. (2008) представили новую модель цикла Стирлинга. Представленная модель использовалась для оптимизации двигателя Стирлинга GPU-3 и двигателя на солнечной энергии со средним перепадом температур (Tlili et al., 2008). Исследование, проведенное Campos et al. (2012) использовали аналогичную модель для максимизации безразмерной эффективности двигателя при определенных условиях.Также было проанализировано влияние изменения параметров на производительность, и было обнаружено, что производительность двигателя устойчива к изменениям некоторых параметров. Сенфт использовал классический анализ Шмидта и провел анализ, направленный на поиск оптимальной геометрии двигателя Стирлинга (Senft, 2002). В других исследованиях также рассматривался анализ неидеальной адиабатической модели второго порядка с использованием подхода многокритериальной оптимизации (Toghyani et al., 2014). Анализ оптимизировал двигатель с точки зрения КПД и перепада давления, представлена ​​граница Парето оптимальных решений.

Было проведено несколько исследований, в которых методология эксергетического анализа применялась к идеальным моделям цикла Стирлинга. Исследование, проведенное Martaj et al. (2006) применили методы эксергетического, энергетического и энтропийного анализа к циклу Стирлинга для оптимизации производительности. Те же авторы в отдельном исследовании проанализировали и оптимизировали двигатель Стирлинга с низкой разностью температур при работе в установившемся режиме (Martaj et al., 2007). де Бур (2003) показал важность учета перепада давления в своем анализе регенератора двигателя Стирлинга, где он доказал, что максимально достижимая эффективность двигателя с циклом Стирлинга составляет половину эффективности Карно.Анализ Wu et al. (1998) сформулировали критерии для оптимизации площади теплопередачи в нагревателе и охладителе. Точно так же Костеа и Фейдт (1998) провели анализ необратимости и влияния площади теплообменника на характеристики двигателя Стирлинга. Эти анализы и оптимизации обычно начинаются с сильно идеализированных моделей цикла Стирлинга, что проблематично, поскольку они не обязательно точно моделируют цикл Стирлинга. Было проведено несколько исследований, в которых изучалась удельная мощность двигателя Стирлинга.Кроме того, было замечено, что коэффициент мертвого объема оказывает значительное влияние на производительность, особенно когда предполагается адиабатическое рабочее пространство (Wills and Bello-Ochende, 2016). Влияние мертвого объема также упоминалось несколькими авторами как отрицательно влияющее на выходную мощность двигателей Стирлинга (Kongtragool and Wongwises, 2006; Puech and Tishkova, 2011). Эти исследования проанализировали, как мертвый объем отрицательно влияет на эффективность цикла и выходную мощность. В нескольких исследованиях была предпринята попытка оптимизировать удельную мощность двигателя Стирлинга, поскольку объем двигателя представляет экономический интерес (Эрбай и Явуз, 1997, 1999).Эти анализы оптимизировали устройство с точки зрения максимальной удельной мощности, поскольку в результате получаются двигатели с хорошей удельной мощностью и высокой эффективностью.

Было проведено множество исследований, в которых оптимизировались энергетические циклы с использованием методологии анализа эксергии. Где эксергия определяется как энергия, доступная для выполнения работы. Теорема Гуи-Стодола, которая описывает взаимосвязь между обратимой работой W˙rev, необратимой работой W˙irrev, производством энтропии S˙gen и температурой окружающей среды T ₀ (Bejan, 1996), можно увидеть ниже в виде уравнения.1.

W˙rev−W˙irrev=W˙lost=T0S˙gen. (1)

Разработка этого уравнения была крупным достижением в термодинамике того времени, и это выражение показывает, что скорость образования энтропии прямо пропорциональна скорости уничтожения работы. При использовании этой методологии было подчеркнуто, что крайне важно оптимизировать систему в целом, а не отдельные компоненты (Бежан, 2006). Это делается, поскольку распространение необратимости на всю систему, а не минимизация ее в отдельных компонентах, приводит к действительно оптимизированной системе.

В этой статье представлен новый подход к моделированию потерь и оптимизации двигателя Стирлинга альфа-типа, который включает применение методологии эксергетического анализа к идеальной адиабатической модели цикла Стирлинга. Модель включает в себя необратимость из-за передачи тепла через конечную разницу температур, перепады давления и потери на кондуктивные тепловые мостики. Представленная модель используется с алгоритмом неявной фильтрации для оптимизации двигателя Стирлинга длиной 1000 см ³ для максимальной выработки мощности с четырьмя различными типами сетки регенератора и фиксированным входом энергии.При расчете рабочим телом считается идеальный газ, а в нагревателе и охладителе предполагается конечная теплоемкость, количество трубок нагревателя и охладителя также фиксировано.

Физическая модель

В этом разделе представлена ​​методология, используемая для оптимизации двигателя Стирлинга типа ³ alpha с рабочим объемом 1000 см для достижения максимальной производительности при фиксированном потреблении энергии. Рабочей жидкостью считается сжатый воздух, который ведет себя как идеальный газ. Предполагается, что внешние жидкости нагревателя и охладителя имеют конечную теплоемкость, и в этом анализе используются четыре различных типа сетки регенератора.

Модель Описание

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

Рисунок 1 . Схема двигателя Стирлинга типа альфа.

Выражения для объемов пространства сжатия и расширения – уравнения 2 и 3. Уравнение. 2 вычисляет объем в пространстве сжатия V _c , используя объем зазора V _ccl , рабочий объем V _{c, рабочий объем} и угол поворота коленчатого вала θ.

Vc=Vccl+Vc,swept21+cosθ. (2)

Аналогично, уравнение 3 вычисляет объем в расширительном пространстве, используя объем зазора V _ecl , рабочий объем V _{e, рабочий объем} , угол поворота коленчатого вала θ и разность фаз α.

Ve=Vecl+Ve,swept21+cosθ+α. (3)

Уравнения необходимы для определения объемов теплообменников по геометрическим переменным. Уравнения 4–9 представляют собой уравнения для объема V и площади A охладителя, нагревателя и регенератора соответственно.

Уравнения 4 и 5 определяют объем V _k и площадь поверхности A _k в охладителе. В этих уравнениях используется количество трубок охладителя N _k , длина охладителя L _k и диаметр трубки охладителя D _k .

Уравнения 6 и 7 определяют объем V _h и площадь поверхности A _h нагревателя. В этих уравнениях используется количество труб нагревателя N _h , длина нагревателя L _h и диаметр трубки нагревателя D _h .

Уравнения 8 и 9 определяют объем V _r и площадь поверхности A _r в регенераторе. В этих уравнениях используются пористость сетки ε , длина регенератора L _r , диаметр регенератора D _r и гидравлический диаметр d _hyd .

На рис. 1 показаны различные переменные двигателя. Для моделирования двигателя некоторые переменные фиксированы, и в Таблице 1 приведены эти переменные и их значения.Значения выбраны на основе идеализированной модели двигателя Стирлинга, а количество трубок нагревателя и охладителя выбрано на основе реальных двигателей Стирлинга (Timoumi et al., 2008). Количество трубок нагревателя намного меньше, чем количество трубок охладителя; это связано с тем, что снижение температуры рабочего тела в охладителе оказывает большее влияние на работу двигателя, чем повышение температуры рабочего тела в подогревателе. Другая причина, по которой в нагревателе меньше трубок, заключается в том, что в настоящих двигателях Стирлинга через нагреватель могут протекать продукты сгорания.В зависимости от источника топлива это может привести к загрязнению теплообменника, поэтому расстояние между трубками важно для облегчения очистки. Через кулер обычно течет вода, что означает, что он не загрязняется так быстро, как нагреватель.

Таблица 1 . Таблица фиксированных параметров.

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

Математическая модель

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

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

Рисунок 2 . Последовательно соединенная составляющая и температурная диаграмма цикла Стирлинга.

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

Идеальная адиабатическая модель

Идеальная адиабатическая модель была разработана Уриели и Берховицем как средство более точного моделирования реального цикла Стирлинга. Во время разработки этих моделей решение итерационных схем занимало слишком много времени, чтобы сделать модель полезной для оптимизации геометрии двигателя Стирлинга. Однако благодаря достижениям в области вычислений и более совершенным моделям решения приходят за секунды, а не за минуты, что делает эти численные модели подходящими для целей оптимизации.

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

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

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

Предполагая, что общая масса рабочей жидкости в устройстве представляет собой сумму масс рабочей жидкости в каждом компоненте, получаем уравнение. 11.

Предполагая, что масса рабочей жидкости остается постоянной, дает уравнение. 12.

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

Для охладителя, регенератора и нагревателя объем и температура считаются постоянными. Следовательно, разность масс определяется как уравнения 13–15.

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

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

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

CvdmT=dQ-dW+Cpm˙inTin-m˙outTout. (17)

Преобразование уравнения. 17, чтобы получить изменение массы в пространствах сжатия и расширения, дает уравнения 18 и 19.

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

Подставив уравнения 18 и 19 в уравнение 16 и перестановки дает уравнение. 20.

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

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

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

Массовые потоки через границы отсека определяются уравнениями 23–26.

m˙kb=m˙cb−dmk, (24)

Условные температуры, которые зависят от направления потока жидкости в нагревателе и охладителе, представляют собой уравнения 27 и 28.

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

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

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

Уравнения энергии, описывающие работу цикла, представляют собой уравнения 32 и 33.

Потери потока

При расчете перепада давления Δ P в теплообменниках используется метод коэффициента трения Рейнольдса f _r , так как это приводит к изменению знака перепада давления при изменении направления потока (Bercowitz and Urieli, 1984) .Коэффициент трения Рейнольдса определяется как коэффициент трения Дарси f _D , умноженный на число Рейнольдса Re.

Уравнение 34 используется для расчета перепада давления Δ P , где используются вязкость μ, скорость газа u , объем V , проходное сечение A _расход и гидравлический диаметр d _.

ΔP=−frμvV2Aflowdhyd2. (34)

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

В случае охладителя и нагревателя для расчета коэффициента трения Дарси используются отношения однонаправленного потока в гладкой трубе f _D (Joseph and Yang, 2010). Эти соотношения относятся к течению в турбулентном режиме, рассматриваемом как уравнения 36 и 37.

fD=0,351Re−0,255(3050 Отношения теплопередачи

Уравнения 38 и 39 относятся к числу Нуссельта Nu и эффективности ε регенератора (Tanaka et al., 1990).

Численное=0,33Remean0,67, (38)

Уравнение 40 представляет собой соотношение Гнелинского, которое используется для расчета числа Нуссельта в нагревателе и охладителе (Гнелински, 1975). Затем это, в свою очередь, используется для расчета коэффициента теплопередачи ч в нагревателе и охладителе.

Nu=hDk=fD/8Re−1000Pr1+12,7fD/81/2Pr2/3−1(3000 Предполагая, что общий коэффициент теплопередачи U в нагревателе и охладителе равен коэффициенту теплопередачи h внутри труб, это, в свою очередь, используется для расчета количества единиц теплопередачи (NTU), рассматривается как уравнение41.

Это используется для расчета NTU в нагревателе и охладителе, который, в свою очередь, используется для вычисления эффективности ε в нагревателе и охладителе, рассматриваемой как Eq. 42.

Кондуктивные тепловые потери

В анализ включены потери на кондуктивные тепловые мостики Q˙cond, поскольку тепло передается между горячими и холодными частями двигателя (Ahmadi et al., 2016). Уравнение 43 количественно определяет кондуктивные тепловые потери, которые рассчитываются с использованием теплопроводности регенератора k _cond , площади проводимости A _cond , длины регенератора L _r и нагревателя _ч и температура охладителя T _k .

Q˙cond=kcondAcondLrTh−Tk. (43)

Анализ эксергии

Определение эксергии двигателя дает уравнение. 44. Это уравнение используется для расчета выхода работы W˙net, используя входную эксергию X˙in, выходную эксергию X˙out и коэффициент необратимости İ, который равен T0S˙gen,total.

W˙net=X˙in-X˙out-İ. (44)

Математически определяя второй закон через угол поворота коленчатого вала θ, получаем уравнение. 45.

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

Таким образом, определение генерации энтропии за цикл S _gen и предположение, что массовый расход dmdθ через теплообменники является постоянным, дает уравнение.46. ​​

Sgen=∫ 2π0 dmdθsout−sindθ−QT. (46)

Определение разницы в энтропии между входящим и выходящим газом S _out − S _in дает уравнение. 47.

sout-sin=CplnToutTin-RlnPoutPin. (47)

Подставляя уравнение. 47 в 46 дает энтропию, генерируемую за цикл Sgen, которая равна уравнению. 48.

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

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

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

Поскольку поток реверсивный, генерация энтропии из-за перепада давления может быть записана в виде уравнения. 50.

S˙gen,ΔP=R2π∫ 2π0 m˙lnPoutPindθ. (50)

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

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

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

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

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

εr=Thb-TkTh-Tk=Th-TkbTh-Tk. (53)

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

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

Предполагая, что скорость генерации энтропии в пространствах расширения и сжатия пренебрежимо мала по сравнению со скоростью генерации энтропии в теплообменниках S˙gen,e=S˙gen,c=0, суммарная скорость генерации энтропии S˙gen,total можно рассчитать путем суммирования скоростей генерации энтропии в нагревателе S˙gen,h, регенераторе S˙gen,r и охладителе S˙gen,k, как видно из уравнения55.

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

Определение целевой функции путем подстановки уравнений 51, 52 и 55 в уравнение 55 и предполагая, что все теплообменники совершенно адиабатические, дает уравнение. 56.

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

Уравнение 56 представляет собой целевую функцию, которая дает выходную мощность двигателя.Эта функция используется для оптимизации геометрии двигателя Стирлинга.

Метод решения

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

Алгоритм оптимизации

Для оптимизации геометрии и рабочей частоты двигателя Стирлинга задача изначально формулируется как задача минимизации ограниченных ограничений. Стандартной формой такой задачи является уравнение. 57.

где

Минимизируемая функция: уравнение 57, которая представляет собой целевую функцию для сетевой мощности двигателя.Эта оптимизация достигается за счет минимизации отрицательного результата работы. Однако уравнения, изложенные в предыдущем разделе, имеют несколько характеристик, которые делают оптимизацию целевой функции непригодной для классических алгоритмов, основанных на градиенте. Проблемы, которые делают функцию непригодной для схем оптимизации на основе градиента, перечислены ниже:

1. Функция прерывистая.

2. Работа не плавная.

3. Некоторый цифровой шум.

4. Мало что известно о функциональном пространстве.

5. Каждая оценка функции стоит дорого.

Описанная функция обладает этими характеристиками, поэтому требуется специальный алгоритм. Алгоритмом выбора является схема неявной фильтрации, первоначально разработанная профессором Келли и его коллегами (Келли, 1999, 2011). Этот алгоритм был разработан для зашумленных задач, где информацию о производных слишком сложно получить или она неточна. В своей простейшей форме метод, разработанный Келли, представляет собой алгоритм наискорейшего спуска с разностными градиентами, которые постепенно уменьшаются по мере приближения решения к минимуму.Используемый квазиньютоновский метод представляет собой обновление Бройдена-Флетчера-Шенно-Голдфарба. Это обновление позволяет быстро и эффективно аппроксимировать обратный гессиан.

Результаты и обсуждение результатов

Процедура анализа и оптимизации позволила найти оптимальную геометрию и частоту вращения двигателя, обеспечивающие максимальную выходную мощность сети при фиксированном подводе тепла. Переменными, которые были оптимизированы, являются общая длина теплообменника, коэффициент мертвого объема, длина регенератора, длина трубы нагревателя, длина трубы охладителя, отношение объема пространства сжатия к пространству расширения, разность фаз и рабочая частота.

Производительность и эффективность работы

Рис. 3 представляет собой график максимальной производительности сети, минимальной общей скорости необратимости и поглощенной энергии в зависимости от температуры на входе нагревателя для четырех различных типов сетки.

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

На рис. 3 показано, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель максимальная выходная мощность сети увеличивается, а минимальная скорость необратимости уменьшается. Причина в том, что оптимальная рабочая частота двигателя уменьшается с увеличением температуры на входе в подогреватель, что снижает степень необратимости. Также видно, что оптимальная длина регенератора увеличивается, а эффективность регенератора снижается, что снижает необратимость теплообмена в регенераторе. Это наиболее заметно в сетке WN200, поскольку эта сетка является самой тонкой сеткой, обеспечивающей наибольшую площадь теплопередачи на единицу объема, тогда как WN50 предлагает наименьшую площадь теплопередачи на единицу объема.

На рис. 4 представлена ​​зависимость максимальной сетевой мощности и максимальной тепловой эффективности от температуры на входе нагревателя.

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

График максимальной эффективности, показанный на рисунке 4B, следует из графика максимального выхода сети, показанного на рисунке 4A. Из этих рисунков видно, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель увеличивается максимальная мощность сети и максимальный КПД.Также видно, что сетка WN200 обеспечивает более высокую производительность, чем другие типы сеток. Принимая во внимание, что WN50 дает самую низкую производительность. Причина этого в том, что сетка WN200 является самой тонкой сеткой, которая дает наибольшую площадь поверхности на единицу объема, что приводит к сетке, которая дает самую низкую степень необратимости в регенераторе. Сетка WN200 также приводит к наименьшему регенератору с точки зрения объема пустот, что означает, что большая часть доступного мертвого объема может быть выделена для нагревателя и охладителя.Это дает более крупные трубы нагревателя и охладителя, имеющие большую площадь поверхности и меньший перепад давления, что приводит к более низким показателям необратимости в этих компонентах, а в сочетании с повышенной производительностью регенератора дает более высокую общую производительность двигателя.

Распределение тома

На рис. 5 представлена ​​зависимость оптимального коэффициента мертвого объема от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 5 . Оптимальное отношение мертвого объема к температуре на входе в нагреватель.

На рис. 5 показано, что оптимальный коэффициент мертвого объема уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Это связано с тем, что с увеличением разницы температур между нагревателем и охладителем оптимальная мертвая емкость уменьшается. В случае идеальной адиабатической модели существует оптимальный коэффициент мертвого объема для максимального выхода сети, и по мере того, как коэффициент мертвого объема стремится к единице, эффективность цикла увеличивается до эффективности Карно (Wills and Bello-Ochende, 2016). Эти два разных конструктивных момента играют неотъемлемую роль в оптимизации цикла Стирлинга, поскольку оптимальное соотношение мертвого объема достигается при балансировке полезной мощности и эффективности с мертвым объемом, который обеспечивает оптимальную геометрию двигателя для минимальной степени необратимости. .При дальнейшем изучении результатов можно сделать вывод, что существуют расчетные точки, дающие более низкие показатели необратимости. Однако распределение объема не близко к оптимальному, что снижает общую производительность двигателя. Следовательно, скорость необратимости необходимо свести к минимуму, а также оптимизировать распределение объема.

На рис. 6 представлена ​​зависимость оптимального отношения рабочего объема от температуры на входе в нагреватель.

Рисунок 6 . Оптимальное отношение рабочего объема к температуре на входе в нагреватель.

На рис. 6 видно, что оптимальное соотношение рабочего объема уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого в том, что отношение температур нагревателя к температуре охладителя увеличивается с увеличением температуры на входе в нагреватель. При анализе идеальной модели оптимальное отношение рабочего объема пространства сжатия к рабочему объему пространства расширения всегда меньше единицы и уменьшается с увеличением соотношения температур нагревателя и охладителя. Это связано с тем, что по мере увеличения отношения температур нагревателя к охладителю доля тепла, передаваемого из охладителя, уменьшается, поэтому требуется меньшая работа пространства для сжатия, поскольку этот объем работы прямо пропорционален тепловой нагрузке в охладителе.Это дает меньшее пространство сжатия по сравнению с пространством расширения, поскольку это уменьшает ввод работы пространства сжатия по сравнению с выходом работы пространства расширения.

Геометрия теплообменника

Размер теплообменников оказывает значительное влияние на работу двигателя Стирлинга. На следующих графиках показаны оптимальные значения геометрии теплообменника при различных температурах на входе в подогреватель, которые соответствуют оптимальной работе двигателя при фиксированной подводимой теплоте.

На рис. 7 представлена ​​зависимость оптимальной длины регенератора от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сетки.

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

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

На рис. 8 представлена ​​зависимость оптимальной эффективности регенератора от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сетки.

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

Рисунок 8 показывает, что сетка WN200 обеспечивает наибольшую оптимальную эффективность регенератора, причина этого в том, что сетка WN200 является самой тонкой сеткой и, следовательно, дает наибольшую площадь теплопередачи на единицу объема. Это положительно влияет на работу двигателя, так как более высокая эффективность регенератора снижает необратимость теплообмена, тем самым снижая общую степень необратимости.Сетка WN200 также обеспечивает самый низкий перепад давления из всех типов сетки, это означает, что двигатель с сеткой WN200 будет работать на более высокой частоте, что увеличивает производительность двигателя. Причина более низкого перепада давления заключается в том, что тип сетки WN200 приводит к более широкому и короткому оптимальному регенератору, что снижает падение давления по сравнению с сеткой WN50, которая длиннее.

На рис. 9 представлена ​​зависимость оптимальной длины и диаметра трубки охладителя от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сетки.

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

На рис. 10 представлена ​​зависимость оптимальной длины и диаметра трубы нагревателя от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сетки.

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

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

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

На рисунках 9 и 10 показано, что длина и диаметр трубок охладителя и нагревателя уменьшаются с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина этого в том, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель оптимальная рабочая частота снижается; тем самым уменьшая массовый расход рабочего тела через теплообменники.Из-за этого снижения расхода уменьшается падение давления в регенераторе, что приводит к увеличению длины регенератора и уменьшению диаметра, что повышает эффективность регенератора, что снижает степень необратимости в регенераторе. Это уменьшает мертвый объем, который может быть отнесен к другим теплообменникам, поскольку объем пустот регенератора увеличивается с увеличением длины регенератора, а оптимальный коэффициент мертвого объема также уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель.Следовательно, длина и диаметр трубок охладителя и нагревателя уменьшаются по мере уменьшения доступного мертвого объема и увеличения объема пустот регенератора. Это приводит к уменьшению площади поверхности теплообменника, что влияет на эффективность теплообмена.

На рис. 11 показано, что эффективность охладителя и нагревателя снижается с увеличением температуры на входе в нагреватель. Причина такого снижения эффективности заключается в том, что оптимальная частота вращения двигателя уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель, что снижает коэффициент теплопередачи в нагревателе, а площадь поверхности в нагревателе также уменьшается по мере уменьшения оптимального коэффициента мертвого объема и объема пустот. регенератора увеличивается.Это уменьшает NTU в нагревателе, что приводит к снижению эффективности.

При сравнении рисунков 9–11 видно, что охладитель имеет большую площадь поверхности и большую эффективность, чем нагреватель, потому что трубок охладителя больше, чем трубок нагревателя. Это указано, поскольку производительность охладителя оказывает гораздо более выраженное влияние на производительность двигателя, чем нагреватель. Снижение температуры рабочего тела в охладителе оказывает сравнительно большее влияние на КПД, чем повышение температуры рабочего тела в нагревателе, что легко проиллюстрировать простым анализом выражения для КПД Карно.

Рабочая частота

Это исследование отличается от многих других тем, что рассчитывается оптимальная рабочая частота двигателя, тогда как в других исследованиях рабочая частота указывается. Этот подход позволяет оптимизировать рабочую частоту с другими переменными для обеспечения оптимальной работы двигателя.

На рис. 12 представлен график зависимости оптимальной рабочей частоты от температуры на входе в нагреватель для четырех различных типов сетки регенератора.

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

На рис. 12 показано, что оптимальная рабочая частота снижается с увеличением температуры на входе нагревателя. Причина этого заключается в том, что по мере увеличения температуры на входе в нагреватель увеличивается количество энергии, поглощаемой за цикл, поэтому требуемая рабочая частота для поглощения заданной входной энергии уменьшается. График также показывает, что тип сетки WN200 обеспечивает более высокую оптимальную рабочую частоту, чем тип сетки WN50.Разница в рабочей частоте для каждого типа сетки заключается в том, что число Рейнольдса в регенераторе для данного массового расхода больше для сетки типа WN50, чем для сетки типа WN200. Это приводит к тому, что оптимальная рабочая частота выше для сетки типа WN200, поскольку оптимальное число Рейнольдса в регенераторе находится на более высокой рабочей частоте для сетки типа WN200, чем для сетки типа WN50. Эта повышенная рабочая частота также повышает производительность нагревателя и охладителя по мере увеличения массового расхода.

Этот результат также показывает, почему более крупные машины будут работать лучше, поскольку более крупные машины будут поглощать больше энергии за цикл и, таким образом, допускают более низкие рабочие частоты и, таким образом, более низкий уровень необратимости в регенераторе. Этот эффект был бы особенно заметен в случае более низких температур на входе в нагреватель, так как здесь рабочая частота высока, и ее уменьшение резко улучшило бы работу двигателя.

Разность фаз

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

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

На рис. 13 показана оптимальная разность фаз в зависимости от температуры на входе в нагреватель для четырех типов разностных сеток. График показывает, что для каждой температуры на входе в нагреватель существует оптимальная разность фаз, которая уменьшается с увеличением температуры на входе в нагреватель. График показывает, что оптимум отличается от оптимума π/2 рад, который является оптимальным, полученным при анализе идеального цикла.Причина такого различия заключается в том, что разность фаз сильно влияет на массовые потоки через устройство, а также на минимальный и максимальный объемы двигателя, тем самым влияя на характеристики двигателя.

Заключение

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

Вклад авторов

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

Заявление о конфликте интересов

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

Благодарности

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

Финансирование

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

Список литературы

Ахмади, М. Х., Мохаммад, А. А., и Мехди, М. (2016). Исследование влияния конструктивных параметров на выходную мощность и тепловой КПД двигателя Стирлинга методом термодинамического анализа. Междунар. J. Низкоуглеродная технология. 11, 141–156. doi:10.1093/ijlct/ctu030

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Академия Google

Берховиц, Д., и Уриели, И. (1984). Анализ двигателя с циклом Стирлинга, альтернативные источники энергии . Бристоль: Адам Хилгер.

Академия Google

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

де Бур, П.CT (2003). Максимально достижимая производительность двигателей Стирлинга и холодильников. J. Теплопередача 5, 911–915. дои: 10.1115/1.1597618

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дайсон Р.В., Уилсон С.Д. и Тью Р.К. (2004). «Обзор вычислительных методов анализа Стирлинга», в 2-й Международной конференции по инженерии преобразования энергии (Провиденс: Американский институт аэронавтики и астронавтики), 511–531. дои: 10.2514/6.2004-5582

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эллаббан, О., Абу-Руб, Х., и Блобьерг, Ф. (2014). Возобновляемые энергетические ресурсы: текущее состояние, будущие перспективы и их обеспечивающие технологии. Продлить. Поддерживать. Energy Rev. 39, 748–764. doi:10.1016/j.rser.2014.07.113

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрбай, Л.Б., и Явуз, Х. (1997). Анализ тепловой машины Стирлинга в режиме максимальной мощности. Энергия 22, 645–650. дои: 10.1016/S0360-5442(96)00159-4

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эрбай, Л.Б. и Явуз Х. (1999). Оптимизация необратимой тепловой машины Стирлинга. Междунар. J. Energy Res 23, 863–873. doi:10.1002/(SICI)1099-114X(199908)23:10<863::AID-ER523>3.0.CO;2-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фейрес, Дж., и Берден, Д. (2010). Численный анализ . Бостон: Брукс Коул.

Академия Google

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гнелинский, В. (1975). «Новые уравнения тепло- и массопереноса при турбулентном течении в трубах и каналах», в NASA STI/Recon Technical Report A , Berlin, Vol. 75, 8–16.

Академия Google

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Академия Google

Келли, Коннектикут (2011). Неявная фильтрация . Роли: СИАМ.

Академия Google

Конгтрагул, Б., и Вонгвайз, С. (2003). Обзор двигателей Стирлинга на солнечной энергии и низкотемпературных дифференциальных двигателей Стирлинга. Продлить. Поддерживать.Energy Rev. 7, 131–154. дои: 10.1016/S1364-0321(02)00053-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Конгтрагул, Б., и Вонгвайз, С. (2006). Термодинамический анализ двигателя Стирлинга, включая мертвые объемы горячего пространства, холодного пространства и регенератора. Продлить. Энергия 31, 345–359. doi:10.1016/j.renene.2005.03.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мартай, Н., Гросу, Л., и Рошель, П. (2006). Эксергетический анализ и оптимизация конструкции двигателя Стирлинга. Междунар. Дж. Энергия 3, 45–67. doi:10.1504/IJEX.2006.008325

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пуэч П. и Тишкова В. (2011). Термодинамический анализ двигателя Стирлинга, включая мертвый объем регенератора. Продлить. Энергия 36, 872–878. doi:10.1016/j.renene.2010.07.013

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Академия Google

Танака М., Ямасита И. и Чисака Ф. (1990). Расходные и теплообменные характеристики регенератора двигателя Стирлинга в колебательном потоке. JSME Междунар. J. 33, 283–289.

Академия Google

Томбаре, Д.Г. и Верма, С.К. (2008). Развитие технологий в двигателях с циклом Стирлинга. Продлить. Поддерживать. Энерг. Ред. 12, 1–38. doi:10.1016/j.rser.2006.07.001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тимоуми, Ю., Тлили, И., и Насралла, С.Б. (2008). Оптимизация работы двигателей Стирлинга. Продлить. Энергия 33, 2134–2144. doi:10.1016/j.renene.2007.12.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тлили И., Тимуми Ю. и Насралла С.Б. (2008). Анализ и рассмотрение конструкции двигателя Стирлинга с перепадом средней температуры для использования на солнечной энергии. Продлить. Энергия 33, 1911–1921. doi:10.1016/j.renene.2007.09.024

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Тогьяни, С., Касаеян, А., и Ахмади, М. Х. (2014). Многокритериальная оптимизация двигателя Стирлинга с использованием неидеального адиабатического метода. Преобразователи энергии. Manag. 80, 54–62. doi:10.1016/j.enconman.2014.01.022

CrossRef Полный текст | Google Scholar

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

Академия Google

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

Академия Google

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

Академия Google

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

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Двигатель Стирлинга | Как работает двигатель Стирлинга?

Двигатели внешнего сгорания (EC) наиболее широко используются во всем мире в различных транспортных средствах. Существует несколько типов двигателей в соответствии с потребностями приложений.Двигатель Stirling — самый известный тип двигателя EC. Это паровой двигатель. Это наиболее часто используемый двигатель. В этой статье мы в основном будем обсуждать различные аспекты двигателя Стирлинга.

Что такое двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга представляет собой поршневой двигатель, преобразующий тепловую энергию топлива в механическую энергию путем нагрева и охлаждения рабочей жидкости, находящейся внутри цилиндра .Поскольку это поршневой двигатель, в нем используется поршень, а не вращающийся ротор, как в двигателе Ванкеля.

В 1816 , Роберт Стирлинг изобрел двигатель Стирлинга . Цикл Стирлинга имеет почти такой же тепловой КПД, как цикл Карно .

Этот двигатель внешнего сгорания имеет более высокий КПД, чем двигатель внутреннего сгорания (например, дизельный двигатель или бензиновый двигатель). В настоящее время двигатели Стирлинга израсходованы только для очень специальных применений, например, для подводных лодок.

Работа двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга работает на основе цикла Стирлинга.

Работа двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга работает следующим образом:

• Когда оператор включает стартер двигателя, также запускается внешний источник тепла. Оператор контролирует усилие с помощью предусмотренного механизма.
• При активации внешнего источника тепла тепло начинает передаваться от источника тепла к горячему концу цилиндра.Этот процесс теплопередачи увеличивает температуру молекул газа, попавших в горячую часть цилиндра. При повышении температуры молекул газа между ними начинает возникать возмущение и молекулы газа начинают расширяться внутри цилиндра.
• Расширение газа увеличивает давление на поверхность поршня, отталкивает поршень и производит полезную работу.
• Поршень вытеснителя соединен с коленчатым валом. Движение коленчатого вала заставляет поршень вытеснителя перемещаться между холодным и горячим концами цилиндра.
• Движение поршня вытеснителя вызывает газообмен от холодного конца к горячему и от горячего конца к холодному концу цилиндра.
• Газ с горячей стороны приводит в действие поршень вытеснителя, который переносит газ в холодную часть цилиндра.
• Когда горячий газ поступает в холодную часть, охлаждающее устройство извлекает тепло горячего газа и охлаждает его.
• После охлаждения газа поршень сжимает газ в холодном конце цилиндра.Охлаждающее устройство отводит избыточное тепло от газа.
• После процесса сжатия поршень вытеснителя направляет сжатый газ обратно в горячий конец цилиндра, где цикл повторяется.

Это принцип работы двигателя Стирлинга. Как вы можете видеть выше, в этом цикле нет двигателя внутреннего сгорания, подобного такту выхлопа. Следовательно, двигатель Стирлинга имеет более высокий КПД, чем двигатель внутреннего сгорания (ВС).

Для лучшего понимания работы двигателя Стирлинга посмотрите следующее видео:

Читайте также: Работа четырехтактного двигателя

Типы двигателей Стирлинга

Двигатель Стирлинга имеет следующие основные типы:

1. Двигатель Альфа
2. Бета-двигатель
3. Гамма Двигатель
4. Двигатель двойного действия
5. Роторный двигатель Стирлинга

1) Двигатель Альфа Стирлинга

Двигатель Alpha Stirling имеет два цилиндра:

• Горячий или расширительный цилиндр
• Холодный цилиндр или цилиндр сжатия

Двигатель Стирлинга Alpha

Горячий цилиндр соединен с внешним источником тепла.Этот источник тепла отдает тепло газу в горячем цилиндре. Напротив, холодный цилиндр имеет охлаждающее устройство. Это охлаждающее устройство использует для извлечения тепла газа, полученного горячим цилиндром. Эти два цилиндра соединяются общей трубой или трубкой, по которой горячий газ переходит из горячего цилиндра в холодный цилиндр и наоборот.

• Эти двигатели малой мощности. Поэтому они используются для целей легкой нагрузки.
• Альфа-двигатель имеет два силовых поршня.

2) Бета-двигатель Стирлинга

Бета-двигатель имеет только один цилиндр. Один конец этого цилиндра соединен с охлаждающим устройством, а другой — с источником тепла.

Двигатель Стирлинга Beta

Цилиндр двигателя Beta Stirling имеет два поршня:

1.   Силовой поршень
2. Поршень вытеснителя

Силовой поршень помогает двигателю контролировать подачу жидкости и запускает двигатель, а вытеснительный поршень устанавливается между холодным и горячим концами цилиндра.Поршень вытеснителя используется для передачи горячего газа от горячего конца к холодному концу и холодного газа от холодного конца к горячему концу цилиндра. Коленчатый вал управляет движением вытеснителя внутри цилиндра.

Силовой поршень соединяется с маховиком и совершает возвратно-поступательные движения между холодной и горячей сторонами цилиндра. Этот поршень отвечает за выходную мощность.

• Бета Двигатель Стирлинга имеет большую мощность. Поэтому он используется для приложений с высокой нагрузкой.

Читайте также: Различные типы двигателей

3) Двигатели Gamma

Этот тип двигателя EC имеет силовой поршень и вытеснитель, соединенные с двумя отдельными цилиндрами.

Гамма Двигатель Стирлинга

Газ из двух цилиндров свободно течет между ними и остается интегрированным. Из-за большого объема соединения между двумя цилиндрами эта конструкция имеет более низкую степень сжатия, но имеет простую конструкцию и обычно используется в многоцилиндровом двигателе Стирлинга.

Кроме того, в процессе расширения в области сжатия происходит некоторое расширение, что приводит к уменьшению удельной мощности.

4) Роторный двигатель Стирлинга

Эти двигатели предназначены для преобразования мощности цикла Стирлинга в крутящий момент.

5) Двустороннего действия Тип

Поршень этого типа двигателя использует оба конца (верхний и нижний) для нагнетания смеси.

Читайте также: Различные типы двигателей внутреннего сгорания

PV Схема цикла Стирлинга

Двигатель Стирлинга работает по циклу Стирлинга.Цикл Стирлинга работает следующим образом:

1. Изотермическое расширение
2. Изохорный отвод тепла
3. Изотермическое сжатие
4. Изохорный подвод тепла

Цикл Стирлинга

1) Изотермическое расширение (линия 1–2)

В изотермическом ( постоянная температура ) процессе расширения энергия передается от внешнего источника тепла газу, находящемуся в цилиндре.

Когда молекулы газа получают энергию, они начинают расширяться. Из-за расширения молекул газа давление газа увеличивается, что заставляет поршень двигаться из горячего цилиндра в холодный цилиндр.

2) Изохорный отвод тепла (линии 2–3)

В изохорном (постоянном объеме) процессе отвода тепла цикла Стирлинга вытеснитель переносит горячий газ из горячего цилиндра в компрессионный или холодный цилиндр.

Охлаждающее устройство извлекает тепловую энергию из горячего газа и преобразует ее в холодный газ.Основной целью этого процесса охлаждения является снижение давления горячего газа, чтобы его можно было легко сжать.

3) Изотермическое сжатие (линия 3–4)

На этом этапе газ сжимается при постоянной низкой температуре. Тепло, выделяющееся в процессе сжатия, направляется в охладитель.

Во время этого процесса сжатия поршень увеличивает давление газа. Это повышенное давление приводит в движение силовой поршень, который дополнительно перемещает маховик.

4) Изохорный нагрев (линия 4-1)

В процессе изохорного подвода тепла поршень снова переносит холодный газ из холодного цилиндра в горячий цилиндр, где он снова нагревается за счет внешнего источника тепла, и весь цикл Стирлинга повторяется.

Компоненты двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга состоит из следующих основных компонентов:

1. Цилиндр
2. Поршень 
3. Маховик
4. Шатун
5. Коленчатый вал
6. Газ
7. Внешний источник тепла

1) Цилиндр

В разных типах двигателей Стирлинга используется разное количество цилиндров:

Тип alpha использует два цилиндра:

• Бойлер с горячей стенкой: Бойлер соединен с внешним источником тепла.Этот источник тепла отдает тепло баллонному газу; из-за этого газ нагревается и расширяется.
• Цилиндр с холодными стенками: Основная цель холода — преобразовать горячий газ в холодный. Этот цилиндр имеет охлаждающее устройство, которое отводит тепло от горячего газа, чтобы этот газ можно было снова использовать.

Тип бета имеет только один цилиндр с двумя концами:

• Холодный конец: Холодный конец имеет охлаждающее устройство, которое преобразует горячий газ в холодную форму.
• Горячий конец: Горячий конец соединяется с источником нагрева, который передает тепло газу внутри цилиндра.

2) Поршень

Поршень представляет собой устройство, совершающее возвратно-поступательное движение от холодного цилиндра к горячему и наоборот. Поршень несет ответственность за передачу конечной выходной мощности двигателю, чтобы он мог двигать транспортное средство.

Поршни, используемые в двигателе Стирлинга, бывают двух типов:

1. Силовой поршень: Это поршень меньшего размера, расположенный в двигателе. Этот поршень имеет герметичное уплотнение, сжимающее холодный газ в холодном цилиндре.
2. Буйковый поршень: Это большой поршень. Он представляет собой свободно установленный поршень в цилиндре. Поршень вытеснителя переносит газ из холодного цилиндра в горячий цилиндр и наоборот.

Количество поршней для двигателя зависит от типа двигателя Стирлинга, например:

• Двигатель бета-типа имеет два поршня (т. е. поршень вытеснителя и силовой поршень).
• Альфа-двигатель также имеет два поршня, но оба силовые.
• Двигатель гамма-типа имеет два поршня (т. е. силовой поршень и вытеснительный поршень), которые соединены с двумя различными цилиндрами (горячим и холодным цилиндрами).

3) Газ

Газ используется в двигателе Стирлинга в качестве рабочего тела. Работа и циркуляция газа различаются в зависимости от типа двигателя, например:

1. В случае альфа-типа, во-первых, газ задерживается в горячем цилиндре. Когда внешний источник тепла отдает тепло газу, он начинает расширяться.За счет расширения газа поршень движется вверх и переносит газ из горячего цилиндра в холодный цилиндр.
2. В случае бета-двигателя Стирлинга вытеснитель перемещает газ между горячей частью в холодную часть и холодной частью в горячую часть цилиндра.

 4) Внешний источник тепла

Источник, используемый для подачи тепла к горячему концу цилиндра (Beta SE) или к стенке горячего цилиндра (Alpha SE), называется внешним источником тепла.

По мере того, как источник тепла отдает тепло горячему газу баллона, потенциальная энергия газа начинает увеличиваться за счет его расширения. Это расширение перемещает поршень внутри цилиндра.

Читайте также: Работа двухтактного двигателя

5) Система охлаждения

Двигатель Стирлинга имеет систему охлаждения, соединенную с холодным цилиндром (двигатель типа Beta) или с холодной частью цилиндра (тип Alpha).

Целью системы охлаждения является отвод тепла от горячего газа и преобразование его в холодную форму, чтобы поршень мог легко его сжимать.

6) Коленчатый вал

Коленчатый вал используется для передачи движения поршня на маховик.

• Коленчатый вал преобразует возвратно-поступательное движение поршня во вращательное и передает его на маховик.
• Коленчатый вал соединяется с поршнем через шатунную шейку.

Подробнее: Работа коленчатого вала

 7) Маховик

Маховик соединен с коленчатым валом.Он получает механическую энергию (вращательное движение) от коленчатого вала и сохраняет ее для дальнейшей передачи.

Каков КПД двигателя Стирлинга?

Эффективность двигателя Стирлинга очень зависит от разницы температур между горячим и холодным цилиндрами. Чем меньше разница температур между холодным и горячим цилиндрами, тем ниже КПД двигателя. Двигатель Стирлинга может достигать КПД преобразования энергии до 40% в солнечном тепловом приложении.

Как повысить эффективность двигателя Стирлинга

КПД двигателя Стирлинга можно повысить следующими способами:

• Увеличение мощности на первом этапе: На первом этапе цикла давление, создаваемое горячим газом, заставляет поршень совершать работу. Если давление на этом этапе будет выше, то и выходная мощность двигателя будет выше. Одним из способов увеличения этого давления является повышение температуры газа.
• Снижение потребляемой мощности на 3-й ^-й -й ступени: На 3-й ^-й -й ступени цикла Стирлинга поршень сжимает газ за счет использования части энергии, вырабатываемой на 1 ^-й -й ступени . 3-й ^-й -й этап цикла может снизить мощность, потребляемую на этом этапе цикла (может эффективно увеличить мощность двигателя). Другой метод снижения давления заключается в снижении температуры газа путем его охлаждения.
• Сделайте большую разницу температур: Большая температура между горячим и холодным цилиндрами помогает увеличить эффективность двигателя Стирлинга.

Преимущества и недостатки двигателя Стирлинга

Двигатель Стирлинга имеет следующие преимущества и недостатки:

Преимущества двигателей Стирлинга

• Эти типы двигателей внешнего сгорания обладают высокой гибкостью.
• Двигатели Стирлинга быстро запускаются и более эффективны в холодную погоду.
• Поршень этого двигателя не требует взрыва для движения.
• У них тихая работа.
• Эти двигатели могут использовать любой доступный источник тепла, такой как биологические, геотермальные и ядерные источники.
• Они просты в обслуживании и отличаются высокой топливной универсальностью.

Недостатки двигателей Стирлинга

• Эти двигатели имеют сложную конструкцию.
• Требуют дополнительного внешнего источника тепла для нагрева рабочего тела (газа).
• Это дорогие двигатели.
Двигатели Стирлинга
• имеют большой вес из-за дополнительного источника тепла.
• У них очень большие теплообменники.
• Они не могут быстро запускаться и эффективно работать в жаркую погоду.

Применение двигателей Стирлинга

• Двигатель Стирлинга представляет собой оборудование для преобразования энергии, которое можно использовать в качестве теплового насоса , холодильного двигателя, первичного двигателя.  
• Эти двигатели используются на водонасосных станциях.
• Двигатель Стирлинга также используется для производства солнечной энергии.
• Двигатели Стирлинга используются в морской пехоте, например, в подводных лодках.
• Используются на атомных электростанциях.
• Эти двигатели используются для самолетов.

Разница между двигателем Стирлинга и двигателем внутреннего сгорания

Основное различие между двигателем Стирлинга и двигателем внутреннего сгорания приведено ниже:

Двигатель Стирлинга	Двигатель внутреннего сгорания
Для двигателя Стирлинга требуется внешний источник для нагрева рабочей жидкости (газа).	Двигатель внутреннего сгорания не использует внешний источник тепла для нагрева рабочей жидкости.
Нет ограничений по источнику тепла, поскольку двигатели Стирлинга могут работать на любом доступном топливе, таком как биологическое, геотермальное, ядерное и т. д.	Он не может работать на любом доступном топливе. Для работы этого двигателя требуется определенное топливо, например, бензин или дизель.
Используется одноступенчатая рабочая жидкость.	Используется двухступенчатая рабочая жидкость.
Эти двигатели работают тихо.	Эти двигатели производят высокий уровень шума.
Отличаются быстрым запуском и эффективной работой в холодную погоду.	Эффективно работают в холодную погоду.
Двигатели Стирлинга обладают большей гибкостью, чем двигатели внутреннего сгорания.	Обладают меньшей гибкостью.
Имеют высокую стоимость.	Имеют низкую стоимость.
Эти двигатели имеют больший вес по сравнению с двигателями внутреннего сгорания.	Они легкие.

FAQ Раздел

Почему не используются двигатели Стирлинга?

Во всем мире максимальное количество электроэнергии вырабатывается паровыми турбинами. Это связано с тем, что паровые турбины обладают высокой гибкостью и могут работать с использованием различных источников тепла, таких как тепло ядерного реактора, биомасса или уголь.

Двигатели Стирлинга редко истощаются для выработки электроэнергии. Это потому, что они требуют очень экзотических сплавов в своих теплообменниках.Теоретически эти двигатели имеют высокий КПД, но отличаются высокой стоимостью и большими размерами. Когда дело доходит до выработки электроэнергии, двигатели Стирлинга не могут сравниться с долгосрочной эффективностью, производительностью и надежностью турбин. По этим причинам двигатели Стирлинга не пользуются популярностью.

Какой тип двигателя является двигателем Стирлинга?

Двигатель, использующий цикл Стирлинга, известен как двигатель Стирлинга. Двигатель Стирлинга имеет дополнительный внешний источник тепла для нагрева рабочего тела (газа).

Почему двигатели Стирлинга менее распространены?

Двигатели Стирлинга не распространены по следующим причинам:

1. Имеют большой размер.
2. У них высокая стоимость.
3. Для этих двигателей требуются сложные теплообменники.

Для чего используется двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга используется для следующих приложений:

• Может использоваться как тепловой насос.
• Может использоваться как холодильный двигатель.
• Используется для самолетов.
• Используется на атомных электростанциях.

Кто изобрел двигатель Стирлинга?

В каком цикле работает двигатель Стирлинга?

Двигатель Стирлинга работает по циклу Стирлинга.

Подробнее

1. Различные типы двигателей внутреннего сгорания?
2. Какие бывают типы двигателей
3. Как работает двигатель Карно?
4. Как работает бензиновый двигатель?

Управляемые термокомпрессоры Стирлинга – dces

Этот проект направлен на исследования по усовершенствованию, моделированию и экспериментальным испытаниям двигателей Стирлинга.

Двигатель Стирлинга — это тепловой двигатель, который может работать с использованием различных источников тепла, таких как углеводородное топливо с высокой плотностью энергии (пропан, бутан, природный газ и т. д.), отработанное тепло, солнечные концентраторы, геотермальные источники, радиоизотопные источники и другие.

Двигатель Стирлинга был изобретен Робертом Стирлингом в 1816 году. Он состоял из герметичной секции двигателя, вытеснительного поршня и силового поршня. Поршень вытеснителя разделяет горячую и холодную стороны. Исторически поршень вытеснителя и силовой поршень были кинематически связаны.

В то время как исторические двигатели Стирлинга, в которых поршень вытеснителя и рабочий поршень были кинематически связаны, были слишком громоздкими и тяжелыми, чтобы производить большую мощность, в двигателях Стирлинга со свободными поршнями используются динамические механизмы для достижения правильной фазы между вытеснителем и рабочим поршнем. Даже прочные свободнопоршневые двигатели Стирлинга намного легче и компактнее; они должны устойчиво поддерживать автоколебания в условиях изменения нагрузки и возмущений. Поскольку этого очень трудно добиться, в этом проекте проблема динамического достижения правильной фазы преодолевается за счет непосредственного управления движением поршня вытеснителя (см.1). За счет независимого привода вытеснителя движение вытеснителя отделено от динамики давления внутри двигателя. Благодаря отделению движения буйка и последующему независимому управлению им нагрузка не влияет на способность двигателя к автоколебаниям. Эта дополнительная степень свободы управления позволяет разработать независимую конструкцию движения поршня буйка, которым можно управлять для формирования термодинамического цикла перед лицом произвольных нагрузок.

 

На рис. 1 слева показана схема первого прототипа прибора Стирлинга.Герметичная секция двигателя имеет горячую (по направлению к головке нагревателя) и холодную стороны (по направлению к ребрам охлаждения), которые разделены поршнем вытеснителя. Вытеснитель приводится в действие линейным двигателем, расположенным в возвратной камере. Гелий используется в качестве рабочего тела для этого устройства, так как гелий обладает очень хорошими свойствами теплопередачи. Герметичная секция двигателя и возвратная камера соединены через игольчатый клапан. Игольчатый клапан представляет собой ограничитель потока, который гарантирует среднее давление в обратной камере.Когда вытеснитель перемещается вверх и вниз по секции двигателя, рабочая жидкость перемещается от горячей к холодной и от холодной к горячей стороне. Результирующее изменение температуры рабочего тела (гелия) вызывает колебания давления внутри секции двигателя. Разность давлений между средним давлением в возвратной камере и колебательным давлением в секции двигателя может затем использоваться для привода силового поршня. Этот силовой поршень мог представлять собой линейный электрический генератор, гидравлический насос, компрессор и другие.Этот проект поддерживается Центром компактной и эффективной гидроэнергетики, инженерно-исследовательским центром NSF.

 

Публикации

А. Винкельманн и Э. Дж. Барт, «Системно-динамическая модель и конструкция насоса Стирлинга», , 2014 г., Материалы симпозиума 27 ^th по гидроэнергетике и управлению движением, ASME/Bath, FPMC2014-7839, сентябрь 10-12, 2014, Бат, Англия. ПДФ

А. Винкельманн и Э. Дж. Барт, «Проектирование, моделирование и экспериментальная проверка нагнетателя давления Стирлинга с поршнем с управляемым вытеснителем», Представлено в : IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2015.

 

Анализ термодинамических характеристик двигателей Стирлинга на солнечных батареях

В этой статье представлено численное моделирование и термодинамический анализ двигателя Стирлинга на солнечных батареях SOLO 161. В процессе моделирования учитываются некоторые несовершенные условия работы, мертвые объемы поршней и потери работы. С учетом несовершенной регенерации разработана изотермическая модель для расчета теплообмена. В расчетах рабочей схемы учитываются мертвые объемы горячих и холодных поршней.В качестве эффективных параметров рассматриваются эффективность регенератора, температуры нагревателя и охладителя, рабочий газ, разность фаз, среднее давление в двигателе и мертвые объемы. По вариациям эффективных параметров оцениваются характеристики двигателя Стирлинга. Результаты этого исследования показывают, что увеличение разницы температур нагревателя и охладителя и уменьшение мертвых объемов приведет к увеличению теплового КПД. При этом полезная работа имеет максимальное значение при угле между валами двух поршней, равном 90 градусам, а КПД максимален при 110 градусах.

1. Введение

Настоятельная необходимость сохранения ископаемого топлива и использования возобновляемых источников энергии привела к использованию двигателей Стирлинга, которые имеют превосходный теоретический КПД, эквивалентный родственному циклу Карно. Они могут потреблять любой источник тепловой энергии (энергия сгорания, солнечная энергия и т. д.) и меньше загрязняют окружающую среду, чем традиционные двигатели [1].

Машина с циклом Стирлинга представляет собой устройство, работающее в замкнутом регенеративном термодинамическом цикле. В идеальном цикле двигателя Стирлинга рабочее тело сжимается при постоянной температуре, нагревается при постоянном объеме, расширяется при постоянной температуре и охлаждается при постоянном объеме.Поток регулируется изменением объема, поэтому происходит чистое преобразование тепла в работу или наоборот.

Двигатели Стирлинга часто называют другими именами, включая двигатели с горячим воздухом или горячим газом, или одним из ряда обозначений, зарезервированных для конкретной компоновки двигателя.

В 19-м и начале 20-го веков появилось множество применений двигателей Стирлинга. Двигатель Стирлинга в 19 веке во многом ограничивался металлургическими возможностями и проблемами того времени.По этим причинам двигатель был окончательно вытеснен недавно разработанными двигателями внутреннего сгорания. Двигатель Стирлинга был почти забыт до 1920-х годов.

Только в 1938 году небольшой двигатель Стирлинга мощностью 200 Вт производства г-на Н.В.Филипса снова вызвал интерес к этому типу двигателя. Развитие технологий производства материалов, имевшее место в 1950-х годах, открыло новые перспективы и для двигателя Стирлинга.

В течение 1969-1970 годов компания Philips разработала привод с ромбическим механизмом для муниципального автобуса.Подробный расчет в итоге показал, что при партии в 10000 штук в год цена все равно будет в 2,5 раза выше, чем у двигателя с воспламенением от сжатия той же мощности из-за значительной сложности двигателя.

В 1970-х годах компания United Stirling много работала над разработкой привода для легковых автомобилей. Один из следующих типов V4X35 был установлен на автомобиль Ford Taurus в 1974 году. Несмотря на удовлетворительные результаты ходовых испытаний с пробегом 10 000 км, серийное производство так и не было начато из-за цены силового агрегата.

Высокая тепловая эффективность, малошумная работа и способность двигателей Стирлинга работать на многих видах топлива отвечают требованиям эффективного использования энергии и экологической безопасности. Установки на базе двигателя Стирлинга считаются лучшими среди наиболее эффективных солнечных тепловых преобразователей малой мощности [2].

С другой стороны, основными недостатками двигателей Стирлинга являются их большой объем и масса, низкая степень сжатия, утечка рабочей жидкости из внутреннего объема двигателя. Для увеличения удельной мощности двигателей Стирлинга разработан ряд методов, таких как использование водорода или гелия в качестве рабочего тела при высоком давлении наддува, увеличение разности температур между горячим и холодным источниками, повышение внутреннего коэффициента теплоотдачи и теплоотдачи поверхности и с помощью простых механических устройств, например, двигателя Стирлинга со свободным поршнем [3].

Работа двигателя Стирлинга зависит от геометрических и физических характеристик двигателя, а также от свойств газа рабочего тела, таких как эффективность и пористость регенератора, мертвый объем, рабочий объем, температура источников, потери на перепад давления и челночные потери.

Машина, использующая цикл Стирлинга, может функционировать как двигатель, преобразующий тепловую энергию от соответствующего источника тепла в кинетическую энергию, или, используя обратный цикл, как холодильник, который может достигать низких температур или обеспечивать эффект поглощения тепла за счет подачи кинетической энергии от электродвигателя.Двигатель Стирлинга также был предложен в качестве привода для генераторов электроэнергии и тепловых насосов, и его практическое применение было реализовано. Традиционно ископаемое топливо и солнечная энергия считались потенциальными источниками тепла; однако совсем недавно было обнаружено практическое применение двигателей, которые используют биомассу или отработанное тепло, вырабатываемое дизельными двигателями, в качестве топлива [4].

Тепловой предел работы двигателя Стирлинга зависит от материала, из которого он изготовлен.В большинстве случаев двигатели работают с температурой нагревателя и охладителя 923 и 338 К соответственно. КПД двигателя колеблется от 30 до 40 % в зависимости от типичного диапазона температур 923–1073 K и нормального диапазона рабочих скоростей от 2000 до 4000 об/мин [5].

Численные исследования двигателей Стирлинга проводились многими исследователями. В основе почти всех этих исследований лежит термодинамический анализ. Некоторые из этих исследований сосредоточены на конкретной части двигателя, например, на регенераторе [6].Некоторые другие ориентированы на конкретный тип двигателя Стирлинга, например, двигатель Стирлинга со свободным поршнем [7]. Учет конкретных условий эксплуатации, например термоакустических условий, является объективным во многих из этих исследований [8]. Во всех этих исследованиях основной целью является расчет оптимального режима работы. В текущем исследовании в качестве основных целей рассматриваются максимальная выходная мощность и максимальная эффективность работы. Численная модель разработана с использованием термодинамического анализа для создания вариантов производительности, сравнивающих характеристики и условия различных частей.

2. Цикл двигателя Стирлинга

2.1. Описание

Двигатели Стирлинга представляют собой механические устройства, работающие теоретически по циклу Стирлинга, в которых в качестве рабочих жидкостей используются сжимаемые жидкости, такие как воздух, водород, гелий, азот или даже водяной пар. Двигатель Стирлинга дает возможность иметь высокоэффективный двигатель с меньшим выбросом выхлопных газов по сравнению с двигателем внутреннего сгорания. Двигатель Стирлинга представляет собой двигатель внешнего сгорания. Следовательно, его можно использовать для питания от большинства источников тепла, включая сжигание любых горючих материалов, полевых отходов, рисовой шелухи и т.п., биомассы, метана и солнечной энергии.В принципе, двигатель Стирлинга прост по устройству и конструкции и не вызывает затруднений в эксплуатации [9].

2.2. Заявка

Двигатель Стирлинга может использоваться во многих приложениях и подходит там, где (1) требуется многотопливная характеристика; (2) имеется очень хороший источник охлаждения; (3) требуется бесшумная работа; (4) допускается работа на относительно низкой скорости; (5) разрешена работа с постоянной выходной мощностью; (6) допускается медленное изменение мощности двигателя; (7) Допускается длительный период прогрева.

2.3. Идеальный цикл Стирлинга

Цикл двигателя представлен на диаграммах PV и TS на рисунке 1. Идеальный цикл двигателя Стирлинга состоит из двух изохорных и двух изотермических процессов. Рассмотрим цилиндр, содержащий два противоположных поршня с регенератором между поршнями, как показано на рисунке 2. Регенератор похож на тепловую губку, попеременно поглощающую и выделяющую тепло, которая представляет собой матрицу из мелкодисперсного металла в виде проводов или полос. Объем между регенератором и поршнем с правой стороны является объемом расширения, а объем между регенератором и поршнем с левой стороны — объемом сжатия.Объем расширения поддерживается при температуре нагревателя, которая называется горячей температурой, а объем сжатия поддерживается при более низкой температуре, которая называется холодной температурой [2].

Для начала цикла Стирлинга мы предполагаем, что поршень камеры сжатия находится во внешней мертвой точке (крайняя правая сторона), а поршень камеры расширения находится во внутренней мертвой точке рядом с регенератором. Объем сжатия максимален, а давление и температура имеют минимальные значения, представленные точкой 1 на диаграммах PV и TS на рисунке 1.

Четыре процесса цикла Стирлинга [11] следующие.

2.3.1. Процесс 1-2, процесс изотермического сжатия

Во время процесса сжатия с 1 по 2 поршень сжатия перемещается в сторону регенератора, в то время как поршень расширения остается неподвижным. Рабочее тело сжимается в полости сжатия и давление увеличивается от Р1 до Р2. Температура поддерживается постоянной за счет теплового потока из холодного пространства в окружающее. Над рабочим телом совершается работа, равная по величине теплоте, отводимой от рабочего газа.Внутренняя энергия не изменяется, а энтропия уменьшается.

2.3.2. Процесс 2-3, процесс регенеративного переноса постоянного объема

В процессе 2-3 оба поршня перемещаются одновременно, то есть поршень сжатия к регенератору, а поршень расширения от регенератора, так что объем между поршнями остается постоянным. Рабочая жидкость переводится из объема сжатия в объем расширения через регенератор пористых сред. Температура рабочего тела увеличилась с 𝑇1 до 𝑇3 за счет теплопередачи от матрицы регенератора к рабочему телу.Постепенное повышение температуры рабочей жидкости при прохождении через регенератор вызывает повышение давления. Работа не совершается, а энтропия и внутренняя энергия рабочего тела увеличиваются.

2.3.3. Процесс 3-4, процесс изотермического расширения

В процессе расширения 3-4 поршень расширения продолжает двигаться от регенератора к внешнему мертвому поршню, в то время как поршень сжатия остается неподвижным во внутренней мертвой точке рядом с регенератором. По мере расширения давление уменьшается по мере увеличения объема.Температуру поддерживают постоянной за счет добавления тепла в систему от внешнего источника на 𝑇3. Работа, совершаемая рабочим телом над поршнем, по величине равна подведенной теплоте. Внутренняя энергия не меняется, а увеличивается энтропия рабочего тела.

2.3.4. Процесс 4-1, процесс регенеративного переноса постоянного объема.

В процессе 4-1 оба поршня движутся одновременно для перекачки рабочей жидкости из пространства расширения в пространство сжатия через регенератор при постоянном объеме.При протекании рабочего тела через регенератор тепло от рабочего тела передается матрице регенератора, снижая температуру рабочего тела до 𝑇1. Никакая работа не сделана; происходит уменьшение внутренней энергии и энтропии рабочего тела.

Цикл Стирлинга представляет собой в высшей степени идеализированный термодинамический цикл, который состоит из двух изотермических и двух процессов с постоянным объемом, и цикл является термодинамически обратимым. Первые предположения изотермической работы и теплообмена подразумевают, что теплообменники должны быть совершенно эффективными, а для этого требуется бесконечная скорость теплопередачи между стенкой цилиндра и рабочей жидкостью.Второе допущение требует нулевого теплообмена между стенками и рабочим телом, оба допущения остаются неверными при реальной работе двигателя [2].

2.4. Различные механические конфигурации

По своему механическому устройству двигатели Стирлинга подразделяются на три группы: альфа, бета и гамма. Каждая конфигурация имеет один и тот же термодинамический цикл, но имеет разные механические конструктивные характеристики, см. рис. 3.

В альфа-конфигурации два поршня, называемые горячим и холодным поршнями, используются по обе стороны от нагревателя, регенератора и кулер.В механическом устройстве альфа-типа термодинамический цикл осуществляется с помощью двух поршней, работающих в отдельных цилиндрах: один удерживается при горячей температуре, а другой при холодной.

В бета-конфигурации вытеснитель и силовой поршень встроены в один и тот же цилиндр. Вытеснитель перемещает рабочую жидкость между горячим и холодным пространством цилиндра через нагреватель, регенератор и охладитель. Силовой поршень, расположенный в холодном пространстве цилиндра, сжимает рабочее тело, когда рабочее тело находится в холодном пространстве, и расширяет рабочее тело, когда рабочее тело перемещается в горячее пространство.

В гамма-конфигурации используются отдельные цилиндры для буйкового и силового поршней, при этом силовой цилиндр соединен с цилиндром буйка. Вытеснитель перемещает рабочую жидкость между горячим и холодным пространством цилиндра вытеснителя через нагреватель, регенератор и охладитель. В этой конфигурации силовой поршень как сжимает, так и расширяет рабочую жидкость. Гамма-конфигурация с поршнем двойного действия теоретически имеет максимально возможный механический КПД.Эта конфигурация также показывает хорошее самонаддув. Однако цилиндр двигателя должен быть выполнен вертикальным, а не горизонтальным, чтобы уменьшить трение втулки [9]. Следует отметить, что в этом исследовании были представлены термодинамические уравнения и соотношения для альфа-типа. Однако представленный алгоритм можно распространить на два других типа двигателей Стирлинга. Для этого в [11] можно найти основные термодинамические уравнения для двигателей Бета и Гамма.

2.5. Мертвые объемы и дефицит регенератора

В идеальном цикле Стирлинга предполагается, что все тепло, отводимое в ходе процесса 4-1, поглощается регенератором, а затем отдается рабочей жидкости в ходе процесса 2-3. В действительности мы не можем найти идеальный регенератор, и все регенераторы из-за их конструкции и используемых материалов имеют недостатки. Таким образом, несовершенный регенератор не может поглотить всю теплоту, выделяющуюся в процессе 4-1, и, следовательно, не может обеспечить всю необходимую теплоту процесса 2-3.Для данного исследования температуры рабочей жидкости на выходе из несовершенного регенератора обозначены как 𝑇3′ и 𝑇1′. На рисунке 1 представлены положения этих двух температур на диаграммах P-V и T-S . Хотя сообщалось о значениях эффективности регенератора 95, 98-99 и 99,09 %, разработчикам двигателей, не имеющим на руках технологии эффективного регенератора, следует учитывать эффективность регенератора, а затем проводить анализ с несовершенной регенерацией [5]. ].

Общий мертвый объем определяется как сумма объемов пустот двигателя Стирлинга. Мертвые объемы учитываются для регенератора, холодных и горячих поршней. Доказано, что реальный двигатель Стирлинга должен иметь некоторый неизбежный мертвый объем. В обычной практике проектирования двигателей Стирлинга общий мертвый объем составляет примерно 58% от общего объема. Хотя многие исследователи анализировали двигатели Стирлинга, все еще остается место для дальнейшего развития. Можно использовать уравнения Шмидта для учета мертвых объемов в своем анализе.Однако в анализе Шмидта [11] предполагается идеальная регенерация. С учетом рисунка 2 вклады мертвых объемов двигателя Стирлинга представлены на рисунке 4.

Другим важным вопросом, который следует учитывать, является температура регенератора. Правильная оценка температуры регенератора будет иметь прямое влияние на окончательные результаты. В нашем подходе предполагается, что половина мертвого объема регенератора находится в точке 𝑇3′, а другая половина – в точке 𝑇1′. Далее эффективная температура регенератора может быть рассчитана по среднему арифметическому или логарифмическому среднему значению этих двух температур.

3. Уравнения термодинамики

Основные допущения для двигателя Стирлинга следующие [11]. (i) Температура в каждом газовом пространстве (холодном и горячем) известна и постоянна. (ii) Нет разницы давлений между газовые пространства. (iii) Для рабочей жидкости можно использовать закон идеального газа. (iv) Утечек в пространство для рабочей жидкости или из него нет.

3.1. Эффективность регенератора

Эффективность регенератора для горячей и холодной сторон определяется как 𝐸𝐻=𝑇3′−𝑇2𝑇3−𝑇2=𝑇3′−𝑇𝐶𝑇𝐻−𝑇𝐶,𝐸𝐶=𝑇𝐻−𝑇1′𝑇𝐻−𝑇𝐶.(1)

Для идеального регенератора эффективность равна единице. Для рассмотрения двигателей Стирлинга, не использующих регенератор, эффективность следует положить равной нулю. Температуры на выходе из регенератора определяются как (2)

холодная и горячая стороны, что означает 𝐸𝐻=𝐸𝐶=𝐸.

Как обсуждалось ранее, важна оценка эффективной температуры регенератора.Ниже приведены три основных подхода к оценке эффективной температуры регенератора. (i) Метод среднего арифметического: 𝑇𝑅=𝑇1′+𝑇3′2.(3)(ii)Логарифмический метод среднего: 𝑇𝑅=𝑇3−𝑇1′𝑇ln3′/𝑇1′. (4)(iii) Наполовину горячий космос-наполовину холодный космос: 1𝑇𝑅=121𝑇1′+1𝑇3′.(5)

При подстановке (2) в (3) эффективная температура регенератора будет 𝑇𝑅=𝑇𝐶+𝑇𝐻2.(6) Как видно из (6), в среднеарифметическом подходе эффективная температура регенератора не зависит от эффективности регенератора.Однако в двух других подходах эффективная температура регенератора зависит от эффективности регенератора.

3.2. Тома

Считается, что поршни имеют простые гармонические движения. Следовательно, объемы поршней определяются следующим образом: (7) В этих уравнениях 𝜑 — угол коленчатого вала, а ALPH — разность фаз между горячим и холодным поршнями соответственно.

Как показано на рисунке 4, общий мертвый объем можно рассчитать следующим образом: 𝑉TDV=𝑉HPDV+𝑉RDV+𝑉CPDV(8)

Безразмерный общий мертвый объем представлен следующим образом: 𝑉∗TDV=𝑉TDV𝑉HP+𝑉CP.(9)

Следует отметить, что используемый алгоритм не зависит от определений вариаций объема. Однако в этом исследовании используется простое гармоническое движение.

3.3. Уравнение давления

Предполагается, что рабочий газ является идеальным газом, и поэтому для него можно использовать уравнение состояния идеального газа.Полная масса рабочей жидкости представляет собой сумму объема горячего поршня, мертвого объема горячего поршня, мертвого объема регенератора, мертвого объема холодного поршня и мертвого объема холодного поршня. Следовательно, 𝑚TV=𝑚HP+𝑚RDV+𝑚CP.(10)

Каждое пространство следует уравнению состояния идеального газа: (11)

Предполагается, что давление в этих трех пространствах одинаково. Подставив (11) в (10), получим соотношение давлений: 𝑚𝑇=𝑃𝑅𝑉HP𝑇𝐻+𝑉RDV𝑇RDV+𝑉CP𝑇𝐶.(12)

3.4. Теплота и работа на четырех стадиях цикла Стирлинга

Как упоминалось ранее, цикл Стирлинга состоит из четырех стадий: процесс изотермического сжатия (на основании рис. 1, точки 1–2), процесс изохорного нагрева (точки 2–3). ), процесс изотермического расширения (точки 3-4), процесс изохорного охлаждения (точки 4-1).

Зная объемы и массу рабочего газа, можно рассчитать давление по (12). Поскольку объемы относятся к углу коленчатого вала (7), давление также пропорционально углу коленчатого вала.

3.4.1. Рабочая диаграмма

Изменяя угол коленчатого вала от нуля до 360 градусов, можно получить диаграмму P-V . Интегрируя области этой диаграммы, можно рассчитать работу расширения, работу сжатия и чистую работу. По этой причине диаграмма PV называется рабочей диаграммой. Работа расширения, которая теоретически происходит в процессе 3-4 на рис. 1, равна добавочному теплу. Работа сжатия, которая теоретически совершается в процессе 1-2 на рис. 1, равна поглощенной теплоте за цикл.Следовательно, имея рабочую диаграмму, можно рассчитать добавочное тепло и поглощенное тепло. —

3.4.2. Процесс изохорного нагрева

Регенератор обеспечивает необходимое тепло от 2 до 3 футов. Поэтому оставшееся тепло для прогрева рабочего газа из 3′-3 должно обеспечиваться нагревателем. Учитывая, что процесс происходит в постоянном объеме, теплота, добавляемая во время процесса изохорного нагрева 3′-3, определяется выражением 𝑄3′−3=𝑚𝐶𝑉𝑇3−𝑇3′=𝑚𝐶𝑉𝑇(1−𝐸)𝐻−𝑇𝐶. В (13) известны все параметры, кроме массы.В некоторых источниках, таких как [5], эта масса считается равной общей массе рабочего тела. В этом предположении пренебрегается массой рабочего газа в холодном мертвом объеме.

3.5. Тепловой КПД

Тепловой КПД двигателя Стирлинга, включая мертвые объемы и дефицит регенератора, определяется выражением 𝜂th=𝑊net𝑄общая потребляемая теплота.(14)

4. Процедура решения

Далее представлен алгоритм численного решения, см. рис. 5. Сначала задаются значения габаритов двигателя и условий работы.В таблице 1 представлены основные используемые значения.

Hot Piston Sweep Volume = 160,0 см 3 Холодный поршень Sweep Volume = 160,0 см 3 Горячей поршневой мертвый объем = 40 см 3 Холодный поршень Мертвый объем = 30,0 см 3 REGENERATOR MUTP TOMOTE = 30,0 см 3 Общий объем мертвого объема = 100,0 см 3 Регенератор Эффективность = 0.85 фазовый угол разницы = 90,0 градуса Утеплитель температуры = 923 K температура охлаждения = 300 K Среднее рабочее давление = 10 МПа частота двигателя = 1800 об / мин

Следует отметить, что условия, представленные в таблице 1, такие же, как и у Солнечной установки Стирлинга SOLO 161, которая проходит экспериментальные испытания в NRI.

5.Результаты

5.1. Основные характеристики двигателя

На рис. 6 представлена ​​схема P-V базового двигателя. Поскольку интегрирование площади внутри кривой P-V указывает на сетевую работу, эта диаграмма называется рабочей диаграммой. В табл. 2 приведены ТТХ базового двигателя.

91 787
Рабочая жидкость	Pavg (МПа)	Чистая работа ( J )	Тепловая эффективность	Общий подвод тепла ( J )
Гелий	10	887.993	26,9%	3300,23

9151 Воздействие высокой температуры

5.2.1. Эффекты эффективности регенератора

Теоретически, на диаграмме двигателя Стирлинга PV (рис. 1) горячая температура указывает на расположение точек 3 и 4. Имея постоянный объем и массу, увеличение горячей температуры приведет к увеличению давления. из этих двух точек.Следовательно, площадь под линиями 3-4 увеличится, что означает увеличение общего подводимого тепла. Как показано на рисунке 7, общее количество подведенного тепла увеличивается с увеличением температуры горячего воздуха. Следует отметить, что величина прироста для меньших значений эффективности регенератора больше. Подвод тепла в процессе 3-4 одинаков для всех значений эффективности регенератора и равен значениям 𝐸=1,0. Разница заключается в добавлении тепла во время процесса 3′-3. При более низких значениях эффективности регенератора это значение выше и, следовательно, необходимо больше тепла подводить к двигателю.

Повышение температуры нагрева приведет к увеличению работы расширения, область ниже линии 3-4 на рис. 1. В то время как работа сжатия постоянна, это приведет к увеличению полезной работы. Поскольку эффективность регенератора не влияет на процессы 3-4 и 1-2, она не влияет на работу сети. На рисунке 8 представлены изменения чистой работы с увеличением температуры горячего воздуха.

Как было сказано ранее, повышение температуры нагрева приведет к увеличению общего подводимого тепла и полезной работы.Когда разница между горячей температурой и холодной температурой невелика, горячая температура составляет 400–600   K, на рисунке 9, повышение горячей температуры больше влияет на чистую работу, чем общее подводимое тепло, что приведет к увеличению тепловой эффективности. При более высоких значениях горячей температуры, горячей температуре выше 600 K на рисунке 9 скорость увеличения полезной работы и общего подведенного тепла примерно одинакова, и, следовательно, тепловой КПД стремится к ограниченному значению. Аналогичные результаты наблюдаются экспериментальными испытаниями [12].

5.2.2. Влияние рабочего газа

В этом исследовании мы зафиксировали объем двигателя и среднее давление, а затем рассчитали массу рабочей жидкости. Поскольку объемы и давление постоянны, полезная работа не зависит от типа рабочего газа. Следовательно, тепловой КПД прямо пропорционален общему подводимому теплу. Рассматриваются четыре различных газа: воздух, гелий, водород и азот. Как показано на Рисунке 10, при повышении температуры нагрева гелий требует меньшего количества подводимого тепла в аналогичных условиях.Поскольку чистая работа одинакова, тепловой КПД гелия больше, чем у других рабочих газов, что представлено на рисунке 11.

5.3. Влияние низкой температуры

5.3.1. Эффекты эффективности регенератора

По сравнению с эффектами высоких температур, повышение низких температур оказывает обратное влияние на общее количество подводимого тепла, работу сети и тепловой КПД. Хотя повышение температуры холода приведет к желаемому уменьшению общего подводимого тепла, это уменьшит чистую работу, что нежелательно.Изменения общего подводимого тепла и полезной работы в зависимости от температуры холода представлены на рисунках 12 и 13.

Поскольку уменьшение полезной работы больше, чем уменьшение общего количества подводимого тепла, тепловой КПД снижается с повышением температуры холода. . Величина снижения при более высоких значениях эффективности регенератора больше, что показано на рисунке 14.

5.3.2. Влияние рабочего газа

При более низких температурах гелию требуется меньшее количество общего подводимого тепла по сравнению с воздухом, водородом и азотом, см. рис. 15.При повышении холодной температуры и уменьшении разницы между холодной и горячей температурами суммарная подводимая теплота для всех газов стремится к постоянной величине. Поэтому, учитывая, что полезная работа одинакова, гелий имеет более высокую тепловую эффективность, которая снижается при повышении холодной температуры, см. рис. 16.

5.4. Эффекты эффективности регенератора

Эффективность регенератора указывает на необходимое количество тепла во время процесса 3′-3 на рис. 1. Таким образом, наличие регенератора с более высокой эффективностью уменьшит общее количество подводимого тепла.На рис. 17 представлены изменения общего подводимого тепла в зависимости от эффективности регенератора для различных рабочих тел. Как показано, эффективность регенератора больше влияет на воздух, водород и азот, чем на гелий. Например, общая подводимая теплота азота уменьшается с 9000 Дж до примерно 3000 Дж, т. е. примерно на 66 процентов.

Следует учитывать, что даже в этих случаях термический КПД гелия намного больше, чем у других рассматриваемых рабочих газов.При увеличении эффективности регенератора термический КПД всех рабочих газов приводит к постоянной величине, см. рис. 18.

5.5. Влияние разности фазовых углов

5.5.1. Сравнение вариантов рабочих характеристик

В рассматриваемой конструкции поршня двигателя Стирлинга угол разности между горячим поршнем и холодным поршнем называется разностью фазового угла. В данном исследовании вариации объемов рассматриваются гармонически на основе теории простого гармонического движения [11].Таким образом, разность фаз напрямую влияет на изменение объемов и, следовательно, на работу двигателя. В этом разделе мы собираемся найти наилучшую разность фазовых углов для оптимизации работы сети и теплового КПД. Имея соответствующие сопоставимые значения, мы должны нормализовать полезную работу, общее подводимое тепло и тепловой КПД. Поэтому максимальное значение в каждом случае рассматривается как эталонное значение.

Как показано на рисунке 19, максимальное значение теплового КПД может быть получено при ALPH = 110 градусов, а максимальное значение полезной работы может быть получено при ALPH = 80 градусов.В таблице (3) представлены детали нормализованной полезной работы, общего подводимого тепла и теплового КПД около ALPH = 90 градусов. Для разности фаз более 180 градусов чистая работа и, следовательно, тепловой КПД отрицательны. Это означает, что двигатель будет использовать работу, а не генерировать ее.

5.5.2. Эффекты эффективности регенератора

Чтобы найти оптимизированное значение разности фазовых переходов, изменения теплового КПД при различной эффективности регенератора показаны на рисунке 20.Как видно, оптимизируемое значение зависит от эффективности регенератора. Для 𝐸=0,2 оптимальной является ALPH = 90–100 градусов, а для 𝐸 =0,9–0,95 оптимальной точкой является ALPH = 150–170 градусов. Для 𝐸=1,0 оптимальная точка составляет примерно ALPH = 175 градусов. Следует отметить, что в реальности идеальный регенератор найти невозможно. Обычные регенераторы имеют эффективность около 0,5–0,8, что означает, что оптимальная точка составляет примерно ALPH = 110–130 градусов.

Поскольку работа сети не зависит от эффективности регенератора, оптимальная точка максимальной работы сети, как указано в таблице 3, составляет приблизительно ALPH = 80 градусов.

Alph Вт-нетто Тепловая эффективность Общий подвод тепла 60 788,545 0,217312 3628,62 70 848.686 0.238807 3553.86 3553.86 80 881.95 0.256036 3444.63 9003 887.993 0,26907 3300,23 100 867,31 0,277903 3120,91 110 821,141 0,282388 2907,84 120 751,371 0,282145 2663,07 130 130 660.43 0.276402 2389.38 2389.38 140 551.199 0.2637 2090 г.25 150 150 426.92 0.241243 1769.67

5.5.3. Влияние рабочего газа

На рис. 21 показаны изменения теплового КПД в зависимости от разности фазовых углов для различных рабочих газов. Тепловой КПД гелия выше других почти по всем значениям разности фаз.

5.5.4. Рабочая диаграмма

На рис. 22 представлены рабочие диаграммы для различных значений фазового угла.

5.6. Влияние среднего давления

5.6.1. Влияние эффективности регенератора

Повышение эффективности регенератора уменьшит необходимое количество тепла во время процесса 3′-3. Причем это требуемое тепло линейно пропорционально массе рабочего газа. Следовательно, увеличение среднего давления приведет к увеличению общего подводимого тепла. Это поведение представлено на рисунке 23. Эффективность регенератора указывает на наклон линий вариаций. Чем ниже эффективность регенератора, тем больше вариация наклона линии.

5.6.2. Влияние рабочего газа

При постоянных объемах и температуре среднее давление имеет линейную зависимость от массы рабочего газа. Следовательно, увеличение среднего давления приведет к увеличению массы рабочего тела. Суммарная подводимая теплота и полезная работа линейно пропорциональны массе рабочего газа. Таким образом, увеличение среднего давления приведет к увеличению общего подводимого тепла и полезной работы, которые представлены на рисунках 24 и 25. Несмотря на то, что отношения являются линейными, изменения среднего давления не влияют на тепловой КПД.

5.6.3. Рабочая диаграмма

На рис. 26 представлены рабочие диаграммы для различных значений среднего давления. Изменения среднего давления и массы рабочего газа относительны (12). Поэтому в данное исследование не включены результаты изменения массы рабочих тел. В [11, 13] представлены результаты изменения массы рабочих тел.

5.7. Влияние мертвого объема

На рисунках 27 и 28 представлены изменения чистой работы и общего подводимого тепла в зависимости от коэффициента мертвого объема.При увеличении мертвого объема общее подводимое тепло увеличивается примерно линейно, а полезная работа уменьшается экспоненциально. Следовательно, при увеличении мертвого объема тепловая эффективность значительно снизится.

Для сравнения скорости изменения нормированные рабочие параметры показаны на Рис. 29. При коэффициенте мертвого объема меньше единицы скорость снижения полезной работы и теплового КПД выше, чем скорость увеличения общей подводимой теплоты. В то время как при коэффициенте мертвого объема выше единицы, увеличивается скорость общего подводимого тепла.

6. Заключение

В данной статье проведено комплексное параметрическое исследование Солнечной установки Стирлинга SOLO 161. В качестве переменных параметров рассматриваются горячая температура, холодная температура, эффективность регенератора, рабочий газ, среднее рабочее давление, разность фазовых переходов и значения мертвого объема. Наряду с эффектами каждого параметра представлены взаимодействующие эффекты этих параметров. В результате оптимальные рабочие условия и характеристики двигателя можно резюмировать следующим образом: (i) Повышение температуры нагревателя повысит тепловой КПД и общее количество подводимого тепла.Общее подводимое тепло увеличивается линейно, а тепловой КПД приводит к ограниченному значению. Скорость увеличения намного больше в двигателях с более высокой эффективностью регенератора. (ii) Снижение температуры охладителя повысит тепловую эффективность и общее количество подводимого тепла. В отличие от колебаний температуры нагревателя, общее количество подводимого тепла увеличивается экспоненциально. Скорость увеличения общего подводимого тепла намного ниже в двигателях с более высокой эффективностью регенератора. (iii) Двигатели с более высокой эффективностью регенератора требуют меньшего общего подводимого тепла и, следовательно, имеют более высокий тепловой КПД.(iv) Среди рассмотренных рабочих газов гелий имеет лучшие рабочие характеристики. Из-за более высокого коэффициента удельной теплоемкости гелий требует меньшего общего подводимого тепла. Поэтому двигатели, работающие на гелии, имеют более высокий КПД. (v) Разность фаз между горячим и холодным валом поршня напрямую влияет на работу двигателя. Для основного предполагаемого двигателя наблюдается, что полезная работа максимальна при ALPH = 90 градусов, в то время как тепловой КПД максимален при ALPH = 110 градусов. Кроме того, ясно, что оптимальный ALPH для максимальной полезной работы или эффективности зависит от эффективности регенератора и типа рабочего газа.(vi) Чистая работа линейно пропорциональна среднему давлению, увеличение среднего давления приводит к увеличению полезной работы. Скорость увеличения полезной работы равна общему подводимому теплу, что означает, что тепловой КПД не зависит от среднего давления. Учтите, что температуры и объемы во время этих исследований поддерживаются постоянными. (vii) Замечено, что увеличение мертвого объема приведет к снижению полезной работы и увеличению общего подводимого тепла и, следовательно, к снижению теплового КПД.

Nomcclature

Индекс и Superscript

𝐻:	, связанный с горячей стороны
𝐶:		горячий поршень
HPSV:	HPSV:	HPSV:	HPSV:
HPDV:	HPDV:	HPDV:	HOR PIEPON MUTPOURE
CP:	Холодный поршень
CPSV:	Холодный поршненный объем
CPDV:	Холодный поршень Мертвый объем
TV:	Общий объем
RDV:	Регенератор Мертвый объем
TDV:	Общий объем мертвого объема. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт